作用于防波堤上波浪荷载的离心机模拟

随着港口码头向深水大吨位化的发展,新扩建防波堤逐渐向深水区延伸,防波堤受到的波浪荷载强度越来越高,当堤基位于海底软黏土层上时,由于地基承载力低,往往考虑轻型防波堤结构,在某一防波堤延伸段工程中就推出了薄壁箱筒型基础防波堤新结构。然而,这类轻型防波堤能否经得住设计波浪荷载的作用以及它的性状为工程师所关注,故希望通过土工离心模型试验,在高速旋转的离心力场中模拟作用于防波堤结构上波浪荷载作用,观察其动态反应特性。根据电磁激励器原理研制开发了一套非接触式循环波浪荷载模拟器系统,能提供不同频率、幅值高达1200 N的不对称周期性往复荷载,满足了波浪荷载模拟需要。文中随后介绍了该装置在箱筒型基础防波堤结构与地基的波浪荷载作用试验中的应用,试验测量了防波堤结构的水平变位、沉降和倾斜以及地基中孔隙水压力等性状反应,基于模型试验结果,探讨了波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤的破坏模式,结果发现,主要破坏模式为防波堤倾斜过度而失稳或水平变位超出容许值而发生侧向滑动破坏。     

软土地基上箱筒型基础防波堤静力离心模型试验研究

利用离心模型试验研究新型箱筒型基础防波堤在水平静荷载作用下的工作性状和稳定性.通过在箱筒型基础防波堤上的波浪荷载合力作用点处施加水平静荷载直至达到极限状态,得到水平静荷载作用下防波堤的位移和地基土体中超静孔压响应.试验结果表明:设计荷载作用下防波堤结构的位移较小,荷载达到约2.2倍设计值时,荷载-位移曲线出现拐点,当荷载达到约3倍设计值时达到极限状态,防波堤发生向港侧的水平位移、港侧基础筒下沉、海侧基础筒上升以及向港侧的倾斜;荷载作用下港侧基础筒周围土体中的孔压增大,海侧基础筒周围土体中的孔压降低,港侧基础筒内的超静孔压始终大于筒外的超静孔压,荷载较小时海侧基础筒内的负超静孔压大于筒外的负超静孔压,而荷载较大时筒内的负超静孔压略小于筒外的负超静孔压.     

两级循环加载下路基土附加变形特性的试验研究

为研究既有路基运营变形稳定后,在新增加交通荷重情况下路基的附加变形发展趋势,基于动三轴仪,设计了两级动荷载的循环加载试验方案,在第一级动力加载变形稳定后,通过施加不同的循环荷载幅值、频率分析后续动力加载条件下路基土的附加变形。结果表明,路基土的附加变形随第二级循环荷载幅值增加显著增大,随第二级循环荷载频率的增大而减小;第一级循环荷载幅值越大或频率越低,第二级循环荷载作用下路基土的附加变形越小。路基土经历第一级循环荷载作用变形稳定后,再次受更大幅值水平的第二级循环荷载作用,由此产生的新的附加变形较第一级循环荷载引起的塑性变形小许多。试验结果为路基永久变形计算和评估提供了数据基础。     

冲刷条件下砂土中单桩水平循环加载模型试验

近海风机大直径单桩在波浪的作用下承受水平循环荷载,并产生冲刷效应。采用一套可施加大周数循环荷载的试验装置,探究砂土中冲刷深度与加载路径耦合作用下大直径单桩累积变形特性与位移预测模型。通过对试验结果归一化和回归分析,得到位移预测模型,其为循环次数的幂指数和初次循环累计位移两者的乘积。研究发现,幂指数受加载路径和冲刷深度的影响较小;初次循环累积位移由两个相互独立的参数决定,即荷载峰值和控制循环幅值的荷载类型。荷载峰值受冲刷深度影响,荷载类型与冲刷深度无耦合关系。试验得到的位移预测模型的幂指数和初次循环累积位移公式可用于单桩长期水平循环累积位移的预测。     

唐山曹妃甸滨海软土的动模量和阻尼比测试

针对唐山曹妃甸地区滨海软土地区正在进行的海上风电工程,通过GDS动三轴试验模拟波浪循环荷载,对滨海软土的动模量和阻尼比进行了试验研究,探讨了动应力幅值和围压对它们的影响。研究表明:滨海软土的动模量和阻尼比随动应力幅值、围压的增大而增大;并得出了滨海软土的最大动剪切模量,可供分析唐山曹妃甸地区滨海软土一般动力特性,为其他进一步研究提供理论参考。     

单向循环荷载作用下饱和砂土中单桩沉降模型试验研究

通过饱和砂土中模型桩在单向循环荷载比(循环荷载幅值与桩的极限承载力的比值)分别为12.5%,25%,50%三种情况下的沉降试验,研究了模型桩在不同动力循环加载情况下的桩顶累积沉降和动位移幅值随振动次数的变化而改变的规律,拟合了沉降试验曲线的回归方程。对试验结果进行分析后得出:循环荷载比和循环次数是影响饱和砂土中单桩桩顶累积沉降的主要因素。     

海底粉土动力特性的试验研究

为了对杭州湾海底粉质土在波浪荷载作用下的动力特性进行研究,选用杭州湾地区分布较广的粉土,通过一系列模拟不同振动频率的波浪荷载的动三轴试验,探讨了振动频率的变化对粉土动应变、动孔压和动强度的影响。试验结果表明:波浪荷载作用下振动频率的大小对土体的累积轴向应变和动强度有较大影响;振动频率的变化对动孔压的发展趋势的影响不明显,同时围压对动孔压比的影响很小,动孔压比与累积轴向应变的关系曲线具有良好的归一性。     

黏土中箱筒型基础防波堤静力失稳破坏模式和承载力研究

箱筒型基础结构是适用于软土、大波浪荷载的新型防波堤结构。通过离心试验研究了箱筒型基础结构的静力失稳破坏模式和承载力特性,以及地基土体强度、波浪力作用高度对其影响规律。研究表明,箱筒型基础结构的荷载与转角、水平位移和竖向位移关系曲线有弹性变位和失稳破坏两阶段,但土体强度较大时,竖向位移不出现失稳破坏。随着弯矩的增大,结构转动中心从海床面以上向地基中移动,达到弯矩承载力时,转动中心深度位于桶底端附近。土体强度较小、波浪力作用高度较低,结构失稳的变位模式为转动和竖向位移;波浪力作用高度增大,失稳的变位模式为转动、水平位移和竖向位移的模式;土体强度增大至44.5 kPa,变位模式为转动和水平位移的模式。土体强度相同时,结构的弯矩承载力随着水平承载力的增大呈线性降低;波浪力作用高度相同时,弯矩承载力随着水平承载力的增大呈线性增长关系。研究结果揭示了箱筒型基础结构失稳破坏规律和承载力特性,并为结构优化设计提供参考。     

复合加载条件下筒形单基础极限承载力分析

筒形基础广泛应用于海洋工程,由于海洋风力、波浪等共同作用,使得传统的地基承载力理论难以分析复杂荷载条件下筒形基础的极限承载力。借助ABAQUS有限元数值软件,基于等比例位移加载模式,对饱和软黏土地基上筒形基础在水平荷载H、弯矩荷载M复合加载条件下的极限承载力进行了分析。计算分析结果表明,筒形基础在H-M荷载空间中的承载力包络面呈非对称性,水平荷载和弯矩荷载发生耦合作用,两者同向时承载力包络面增大,异向时承载力包络面减小,筒形基础埋深比的增大使得承载力包络面的非对称性越强;通过对荷载作用点的位置修正,有效减少水平荷载和弯矩荷载的耦合作用,使不同埋深比的筒形基础在H-M荷载空间中的承载力包络面对称分布,归一化后承载力包络面形状一致,采用曲线拟合得到承载力包络面的表达式,该公式可方便计算复杂荷载作用下筒形基础的承载力。     

循环荷载下冻结兰州黄土变形性质的实验研究

对温度为-1 ℃的冻结兰州黄土在围压为0.6 MPa和不同动荷载振动频率条件下进行动三轴试验,试验采用分级加载,每一级荷载振动十次,加载波形为正弦波。实验结果表明:冻结兰州黄土的累积应变在整个加载过程中逐渐增大;当动荷载加载级数增加时,累积应变率逐渐变大。动应变幅随加载频率和振次的增加而减小;当频率小于或等于1 Hz时,动应变幅随加载级数的增加而增大;当频率大于1 Hz时,动应变幅随加载级数变化不大。随着加载级数的增加,滞回曲线的面积和密集程度越来越小,整体斜率和不闭合程度越来越大。用动模量来描述滞回曲线的整体倾斜程度。当频率小于或等于7 Hz时,动模量随加载级数的增加而增大;当频率大于7 Hz时,动模量随加载级数没有明显的规律。     

振动波型对X形桩桩–筏复合地基动力响应影响的模型试验研究

基于大比例模型试验系统,开展砂土地基中现浇X形桩桩–筏复合地基的模型试验研究;分析正弦波与"M"波荷载作用下X形桩桩–筏复合地基的累计沉降、动位移幅值、动刚度、振动速度等的变化规律,初步揭示X形桩桩–筏复合地基动力响应机理。试验结果表明,桩筏复合地基的沉降s与荷载循环次数N的关系曲线可近似用对数函数描述;动位移幅值和动刚度与荷载形式和振幅有关。振动速度随深度增加而逐渐衰减,碎石垫层在振动速度向地基土传播过程中起到了良好的减震作用。研究成果为X形桩–筏复合地基的应用提供了参考依据。     

饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验——承载力及变形分析

海上风电资源的开发和利用是当今世界关注的热点问题,作为其塔架的基础,主控荷载是水平荷载。裙式吸力基础具有更高的水平承载能力和控制水平位移的能力,故非常适合作为海上风电塔架的基础。通过饱和细海砂中裙式吸力基础的水平单调加载模型试验,探究基础水平承载力的影响因素及转动点位置的变化规律,并分析了地基土的变形影响范围及规律。研究发现：与传统吸力基础相比,裙式吸力基础的水平承载力提高显著,且能有效控制水平位移;水平承载力随基础的裙高、裙宽的增加而增大,随加载高度的增加而减小;在水平荷载作用下基础主要是绕某一点（即转动点）发生转动,转动点位于主桶长度的0.45～0.7倍之间;达到极限荷载时,地表隆起范围远远大于沉降范围,沿加载轴线方向,隆起范围约为2.5倍主桶直径。     

New Design Method on Bearing Capacity of Rubble Mound of Composite Breakwater with Consideration of Deformation

The bearing capacity for composite breakwater's mound is considered as a problem of foundation stability. Expected displacement due to mound failure under eccentric inclined load by repeating wave forces is estimated. The displacement is calculated by the use of angular motion equation along virtual failure arc, similarly to Newmark's method in earthquake engineering. A computation program, which takes into account various conditions for individual breakwater, was developed. It has been found that the relationship between the expected displacement and the design safety factor of bearing capacity varies with the ratio of breadth to height for the caisson box. If an allowable expected deformation in service life is introduced in breakwater design, it is prospective to reduce caisson breadth especially in the cases of larger breadth height ratios. The program was used in back analysis of case of breakwater failure that occurred in Tomakomai west port. The settlements of caissons, ranging from 7 cm to 45 cm, were observed after a series of typhoons. By using the high wave record, and accounting for the effect of wave force increase due to incompletely armored wave-breaking blocks, the calculated settlements and horizontal displacements were in agreement with the range of deformations observed in spite of considerable scatter.     

RC框架子结构连续倒塌动力响应分析

采用ABAQUS有限元软件的Explicit和Standard模块分别对RC梁柱子结构中柱失效的动力试验和静力试验进行了数值模拟,验证了模型的正确性,并在原动力试验的基础上做了进一步的计算,分析了中柱失效时间和梁上荷载值对剩余结构动力响应的影响。为得到该动力试验试件在不同静力荷载下的中柱位移,对该试件采用静力方式进行了加载,通过动力位移与静力位移的比值得到动力放大系数,随后讨论了失效时间和荷载大小对动力放大系数的影响。结果表明:失效时间越短,中柱的最大竖向位移和振幅越大,且动力放大系数随着失效时间的增大而减小; 梁上荷载越大,中柱节点的最大竖向位移越大,当荷载大于某一临界值时,位移将随时间持续发散增长,该临界点的荷载值可称作剩余结构的动态极限承载力; 剩余结构的动态极限承载力随着中柱失效时间的增大有所增加; 梁上荷载对动力放大系数值影响较小。     

砂土中吸力式沉箱基础抗拔承载特性试验研究

通过一系列的室内模型试验研究了砂土中吸力式沉箱基础的抗拔承载特性，着重分析了沉箱的长径比、荷载作用角度和荷载作用点位置的影响。试验中考虑了3个长径比，5个荷载作用角度和5个荷载作用点位置。试验结果表明，不同工况条件下吸力式沉箱基础在被拔出前所表现出来的荷载-位移特性各不相同。增大沉箱的长径比，可以显著提高吸力式沉箱基础的抗拔能力，但长径比的改变不影响吸力式沉箱基础的位移特征。荷载作用方向越接近于水平方向，吸力式沉箱基础的抗拔能力越强。当吸力式沉箱基础承受竖向上拔荷载作用时，荷载作用点位置的变化对其承载力的影响可以忽略；除荷载作用角度为90000b0;外，荷载作用于沉箱高度的2/3和3/4处时，基础的抗拔能力最强。     

移动荷载作用下加筋路堤和轨道系统的三维动力响应

用解析法研究了加筋路堤上轨道系统在移动荷载作用下的三维动力响应问题。基于Biot多孔弹性介质的波动理论,建立了加筋路堤轨道系统分析模型。将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,将加筋路堤作为一横观各向同性层来考虑,将下卧土体考虑为由Biot?ǘ匠堂枋龅谋ズ桶肟占洹Ａ⒐斓老低场⒓咏盥返毯拖挛酝撂宓亩Ψ匠蹋贔ourier变换域内求解荷载作用下钢轨位移和土体位移的表达式,将求得的表达式进行Fourier逆变换得到其在时域里的表达式。研究了列车移动速度、加筋路堤层的厚度、荷载幅值大小和加筋率等对路堤及轨道系统动力响应的影响。计算结果表明,钢轨竖向变形随着速度的增大呈现先增大后减小的趋势;加筋路堤上的钢轨竖向变形显著小于同厚度下未加筋路堤上的钢轨竖向变形;钢轨竖向变形随着荷载幅值的增大而增大;随着加筋率的增大而减小。     

冲击荷载与静荷载作用下的单桩承载特性

对灌注桩试桩分别进行了高应变冲击试桩试验和单桩轴向抗压静载试验,并对动静载试验的结果进行了对比分析。结果表明:试桩静载试验荷载-沉降曲线呈缓变型,桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥,且桩端阻力随桩端位移的增加表现出硬化特性; 桩侧各土层达到极限摩阻力所需的桩土相对位移差异较大,且摩阻力随相对位移的增大分别呈理想弹塑性、双曲线型和软化模型变化; 桩端持力层强度越高,冲击试验实测桩底速度信号负向反射越显著; 桩端持力层强度越低,实测桩底速度信号正向反射越显著; 高应变拟合分析的承载力普遍低于静载试验,而拟合分析的桩顶位移远小于静载试验单桩极限承载力对应的桩顶位移; 极限端阻力随桩岩阻抗比的增大而增大,且桩端持力层存在有效阻抗面积; 所得结论对于提高拟合分析土参数及单桩极限承载力的计算精度和可靠性具有重要意义。     

桥梁吸力式沉箱基础承载特性试验研究

吸力式沉箱基础是跨海桥梁基础的一个新选择。基于桥梁基础的受荷特点,考虑不同的荷载作用方式,通过一系列模型试验研究了砂土中吸力式沉箱基础的承载特性。试验结果表明:沉箱的长度越长,吸力式沉箱基础的竖向承载力越大,侧壁摩阻力的贡献越大,而沉箱端部阻力可忽略不计;沉箱的长度越长,吸力式沉箱基础的水平承载力也越高,但相对于竖向承载力而言,基础的水平承载力很小,一般不超过其竖向承载力的5%。预加一定的竖向荷载,可显著提高吸力式沉箱基础的水平承载力,且预加的竖向荷载越大,基础的水平承载力越高,由于桥梁工程中基础承受的竖向荷载很大,所以有必要考虑这一因素对基础水平承载力的提高。     

小型桩基竖向循环加载模型试验系统研制与应用

介绍了一种小型桩基竖向循环加载模型试验系统,包括加载系统、压力室、起吊装置、模型桩、数据采集系统。该系统通过伺服电机驱动联轴器带动滚柱丝杠转动,进而带动加载板对模型桩施加竖向位移荷载;通过水压加载法对土样进行围压加载,模拟不同深度土层的应力状态及固结情况。可针对不同固结状态的地基土和多种桩基型式,开展不同荷载组合下桩基竖向循环加载模型试验研究,适用于饱和软土、一般黏性土、粉土、砂土等均质或非均质地基。应用该设备进行了单桩竖向循环加载模型试验,并与数值模拟进行对比。研究结果表明,动荷载幅值、地基土固结压力对桩基承载力特性影响很大;动荷载幅值较小时,桩基承载力几乎没有弱化;地基土固结压力升高时,桩基承载力提高显著,桩基承载力弱化速度减慢;随着振次及振幅的增加,桩顶轴力逐渐弱化至残余值;位移循环荷载作用下,桩周土的弱化导致桩基产生了负摩阻力,进一步降低了桩基承载力。模型试验结果与数值模拟结果吻合较好。通过初步应用,证明了该试验系统弥补了常规1g小比例尺模型试验中低围压的不足,可以较好地反应出桩顶荷载和位移的非线性关系和承载力循环弱化现象。同时该系统输出荷载波形精确,量测系统灵敏度高、稳定性好,可用于多工况下桩基的竖向循环加载特性研究。