基于CFD-DEM流固耦合方法的吸力锚基础负压沉贯数值模拟

吸力锚基础作为一种新型高效的海洋结构物基础形式在海洋工程中得到了广泛应用。对于砂土中的吸力锚沉贯研究，传统试验或有限元数值模拟存在一定局限性。采用基于离散单元法与计算流体动力学理论（CFD-DEM）流固耦合方法对吸力锚在砂土中的吸力贯入过程进行数值模拟分析；通过与室内物理模型试验、沉贯阻力理论解析计算结果进行对比分析，验证CFD-DEM流固耦合方法的有效性和准确性。进一步地，从土颗粒细观尺度上深入分析吸力锚在砂土中沉贯特性。数值模拟捕捉到贯入过程中锚内土塞和砂层变化现象，发现砂层呈现出中间向上凸起的弧状分布，说明贯入产生挤土效应，其造成的土体位移和膨胀也是土塞产生的原因。同时模拟得到贯入过程中的超孔隙水压力等势线分布变化情况和锚内砂层水力梯度的变化情况，证实了砂土中吸力贯入的“安全机制”。最后将数值所得的锚外负压比变化与Houlsby和Byrne理论模型计算结果进行对比，得到锚内土体渗透系数随沉贯的变化规律。通过本研究验证，采用离散元法结合计算流体动力学理论有效地模拟和捕捉吸力锚沉贯过程中的细观土水相互作用、宏观土体变形及渗流场分布等现象，该方法可作为吸力锚沉贯特性研究的一种有效手段。     

中粗砂中吸力锚的负压沉贯模型试验研究

吸力锚是海洋工程中广泛采用的一种基础形式。其沉贯能力（即达到预定海床位置）是其承载力达到设计要求的重要保证。国内外针对吸力锚在细砂、粉土和黏土中的沉贯性进行了较多理论及模型试验研究,但对中粗砂研究相对较少。分别针对不同水位深度和不同抽吸速度条件,对吸力锚在中粗砂中的沉贯性进行了大量模型试验研究和分析,得到了负压与沉贯深度的关系。通过沉贯方案对比,得出了吸力锚负压沉贯的最佳试验条件。通过有机玻璃吸力锚对比沉贯试验,直观展示了沉贯过程中吸力锚中“水塞”和“土塞”的形成过程。吸力沉贯与压力贯入对比试验表明,负压导致的渗流显著降低了吸力锚的沉贯阻力,是中粗砂中得以沉贯的主要原因。基于试验成果,提出了模型试验条件下,吸力锚沉贯计算的理论公式。     

分层土中吸力基础沉贯吸力变化及土体变形规律试验研究

吸力基础近年来在海上风电工程中逐渐得到推广,我国海上风场地基广泛分布分层土,研究吸力基础在分层土中的沉贯特性有助于推动其在我国海上风电工程领域的应用。开展模型试验,探讨了土层分布形式(砂土、黏性土、上层砂土下层黏性土(简称上砂下黏)、上层黏性土下层砂土(简称上黏下砂))对吸力基础沉贯吸力值、沉贯阻力、土塞高度和土体变形的影响。研究发现在上砂下黏土层中,当基础贯入至土层分界处时,基础吸力值陡然增加;当吸力基础贯入至上黏下砂土层分界处时,基础内部吸力值陡然降低,通过有机玻璃吸力基础模型试验阐述了吸力变化的原因。不同土层条件下,基础内部最终土塞高度规律由高到低为：上黏下砂土层、单一砂土层、上砂下黏土层、单一黏性土层,阐明了不同土层分布情况下基础内部土塞形成机理。对于单一砂土层和上砂下黏地基,沉贯结束后,基础周围土体出现环形沉降区域,单一砂土地基中沉降区域范围大于上砂下黏地基情况。对于单一黏性土和上黏下砂土层中,沉贯结束后基础周围黏性土中产生裂缝,且吸力沉贯下土体裂缝数量及裂缝扩展范围大于压贯条件,土体最大裂缝范围约为1.9倍基础直径。     

粉土中吸力式桶形基础沉贯及抗拔特性试验研究

吸力式桶形基础的负压沉贯控制和抗拔承载力确定是海洋钻井平台和海上风电机组多桶基础以及深海吸力锚基础设计和施工中的关键问题。通过室内大比例模型试验研究了吸力式桶形基础在饱和粉土中的负压沉贯及抗拔特性。负压沉贯试验结果表明负压并不能明显减小吸力式桶形基础在粉土中的沉贯阻力,基于CPT试验结果可较为准确地预估沉贯施工所需负压,从而确保沉贯的顺利实施和防止沉贯过程中地基发生管涌破坏。不同加载速率下的上拔试验结果表明存在一临界加载速率,当实际加载速率超过该临界值后,加载速率对吸力式桶形基础的抗拔特性影响较小。结合桶体及桶外土体的变形,提出了粉土地基中不同受力状况下吸力式桶形基础的抗拔承载力计算方法。     

吸力锚土塞在粉质粘土中形成的模型试验研究

介绍在室内粉质粘土土槽中进行吸力锚土塞形成试验 ,给出了部分试验结果。通过模拟海上吸力锚沉放过程 ,研究土塞形成和发展的规律及模型沉放过程中压力差、沉放速度等因素对土塞形成产生的影响。并对一些试验现象和结果进行了初步分析 ,得出了一些结论。     

粉砂中筒型基础沉贯过程筒–土作用机理试验研究

筒型基础沉贯安装是一项关键施工过程,目前相关研究多集中在沉贯阻力与吸力的计算方法上,而缺乏对沉贯过程筒–土作用机理研究。针对这一问题,开展了粉砂中筒型基础沉贯试验,得到了静压和吸力沉贯工况下筒壁内、外侧所受土压力发展变化规律。静压试验结果表明,筒壁内侧所受土压力远大于外侧,内侧土体挤压程度随下沉深度增加而增大,外侧相反。吸力试验结果表明,施加吸力时内侧土压力减小,外侧土压力先增大后迅速减小至稳定值,吸力产生的渗流可以大大减小端阻力与内侧摩阻力。试验结果还表明现有临界吸力计算公式是过于保守的,并根据试验结果对现有计算所需吸力的方法进行了修正,得到了一种更加准确的计算方法。     

斜坡单桶吸力式基础负压贯入与倾斜机制试验

针对吸力式基础(吸力桶)负压沉贯中的桶体倾斜,自行研制了专门的试验平台,并开展了一系列物理模型试验,模拟了水平与倾斜的地基初始状态下单个吸力桶贯入过程,探究了在地基倾斜状态下桶体贯入发生倾斜时的贯入机制。试验结果表明,吸力桶贯入深度演变曲线与贯入负压有关,其表示为三个规律性阶段:线性增加阶段、缓慢收敛阶段以及极限阶段。倾斜状态下贯入部位附近孔隙水压力的变化可反映基础的倾斜状态和倾斜程度。同时,负压的增大对桶基础倾斜有一定抑制作用。     

考虑颗粒破碎影响的吸力贯入式平板锚安装过程研究

吸力贯入式平板锚是一种适用于深海结构的锚泊基础,基于离散单元法对吸力贯入式平板锚在颗粒可破碎地基中的安装过程进行了模拟,探究土颗粒破碎对锚体运动特征、埋深减少等的影响。研究结果表明,土颗粒破碎导致锚板安装受荷旋转过程中发生斜向上的贯穿运动,影响锚的埋深减少。贯穿运动的产生与吸力贯入式平板锚的几何尺寸偏心比大小有关,偏心比很小时,不发生贯穿运动,随偏心比的增大,贯穿运动的程度先提高后下降;与未考虑土颗粒破碎情况比较,土颗粒破碎导致锚体在安装过程中产生的埋深减少远大于在土颗粒不破碎时的埋深减少。同时在土颗粒可破碎地基中,受贯穿运动的影响,吸力贯入式平板锚偏心比达到0.3后,埋深减少不再随锚链拉力倾角增大而线性增加,锚链拉力倾角超过45°后,埋深减少随着锚链拉力倾角增大而增加的速度变快。     

非饱和膨胀土变形和强度特性的三轴试验研究

为了研究吸力变化对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的影响,利用三套新研制的双压力室非饱和土三轴仪,进行一系列吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验。试验土样取自鄂西北的中膨胀性土,采用静力压实方法制备试样。试验成果表明:该非饱和膨胀土在低围压吸湿过程中的体变性状呈明显的屈服特性,因此验证了Barcelona膨胀土本构模型中SD屈服包线的存在。在等向压缩固结过程中,该非饱和膨胀土的屈服应力随吸力增加而增大,而屈服后的压缩系数随吸力增大而减少,表明吸力对土体具有硬化作用。该非饱和膨胀土的有效内摩擦角不随吸力变化而变化,吸力对抗剪强度的贡献(似凝聚力)随吸力呈非线性增加,吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献明显高于压实高岭土和砂性土。     

软黏土与粉土互层中开口预应力混凝土管桩性状研究

对软黏土与粉土互层中静压预应力混凝土管桩的相关性状进行了现场试验研究。试验结果显示,桩周土体中不同深度处的超孔隙水压力在沉桩过程中呈现不同的变化规律。回归分析得出两个不同深度处的对数表达式,用以描述最大超孔隙水压力与初始竖向有效应力的比值随距离参数的变化规律。测斜试验结果说明,群桩施工过程中土体最大水平位移发生在渗透性相对较差的淤泥质黏土层中。单桩沉桩过程中,地面的隆起量随沉桩深度不断增加,但主要的隆起量发生在桩体位于浅层时。贯入过程中,开口管桩的管壁端阻与静力触探锥尖阻力显示出极为相似的变化规律,且两者之间的比值不随贯入深度和土塞高度的变化而改变。上硬下软的土层分布易形成闭塞现象,而上软下硬的情况则易导致土塞的滑动。分析认为开口管桩直径越大管壁越薄,形成的土塞高度则越大。     

Numerical simulation of caisson installation and dissipation in kaolin clay and calcareous silt

Caissons are widely used to support fixed platforms in shallow water or moor floating platforms in deep water. Although the installation and pullout behaviours of caissons have been explored extensively, few studies are on the dissipation of excess pore pressures induced by installation of the caisson. The pull-out capacity or bearing capacity of the caisson under undrained conditions is enhanced by dissipation of excess pore pressure, given the caisson is installed in normally consolidated cohesive soil. This paper reports numerical simulations of caisson installation and the subsequent dissipation. The analyses were carried out using a coupled effective stress-pore pressure large deformation finite element (LDFE) approach incorporating the modified Cam-Clay model. The robustness of the LDFE model was validated by comparing the penetration resistance with centrifuge testing data and the guidelines. Caissons in two fine grained soils, kaolin clay and calcareous silt, were explored. The geometry of the caisson was varied to encompass the typical sizes of caissons. The dissipation responses at four locations near the caisson tip were interpreted. A normalised dissipation time around caissons is proposed, by modifying the conventional expression for a cone.     

由土–水特征曲线预测上海非饱和软土渗透系数

在分析总结由土–水特征曲线预测非饱和土渗透系数方法的基础上,根据Childs和Collis-George(1950)利用充水孔隙空间形状提出的、并经多次修改的预测渗透系数模型,预测了上海非饱和软土的相对渗透系数。上海非饱和软土渗透性参数随吸力(含水率)变化呈现非线性变化,吸力增加(含水率降低)渗透性快速降低。对不同粒径的上海非饱和软土层,在减饱和初期(低吸力阶段),土体中骨架颗粒大小对渗透性影响不大;但随着减饱和过程的进行,大骨架颗粒的土体的渗透性衰减速率大于小颗粒土体;而减饱和后期,这种衰减速率上的差异又趋于不明显。这一衰减特征主要与参与减饱和的土中水的赋存状态有关。     

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。     

Numerische Untersuchungen zur Pfropfenbildung in offenen Profilen in Abhängigkeit des Einbringverfahrens

Numerical studies of soil plugging in profiles with open cross‐section with respect to the installation method. Bracing and soil plugging can occur during installation of open‐ended piles. Especially, soil plugging in open‐ended steel piles plays an important role regarding the calculation of axial bearing capacity. Until today, it is hard to predict whether or not a soil plug forms inside the installed profile. Only little experimental data is available regarding soil plugging. In this paper numerical studies regarding the simulation of the penetration process of steel and open‐ended piles are presented. By investigation of the horizontal stresses and the void ratio distribution inside the pile it will be concluded whether or not a soil plug is formed with respect to the installation method. Furthermore, it is possible to gain further insight into the mechanism of soil plugging inside open‐ended piles.     

非饱和土力学的分形理论

室内试验确定非饱和土的力学性质有许多困难,特别是非饱和土的渗透系数,非饱和土渗透系数量级小,随吸力变化幅度大。非饱和土的孔隙结构与非饱和土的力学特性有关,非饱和土的孔隙结构用分形模型表示,分形理论可以用于研究非饱和土的力学特性。本文采用分形理论描述土体孔隙特性,导出非饱和土的水份特征曲线、渗透系数、剪切强度、膨胀变形和压缩变形的表达式。非饱和土的吸力与孔隙的关系由Young-Lapalace方程表示,将孔隙与非饱和土力学性质联系起来。文中非饱和土的理论公式与试验结果符合得很好。