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。     

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。     

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。     

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。     

桶基负压沉贯下粉土中水力梯度的变化过程

通过5个不同材料及其大小的桶基在粉土中的负压沉贯实验测定桶基内不同深度处孔隙水压力的产生和发展,计算出桶基作用下粉土中渗流梯度的大小,揭示出负压沉贯过程中渗流梯度的变化过程,表明土体在沉贯前后性质的变化,为桶基的设计提供依据。     

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。     

桶基在粉土中负压沉贯过程的试验研究

主要通过模型试验对粉土中负压沉贯过程的失稳机制进行了研究,并探讨了不同比尺桶基的沉贯效应,根据模型试验结果对不同比尺桶基的沉贯行为进行了论述,并初步分析了沉贯行为效应产生的原因.     

桶基负压沉贯过程模型试验研究

0　引　　言①如何经济地开发海上石油是国民经济快速发展的关键因素之一。近 2 0年来 ,工程师们一直在关注结构和基础的革新。负压沉箱基础是一种新型的基础形式 ,它是所谓的负压锚、负压桩、负压桶形基础和裙板基础 ,比传统的桩有更大的直径和较短的长度 ,尤其对于桶形基础。这在节省投资和再利用方面有惊人的优越性。负压锚或桩最早于 2 0世纪 80年代用于丹麦[1] ,而世界上第一个导管架桶形基础于挪威在 1994年成功应用[2 ] 。中国海洋石油总公司和胜利油田等单位 1996年以来开始进行该项技术的开发和可行性研究 ,并做了大量前期性研究工作[3,4 ] 。这项技术的成功应用依赖于多种条件 ,尤其     

基于Plaxis位移贯入法沉桩挤土过程分析

沉桩挤土效应是岩土工程领域研究的经典和难点问题,如何有效预测和控制沉桩挤土效应,是学者不断探索的课题.以某桩基工程为研究对象,基于Plaxis有限元软件,采用位移贯入法,分析了沉桩挤土过程中土体的水平位移和竖向位移的变化规律,特别分析了淤泥质土的影响,为软土地区桩基工程设计与施工提供了参考.     

砂质黏性紫色土渗透特性试验研究

土的渗透特性反映土体透水能力,是土壤水蚀模型的重要参数和评估水土流失效应的重要指标。利用多功能三轴仪对重庆地区典型砂质黏性紫色土进行模拟自然界下不同降雨强度和不同覆土深度处的渗透试验,分别研究了渗透压、围压及覆土压力等因素对土体渗透特性的影响规律。结果表明:试验范围内的不同渗透压下砂质黏性紫色土的渗透系数处于相同数量级;围压对土体的渗透系数有显著的影响,但随着围压逐渐增大,土体渗水能力的降低梯度逐渐减小;覆土压力增加,土体的渗透系数减少,相同状态下围压越小,覆土压力对土体渗透系数的影响效果越明显;随着覆土深度的增加,砂质黏性紫色土的渗透系数迅速降低。研究可为地基处理、滑坡机理分析及水土流失防治设计等提供参考。     

Failure envelope considering the ultimate tensile capacity of suction caissons in sand

Little analytical work has been done to elucidate the ultimate capacity of suction caissons under vertical tensile (V), lateral (H), and moment (M) loads in soils. In this paper, in order to reveal the effect of vertical tensile, lateral, and moment loads on the ultimate capacity of suction caissons in sand, an analytical investigation was made using a traditional bearing capacity theory. Taking account of the vertical equilibrium of an annular element of a skirt, through the vertical tractions inside and outside the skirt of a suction caisson when a vertical tensile load is applied, the vertical displacement of the soils adjacent to the skirt of the suction caisson was presented. The most appropriate bearing capacity equation for predicting the experimental results was shown for suction caissons having an embedment larger than a diameter in sand. For the deformation-load responses of suction caissons with various embedment ratios in sand, subjected to inclined tensile loads, there was a good agreement between the results obtained from laboratory tests and those predicted by the present method. The failure surfaces, considering the ultimate tensile capacity in the H-M, H-V, and M−V planes, and in the H-M−V space, for suction caissons in sand, were presented.     

考虑渗透性的水–土压力计算方法

在弱渗透性黏性土中,水–土压力的计算采用“水土分算”还是“水土合算”一直是学术界和工程界有争论的问题。上述两种土压力计算方法只考虑了极端情况,没有充分考虑土体的物理特性,计算结果差异很大。笔者根据不同土具有不同渗透性这一基本物理特性,提出考虑渗透性的水–土压力计算方法,该方法概念明确,适用范围更广,可以实现从无黏性土到黏性土的水–土压力计算且具有连续性 ,最后通过算例验证了该方法的合理性。     

膨胀土渗透性室内试验与非饱和渗透系数预测

考虑大气作用的影响,用室内试验的方法模拟自然条件下膨胀土渗透特性的变化过程,并采用Fredlund和Xing法对非饱和膨胀土的渗透系数进行预测分析。研究结果表明,干湿循环作用导致膨胀土渗透性逐渐增强,揭示了膨胀土堑坡大气影响深度的演化规律,研究结果可为工程设计和数值计算的参数取值提供参考。     

开口管桩土塞效应研究进展及展望

针对开口钢管桩在成桩过程中形成土塞的闭塞效应,回顾总结了影响土塞性状的因素、土塞的力学分析及评价和土塞机理及分析方法。目前,国内外对于土塞的研究多是针对土塞闭塞效应,从宏观的角度进行定性或半定量的研究,很少对开口管桩沉桩过程中土塞的形成和发展机理进行细观研究,尤其是对土塞机理的定量分析更是处于初级阶段。最后,基于先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术的应用,提出了土塞效应细观颗粒流(PFC)模拟方法,为开口管桩土塞效应研究提供了一种新思路。     

非饱和土稳态渗流试验装置的研制与应用

非饱和土稳态渗流试验装置是用于实验室量测非饱和土土水特性和导水系数参数的装置。该装置以在稳态渗流状态下测定土壤对水分的吸持能力为基础,用来量测非饱和土在脱水、吸湿两种循环状态下的土壤水分特征曲线;同时可以量测上述两种过程中各级基质吸力所对应的非饱和土的导水系数。在相同的条件下,所测试结果与美国Soilmoisture公司生产的1250型压力板仪所得的试验结果具有很好的一致性和稳定性,可以在实验室中推广应用。     

考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力计算

粒间吸力的计算是非饱和土有效应力原理研究的重点之一。首先考虑土颗粒间胶结面积,建立了微观状态下土颗粒相互作用的理想简化模型,推导给出了土颗粒接触点处各个力之间的相互关系,并分析了宏观上两种典型的堆积方式,从而总结得到了粒间吸力的统一表达式。而后,讨论了土颗粒间胶结面积对粒间吸力的影响。结果表明,直接使用表面张力分量来计算粒间吸力,可以简化粒间吸力的计算。最后,通过算例分析,阐明了颗粒间胶结面积对粒间吸力大小的影响。并基于多孔介质双重有效应力的假说,引入本研究给出的考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力公式,推导得到了适用于低含水率条件下非饱和土双重有效应力的计算公式。     

劣化对水泥土渗透性影响室内试验研究

为研究水泥土渗透性随劣化程度的演化规律,通过模拟水泥土在腐蚀场地的形成过程制备完全劣化水泥土试样,并实施了一系列的室内渗透试验。试验结果表明:浸泡溶液对完全劣化水泥土渗透系数的影响可忽略不计,可利用腐蚀性较强的溶液浸泡以加快完全劣化,缩短完全劣化水泥土制样时间。但是溶液浓度过高,可造成水泥土试样表面脱落,影响试样制备的质量;完全劣化水泥土的渗透系数与水泥掺入比有关,随水泥掺入比的增大,完全劣化水泥土的渗透系数呈减小的趋势;本文试验条件下,粉土水泥土完全劣化后的渗透系数与粉土的渗透系数接近,高岭土水泥土完全劣化后的渗透系数小于高岭土的渗透系数;水泥土完全劣化后的渗透系数远大于未劣化水泥土的渗透系数。研究结果可为腐蚀场地的水泥土止水帷幕设计提供理论依据。