冲击荷载作用下有碎石保护结构的海底管线DEM-FEM联合分析研究

海上平台落物或抛锚对海底的撞击会对海底管线造成一定的损害。通常的防护措施是在管线的上部铺设碎石层形成碎石保护结构,从而耗散部分冲击能量。为了分析该保护结构的防护性能,运用离散元–有限元联合分析的方法,建立冲击荷载作用下有碎石保护结构的海底管线反应分析方法。在该方法中,离散元用于模拟碎石结构,有限元用于模拟其它的连续体。离散元单元和有限元单元通过在它们之间设置接触面的方式进行相互作用。计算得到的碎石保护结构对冲击能量的吸收结果与挪威海洋工程规范中建议的公式一致,且计算得到的海底管线变形规律与模型试验的结果相符。这些结果验证了该方法在评价碎石保护结构下海底管线安全性能方面的适用性。     

重塑碎石土地基螺旋锚抗拔模型试验及承载机理分析

为研究螺旋锚基础的适用性,促进其在碎石土地基中的应用,在室内开展了重塑碎石土地基螺旋锚整模和半模轴向上拔静载荷试验。基于上拔荷载-位移关系曲线、碎石土体纵断面裂缝分布及形态等试验结果,分析碎石土中螺旋锚抗拔承载特性,以及锚盘对其承载性能的影响,研究螺旋锚抗拔承载机理。结果表明:浅埋于碎石土中的锚盘往往发生整体剪切破坏并且承载力具有弱化现象,而深埋锚盘主要发生上部土体局部剪切破坏进而变形逐渐增大;螺旋锚承载过程初期,锚盘上部碎石土被挤密,荷载与位移呈近似线性关系,随着荷载的增大,锚盘上部土体被压缩、剪切,导致变形不断增大,最终导致承载失效;锚盘数量越多、埋深越大,螺旋锚抗拔承载力越大、变形越小,增加埋深对承载力影响在小位移时即可充分发挥作用。因此,碎石土中螺旋锚属于一种深基础,锚盘与土体的相互作用是影响其承载力的主要因素。     

砂土对埋设管线约束作用的模型试验研究

屈曲剧变是海底管线失稳破坏的重要形式之一。运营中的高温、高压是导致海底管线发生屈曲剧变的直接条件,而地基土体对管线的约束作用是导致管线屈曲的根本原因。研究表明地基土对管线作用力的大小决定着管线发生屈曲变形的形态。采用取自渤海湾的细砂进行了室内管土相互作用试验,研究不同直径、不同埋深的管线竖直向上运动、水平向运动以及轴向运动时土体抗力的发挥过程。试验结果表明土抗力的发挥过程与管线的埋置率有关;埋深相同的管线水平向运动时受到的抗力比竖直向运动时大2倍以上;结合试验结果提出了适于计算渤海湾砂土地基对埋设管线约束力的经验公式。     

基于仿生防护技术的海底管线悬空治理研究

针对海底管线悬空对海洋油气田安全生产的严重威胁及其对海洋环境构成的重大隐患,文章以海底管线周围的局部冲刷及其冲刷防护与控制技术为研究对象,从海底管线冲刷机理入手,分析了管线一次悬空和二次悬空的原因,从模型实验和工程实践两方面开展仿生防护技术治理海底管线悬空研究,利用高分子材料仿生草叶片的柔性黏滞阻尼作用,减缓流速,降低水流的携沙能力,最终达到固沙、填沙、保护管线的目的。     

广东虎门大桥东锚碇现场结构模型试验研究

介绍了广东虎门大桥东锚碇１：５０现场结构模型试验，根据试验结果探讨了锚碇结构 岩体的变形机制和可能的破坏模式，为确定锚碇结构岩体稳定性的安全系数提供了依据。根 据试验数据和资料分析，对施工和运营期间的监测提供了具体的建议。     

非掩埋海底管线应用侧扫声呐系统检测方法研究

以胜利油田海底管线为检测对象,采用测扫声纳系统对非掩埋海底管线进行了检测。检测实验结果证明海底管线悬空高度检测与测扫声纳声波的掠射角密切相关。为了获得相对更高精度的检测结果,在检测之前需要详细了解海底底质的前提下,确定该区域较佳的掠射角范围。     

大跨度空间索桁张力结构的模型试验研究

针对一种新型的大跨度空间结构体系———环形平面葵花型空间索桁张力结构,在理论研究基础上,设计了外径5m、内部椭圆开口3.8m×3.2m,由12组空间索桁基本分析单元构成的结构模型并进行了试验研究。测试了多种预应力水平、多种荷载工况、多级加载等条件下结构的静力性能及其多阶模态频率与振型,并与理论计算结果进行了比较。试验结果表明,在一定的预应力形成结构刚度后,体系的自平衡内力分布可通过理论找力计算获得;在对称荷载作用下,结构具有良好的承载能力与稳定性,其静力反应基本呈线性;结构抵抗不均匀荷载的能力较强,构件内力趋于整体均匀重分布;其低阶模态以竖向振动为主,结构具有良好的侧向水平刚度。     

岩锚吊车梁承载机理模型试验研究

水电站地下厂房岩锚吊车梁是一种先进的结构形式,已在我国水电工程建设中发挥了重要作用,并且还将会发挥越来越重要的作用.通过对现有岩锚吊车梁设计方法分析,指出其存在问题,并结合某大型水电站地下厂房岩锚吊车梁仿真材料模型试验研究成果,分析了设计和施工中值得注意的地方.     

铁路客运专线新型隧道衬砌结构的模型试验研究

铁路客运专线的列车运行速度高,对隧道衬砌的要求与以往的铁路隧道有所不同,因此我们提出一种更适合于铁路客运专线的衬砌结构。通过对室内隧道衬砌的模型试验进行研究,充分证明了此种新型衬砌结构的合理性和先进性。     

模板支撑结构体系的模型试验研究

为了寻求最优化的混凝土模板支撑体系结构,介绍运用概念设计的原则指导结构选型,通过模型加载试验模拟某梁板结构混凝土浇筑的过程,对7种结构方案进行承载力、变形、稳定性的对比分析。试验结果表明,经过优化设计后的模板支撑结构承载力和稳定性大大提高。在实际工程应用中,模型试验研究为模板支撑体系结构优化选型和开发创新提供了参考。     

海底滑坡对管线冲击力的数值分析

输送原油和天然气的海底管线常处于复杂的海洋地质环境,在海底滑坡的冲击下可能发生失稳破坏。以往研究成果多集中讨论海底滑坡对悬跨管线的冲击力,但对置于海床表面的管线受不同角度海底滑坡的冲击作用讨论较少,也未深入讨论悬跨高度对管线受海底滑坡冲击力的影响。基于Herschel–Bulkley模型,采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面管线的作用力,对比已有模型试验成果提出了管线纵向和轴向阻力系数的计算公式。按照土力学方法对CFD数值计算结果重新整理,指出土力学和流体力学方法在计算管线受海底滑坡冲击力方面的实质对应关系,并给出管线破坏包络线的解析表达式。随后讨论了悬跨高度对管线受力的影响,最后提出了综合考虑冲击角度和悬跨高度影响的海底滑坡对管线作用力的计算公式。研究成果对海底路由选址和海底管线设计具有一定的应用价值。     

海底隧道涌水量模型试验研究

通过分析目前对海底隧道涌水量预测中使用的经验解析法和数值模拟法的局限性,采用模型试验的方法,基于相似理论,结合青岛胶州湾海底隧道水文地质和工程地质情况,以其右线的一个断面为模型,根据围岩渗透系数、黏聚力以及摩擦角配置了相似材料,并制作了海底隧道模型架和涌水量测量装置,同时在开挖过程中对位移、应力和渗压进行了监测。监测数据表明,本模型试验能较好的模拟海底隧道的实际开挖情况,试验所得涌水量与现场实测数据结果非常接近。通过解析解、数值解及试验观测值的对比表明,本试验在海底隧道涌水量预测方面具有较好的实用性,对指导防排水设计及施工实践有一定的参考价值。     

海底隧道围岩抗力系数计算方法研究

针对厦门海底隧道地质条件复杂多变的特点,利用有限环模型结合多种本构关系提出了7种围岩抗力系数K的计算方法,并且通过计算给出了合理的围岩抗力系数取值范围,同时对各计算模型在实际工程中的运用条件作了评价。研究结果表明:采用多种方法、综合考虑多种因素可以减少仅仅通过查阅规范和依靠设计者经验来确定围岩抗力系数的主观误差。     

气液复合加载的岩爆模型试验研究

 针对现有岩爆模型试验设备及方法存在的不足,采用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置,进行不同应力梯度下的大尺寸岩爆模型试验。通过对试件宏观破坏现象、内部变形规律及声发射特征参数的分析,研究岩爆发生、发展过程及破坏机制。结果表明：岩爆的发生与荷载梯度、能量的集聚程度和破坏时能量的释放速率密切相关,模型荷载梯度差值不一导致局部应力集中程度不同,影响试件破坏前期能量的耗散与集聚及岩爆时刻能量的释放速率,竖向破坏荷载梯度差值越大,局部应力集中程度越高,能量释放速率越快,转化为动能的能量越多,岩爆现象越易发生。模型试件破坏时,顶部竖向最大荷载值 处于与单轴抗压强度 比值为0.5～0.7范围,梯度荷载条件下,动静组合加载是试件破坏荷载降低的主要原因,其试验方法符合工程岩体的实际受荷。     

典型顺层高边坡工程病害的地质力学模型试验研究

以万梁高速公路某顺层高边坡病害治理工程为背景,采用地质力学模型试验方法,完成了顺层高边坡有无支挡模型的对比试验。给出了顺层高边坡工程病害的相似物理模拟方法,采用均匀毛细浸润技术模拟雨水对模型滑带材料的影响,得到了开挖、降雨以及支挡工况下顺层高边坡工程病害的发展形态以及抗滑支挡结构的受力特点。结果表明,在无支挡条件下坡体具有牵引式加速下滑的运动特点,且坡面质点的运动速率比滑带质点大,抗滑支挡结构的施加不仅限制了坡体位移,而且使坡体呈现出了推动式的运动特点;工后降雨会引起锚索预应力的较大损失,对锚索抗滑桩中锚索而言,约为设计值的10%;对于框架锚索而言,多次降雨会直接影响到结构的长期可靠性。     

低温环境下南海海底泥流的流变试验及模型

海底泥流是海底斜坡失稳后演化的流态化滑坡体,常对海洋工程设施造成严重破坏,而目前针对这种泥流的流变特性研究较少,特别是考虑海底低温环境。基于南海北部陆坡软黏土原状样制备泥流,采用RST流变仪开展具有不同温度与含水率的泥流流变试验,引入Herschel-Bulkley模型对流变参数进行深入探讨,建立考虑低温效应与含水率变化的海底泥流综合流变模型。进一步,通过相态转化、布朗运动与粒际作用的理论,解释并分析了海底泥流的流变特征及其变化机理。研究表明:与常温条件相比,低温环境下泥流的剪应力与表观黏度显著提高,且随着剪切速率的增加差距变大,平均变化量可超过35%。这一成果可为海底泥流运动过程数值模拟与海底滑坡灾害预测提供科学依据。     

浅埋软岩隧道式锚碇稳定性原位模型试验研究

为了研究高拉拔荷载作用下浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇的稳定性(强度特性、变形规律及长期稳定性),以某在建的长江大桥隧道式锚碇工程为依托,开展了缩尺比例为1∶10的浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇原位模型试验(蠕变试验、极限破坏试验)。研究发现:浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇具有较高的承载能力,在设计荷载甚至在高于设计荷载几倍的荷载作用的情况下,其蠕变变形呈现出基本上趋于稳定的趋势,具有一定的长期稳定性。其破坏模式为锚塞体上方的岩体破裂成块体状,锚塞体下方沿与岩体接触面产生整体错动,破坏的下边界为锚塞体与岩体的接触带,锚塞体混凝土未发生破坏。此外,还探讨了在高拉拔荷载作用下,锚塞体地表围岩蠕变变形的空间分布规律以及锚塞体地表围岩、深部围岩各部位的变形规律。研究成果可为类似的工程提供参考和借鉴。     

岩石变形光栅检测的表面粘贴法及应变传递分析

研究了岩石变形过程光纤光栅传感检测的关键技术及理论,提出了单轴压缩实验中的表面粘贴法。建立了表面粘贴法的应变传递模型,推导并求得了应变传递系数,以此为理论基础进行了MTS的对比实验,测试方向分别沿试件的轴向及环向。结果表明,经应变传递系数换算后,光纤光栅轴向应变与MTS测试结果相一致,相对误差率仅为2.8%;环向测试优于MTS的环向应变计,两种方法的测试结果均优于同位置粘贴的应变片。验证了应变传递模型的正确性,并表明光纤光栅表面粘贴法可以用于岩石的单轴压缩实验中,且与传统测试方法相比具有无可比拟的优越性。这对于提高岩石变形检测水平,实现工程实践中长期有效的在线监测具有重要意义。