吸力贯入式板锚转动上拔过程的数值模拟研究

吸力贯入式板锚(SEPLA)是一种系泊深海浮式结构的新型基础,在转动上拔的过程中其埋深和承载力会不断减小。采用包络面塑性极限分析方法,对吸力贯入式板锚在其转动上拔的过程中的埋深损失和承载力进行了模拟分析,并考虑锚链、土和板锚的相互作用。研究了切向偏心、锚链泥线夹角等参数对埋深损失、板锚转角、承载力的影响,并与离心机模型试验数据验证。研究结果表明,随着锚眼切向偏心的增大,板锚埋深损失逐渐减小,甚至出现埋深增大的现象,但相应的承载力显著降低。当偏心比ep/en0.1时,板锚的承载力基本不变;当ep/en0.1后,板锚的承载力随ep/en增大而减小。泥线处锚链倾角越小时,板锚的转动角度越小,获得的承载力效果越好。     

吸力贯入式平板锚旋转特性的离散元数值模拟

采用离散元方法对吸力贯入式平板锚的旋转过程进行了数值模拟。通过对比离心机的试验结果,验证了颗粒离散元模拟的有效性,阐明了锚体旋转特性,分析了锚体旋转过程中锚与土相互作用机理及土体应力场分布情况。研究结果表明:离散元数值模拟结果较大变形有限元更接近于离心机试验结果;吸力贯入式平板锚在旋转过程中的埋深丢失与偏心比e/B的值密切相关,当e/B=1时,旋转过程埋深丢失可以忽略,当e/B较小时,埋深丢失较大;旋转过程中锚的水平位移远小于其竖向位移;锚体在旋转过程中可能与其下方土体发生分离。     

考虑砂土渗透性变化的吸力锚沉贯及土塞特性研究

吸力锚负压沉贯过程中锚内部常常产生土塞现象,这将阻碍锚体的进一步沉贯,影响吸力锚在海床土体中的安装深度,最终导致吸力锚承载力的降低,本研究通过1g条件下室内模型试验研究土塞的形成机理。通过试验模拟吸力锚水下砂土中吸力沉贯过程,借助高分辨率相机记录锚体整个沉贯过程,同时利用微型孔压传感器测量锚内外负压值随沉贯深度变化情况。试验过程中发现吸力锚内部土柱在向上渗流作用下发生细颗粒迁移现象,且随着沉贯深度的增大,土塞隆起的高度逐渐增加。提出土塞的形成是由于吸力锚内部土体膨胀引起的,进而引起渗透系数的增加。本研究分析了渗透系数在锚体沉贯过程中的变化情况,并对Houlsby和Byrne提出的吸力锚砂土中沉贯吸力计算模型进行了改进,从而获得更加准确的沉贯吸力随沉贯深度变化关系理论计算方法,为吸力锚的工程设计和施工提供理论依据。     

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。     

一种可发生旋转的吸力贯入式锚泊基础

埋入式吸力锚是利用桶形基础进行贯入海床的一种锚泊基础,其抗拔承载力主要由桶壁与土体的摩擦及兜住海床土体的自重产生,传统埋入式吸力锚沿锚链方向能兜住的海床土体的面积较小,故其承载力相对较小。提出一种吸力贯入旋转式锚泊基础,通过张拉锚链使左半壳体与右半壳体发生相对旋转,能兜住较大面积的海床土体,从而具有较大的抗拔承载力。     

下卧倾斜地层的双层地基不排水承载力分析

经典的地基承载力理论不能直接应用于下卧倾斜地层的双层地基承载力分析,利用有限差分法建立下卧倾斜地层的地基承载力数值模型,分析了下卧层埋深比和倾角、上下土层的不排水强度以及基底摩擦条件对地基承载力的影响,获得了下卧倾斜地层的双层地基不排水承载力系数曲线。研究表明：当上层土的不排水强度小于下层土时,地基承载力系数大于经典理论值(5.14),并随着埋深比的增大而减小,且趋于5.14,随着下卧层倾角的增大而增大;当上层土的不排水强度大于下层土时,地基承载力系数小于经典理论值5.14,随着埋深比的增大而增大,且趋于5.14,随着下卧层倾角的增大而减小。     

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。     

不同贯入倾角下TJ-1模拟月壤静力触探模型箱试验研究

为了研究月壤的工程力学特性，采用静力触探模型箱进行了0°，15°和30°三种不同贯入倾角下的TJ-1模拟月壤静力触探试验。试验结果表明：静力触探试验终止探头退出土体后，地表产生不同的变形模式，贯入倾角愈大地表变形范围愈大，垂直贯入表层模拟月壤形成以贯入点为对称中心的圆柱形孔洞，倾斜贯入情况下表层模拟月壤形成一个椭圆形的陷落坑；不同贯入倾角下贯入阻力都随贯入深度的增加而增大，同一垂直贯入深度处贯入阻力随贯入倾角的增大而线性增加，可用公式表示；垂直静力触探试验贯入阻力随深度的变化趋势可以采用公式估算；不同贯入倾角下探头周围的水平土压力均随贯入深度的增加先增大再减小，同一深度处贯入方向前侧土体水平土压力峰值随贯入倾角的增大而线性增加，后侧土体水平土压力随贯入倾角增大而线性减小，二者的变化规律均可用公式表示；600 mm深度处的垂直土压力终值随贯入倾角的增大而线性减小，可用公式表示。     

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。     

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。     

砂土中锚板上拔三维物质点法模拟研究

土体中锚板的上拔过程存在复杂的锚土相互作用,掌握其变形及破坏机制对于确定锚板的极限承载力和优化设计具有重要的意义.采用三维物质点法(MPM)模拟了砂土中圆形锚板的上拔过程,探究了不同埋深条件下土体的位移场分布及锚板的上拔破坏机制,并结合极限平衡法研究了砂土密实度、锚板尺寸和埋深等因素对其极限承载力的影响.结果 表明,临...     

Experimental study on uplift behavior of shallow anchor plates in geogrid-reinforced soil

Geogrid reinforcement can significantly improve the uplift bearing capacity of anchor plates. However, the failure mechanism of anchor plates in reinforced soil and the contribution of geogrids need further investigation. This paper presents an experimental study on the anchor uplift behavior in geogrid-reinforced soil using particle image velocimetry (PIV) and the high-resolution optical frequency domain reflectometry (OFDR). A series of model tests were performed to identify the relationship between the failure mechanism and various factors, such as anchor embedment ratio, number of geogrid layers, and their location. The test results indicate that soil deformation and the uplift resistance of anchor plates are substantially influenced by anchor embedment ratio and location of geogrids, whereas the number of geogrid layers has limited influence. In reinforced soil, increasing the embedment ratio greatly improves the ultimate bearing capacities of anchor plates and affects the interlock between the soil and geogrids. As the embedment depth increases, the failure surfaces gradually change from a vertical slip surface to a bulb-shaped surface that is limited within the soil. The strain monitoring data shows that the deformations of geogrids are symmetrical, and the peak strains of geogrids can characterize the reinforcing effects.     

Prediction of the whole mooring chain reaction to cyclic motion of a fairlead

Floating offshore wind turbines (FOWTs) are generally positioned by mooring systems including embedded anchoring foundations and mooring lines. The mooring line consists of three portions: the embedded portion, the lying portion and the suspended portion. Previous studies ignore the embedded and lying portion, and assume the lower end of the suspended chain is fixed at the touchdown point on the seabed. However, the effect of the chain–seabed interaction plays a more important role, especially in the dynamic response of the mooring chain. This article proposes a numerical model for the dynamic response of the mooring chain, considering the dynamic interaction between the mooring chain and the clay and sand sediment. Firstly, the configuration and tension of the mooring chain under monotonic motion of the fairlead are verified against the static model and then the response of the chain under cyclic horizontal drift and vertical heave of the floating facility is investigated. It was found that the chain gradually digs into the deeper soil and become straightened within a few cycles. The dig-in effect leads to the cyclic degradation of the mooring chain tensions and uplift angle at the padeye. The development in the configuration, tension, and angle of the mooring chain under horizontal and vertical motion in clay and sand sediments are compared in this study in order to give practical advice. The effects of embedment depth and soil shear strength are also evaluated.

     

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。     

砂土中锚板抗拔承载力研究

首先回顾了砂土中锚板抗拔承载力理论与公式,然后进行密实度不同的砂土中的模型锚板上拔试验,结合以往的研究成果,阐明了砂土密实度、锚板埋深率、锚板的几何形状和上拔倾斜角度对锚板承载能力的影响,并对锚板极限承载力的计算公式进行了评价。按照从条形锚板到矩形锚板、从竖直锚板到倾斜锚板的思路,引入形状系数和倾斜系数,提出了方便工程应用的砂土中浅埋锚板统一抗拔极限承载力计算公式,并对模型试验的尺寸效应和计算公式与现场实测的比较作了说明。     

弯剪受力下群锚有限元分析

采用型钢—混凝土后锚固连接方式,对弯剪受力下粘结型锚栓群的受力性能进行了试验研究和有限元分析。结果表明,该类连接的破坏形态为锚栓钢材破坏,仅锚栓周围混凝土发生锥体破坏,锚栓内力以拉应力为主。锚固承载力随着埋深的增加而提高,加载端至基材表面的水平距离较大时,弯矩起控制作用,承载力较小;水平距离较小时,则表现为弯剪共同作用,承载力较大。     

Seismic uplift capacity of shallow horizontal strip anchor under oblique load using pseudo-dynamic approach

In this paper, an analytical method to compute the uplift capacity of an obliquely loaded horizontal strip anchor under both static and seismic conditions is described using the limit equilibrium method. The distribution of the soil reactions on a simple planar failure surface is obtained through the use of Kötter's equation, and the pseudo-dynamic approach is used to obtain the net seismic vertical uplift capacity factor for the unit weight component of the soil (F_γd). The results for the static and seismic vertical uplift capacity factors are determined for various combinations of input parameters, such as the load inclination, the soil friction angle, the embedment ratio, the soil amplification and both horizontal and vertical pseudo-dynamic seismic accelerations. It is observed that the orientation of the load significantly affects the seismic uplift capacity of the horizontal strip anchor. F_γd is seen to decrease with an increase in both horizontal and vertical seismic accelerations and soil amplification, whereas it is seen to increase with an increase in the embedment ratio and the soil friction angle, as expected. The results in terms of the non-dimensional net seismic uplift capacity factor are presented in graphical and tabular forms. The present results are compared and found to be in good agreement with similar results available in literature.     

张力腿基础刚度对大跨浮式悬索桥风-浪动力响应的影响

采用张力腿基础的大跨度浮式桥梁是一种新型跨海桥梁体系,由于张力腿结构横向刚度弱,风-浪作用下结构响应受基础设计的影响大。该文构建了浮式桥梁风-浪荷载计算及结构运动响应有限元分析方法,以某采用张力腿基础的浮式悬索桥为对象,分析了张力腿基础淹没深度、张力腿拉索倾角等设计参数对张力腿基础横、竖向刚度以及风-浪作用下浮桥动力响应的影响。结果表明,风荷载对浮桥主梁的动力响应起主导性作用;通过增加张力腿基础的淹没深度增大结构的竖向刚度,能直接有效地减少大跨浮桥的动力响应;调整张力腿拉索倾角为75°～80°时可以有效降低结构的横、竖向运动响应,过小的倾角虽然可以提供较大的横向刚度,但会增大主梁的运动响应。因此,张力腿基础刚度是大跨浮式桥梁结构动力响应的控制性因素,应对基础设计参数开展重点研究。