AC-14大抓力锚在无黏性土中的拖锚运动研究

AC-14型大抓力锚在大型船只上使用广泛。设计了能进行水下测量的拖锚模型试验装置,制作了AC-14模型锚,通过对AC-14锚在干砂与水下饱和砂土中的拖锚试验,完整揭示了该锚在整个拖锚过程中的姿态调整、运动轨迹发展和锚抓力变化等,在干砂中得到的最终稳定时的锚抓力与前人研究较为接近,但在饱和砂土中虽然与干砂中的水平倾角一致,但啮土深度要大于饱和砂,而锚抓力系数则小于在干砂中的锚抓力系数。另外,还在不同粒径的碎石进行了拖锚试验,试验表明较大粒径的碎石层对拖锚姿态的影响更大,锚在其中达到稳定状态时的埋深更浅。     

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。     

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。     

碎石保护结构防护海底管线的机理及模型试验研究

近海海底管线会在港口锚地处因船舶走锚而受到损害,碎石结构能够防护管线免受走锚的危害,因此研究碎石结构的防护机理对保护管线有重要意义。采用极限平衡方法分析了走锚状态下土楔对形状复杂的商用霍尔锚的作用力,提出了锚冠和锚爪的受力计算模式,采用3种不同几何相似比的模型锚在模型槽中进行了拖锚试验。模型试验的结果与计算结果相互吻合。锚体整体受力分析的结果表明,霍尔锚在从砂土进入碎石保护层后因力矩不平衡引起锚体翻转,使锚爪尖位置上移而远离埋设的管线,从而使管线避免走锚的伤害。该机理也通过模型试验得到验证。此外,不同试验锚重的归一化结果还说明,霍尔锚锚爪在碎石中的稳定入土深度约为爪长的0.45,拖曳力为2.5倍锚重,可为碎石结构设计参考。     

砂土中锚板的抗拔机理与承载力计算模型研究

锚板上拔过程中板周土体变形破坏机理的研究对锚板极限承载力的可靠预测至关重要。通过室内模型试验,采用数字图像关联技术对锚板上拔过程中锚板周围土体的变形场进行了研究。分析结果表明：在锚板上拔过程中锚板周围土体伴随着剪胀现象,其应力水平、峰值摩擦角和剪胀角控制着破坏面的形状,进而影响着锚板的极限承载力。在此基础上,建立了锚板承载力计算模型。通过引入Bolton理论所建立的剪胀角、相对密实度和应力水平之间的关系,得到了锚板极限承载力的理论计算公式。该理论公式考虑了埋深率、剪切摩擦角、剪胀和应力水平等影响因素,可对不同密实度砂土中锚板的极限承载力进行预测。理论公式与其他学者的试验结果对比表明该理论模型计算结果与其他学者的试验结果有较好的一致性,验证了该理论模型的合理性。     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。     

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。     

小应变下土体刚度非线性分析的试验研究

精确的试验测试显示,土体在小应变下呈非线性作用,用常规的室内试验和传统的线弹性分析方法不能真实描述土的刚度变化,只能采用原位试验和非线性分析方法来确定。基于Bolton等人提出的平面应变下不排水膨胀试验的非线性分析理论,研究了剑桥自钻式旁压试验过程中土体刚度随应变的变化规律,并与线性分析结果进行了对比。试验和分析结果表明:小应变下土体刚度具有高度的非线性,随应变的增加发生衰减,但在不同应变区间衰减程度不同;土体割线模量值大于切线模量值,其差值随应变的增加逐渐减小;传统的线性分析低估了土体弹性作用范围和强度,而采用非线性分析能确定不同应变下土的刚度参数,真实反映土的非线性作用特点。     

公路高填方涵洞土压力变化规律及计算方法研究

通过模型试验研究了狭窄沟谷沟心设涵、宽坦地形沟谷沟心设涵和岸坡脚设涵三种边界条件下高填方涵洞涵顶土压力随填土高度变化的规律,以及高填方涵洞的拱效应。试验结果表明,涵顶填土达到一定高度以后,在涵顶上方将产生拱效应,使涵洞顶上的土压力小于理论土压力。但由于高填方涵洞上方路基填料的特点,这种拱效应具有不稳定性,使涵顶土压力随填土高度成非线性变化增加。根据高填方涵洞的土压力变化规律及拱效应特点,提出了计算高填方涵洞非线性土压力计算理论和方法,得出三种边界条件下的非线性土压力计算公式,并通过算例证明了应用该公式计算高填方涵洞土压力的合理性。成果对高填方涵洞土压力计算、结构设计有应用参考价值。     

柔性锚胫法向承力锚安装轨迹和承载性能分析

针对具有柔性锚胫的Stevmanta法向承力锚的安装轨迹和承载性能进行研究。首先,通过机构分析提出了由拖曳力与锚板之间夹角确定锚胫形态的方法,然后将该方法引入塑性方法建立了可以考虑锚胫形态变化的数值计算方法。基于该数值方法,计算了法向承力锚在拖曳安装与系泊调节过程中的运动轨迹和承载力,研究其性能特点,并讨论了锚胫几何参数对锚性能的影响。研究发现:在拖曳嵌入的初始阶段,锚胫的形态改变能够使锚板发生显著旋转从而获得良好的下潜姿态;在拖曳嵌入与系泊调节过程中,锚胫最终都会达到稳定状态,形态不再发生变化;锚胫几何参数的变化对锚的运动轨迹、承载性能均有明显影响,实际工程中应权衡各方面性能进行合理取值。     

Experimental and numerical study on reinforcement effect of plate anchors or flip anchors on model slopes

Flip anchors are a kind of ground anchor that rotate and open in the ground to attain pull-out resistance without the use of grout. Compared to ordinary grouted ground anchors, flip anchors can be driven into the existing ground quickly and are suitable for the emergency reinforcement of slopes. However, little research has been done on the slope reinforcement effect of flip anchors. In this paper, experiments on a model slope reinforced by plate anchors or flip anchors were conducted. During the experiments, vertical loading with a rigid loading plate was applied to the shoulder of the model slope to investigate its stability. Experiments were firstly conducted with and without model plate anchors under a plane strain condition. Then, experiments were conducted using actual flip anchors under a three-dimensional condition. In these experiments, the depth of the anchor plates, h, and the installation state of the anchor heads of the flip anchors (open or closed anchor head condition) were varied. After the experiments, corresponding numerical simulations (FEM) were conducted, and a subloading t_ij model was applied to describe the soil behaviour. The numerical method used in this research successfully reproduced the reinforcing effect of the flip anchors. According to the test and calculated results, compared with the cases without reinforcement and with plate anchors, the effectiveness of the flip anchors for slope stability was verified. Moreover, the flip anchors installed under the closed anchor head condition required a larger displacement to produce a reinforcing effect than the anchors installed under the open anchor head condition.     

密砂中圆形锚上拔承载力尺寸效应分析

通过模型试验和有限单元法分析了密砂中圆形锚板上拔承载力的尺寸效应问题。分别对直径为20,50,400 mm的锚板在埋深比为2～6时进行拉拔试验,获得上拔力和位移关系曲线及极限上拔力。基于不同埋深比时板径与上拔承载力系数关系曲线,可发现:相同埋深比时,随着锚板直径增加,上拔承载力系数逐渐减小;且随着埋深比增加,此现象愈明显。考虑密砂强度随应变发展而出现的软化现象,对理想弹塑性Mohr-Coulomb模型进行改进,基于改进的模型对上述12个拉拔试验进行有限元数值模拟,同时与理想弹塑性模型模拟结果进行比较。结果表明:理想弹塑性模型严重高估锚板上拔承载力,而考虑土体软化的模型能够模拟锚板上拔过程中破坏面上土体强度逐渐发挥的过程,计算得到的极限承载力与试验结果吻合较好。尺寸效应产生的原因一方面由于应力水平对土体强度的影响,另一方面由渐进破坏引起;埋深比越大,随着锚板直径增加,周围土体依次进入破坏的过程愈加明显。     

纤维复合材料自锁式锚具设计及力学性能研究

为有效张拉和锚固环向纤维布,提出一种新型的锚固系统--自锁式锚具,该锚具由锚头、螺栓、螺母和高强纤维布组成,可以根据需要组合成单层纤维布或双层纤维布的张拉锚固装置。自锁式锚具可分为锚头固定式和锚头活动式两种,试验研究表明：锚头固定式锚具不使用黏结胶,适用于对混凝土墩柱进行快速加固,可以对环向碳纤维条带施加20%左右的预应力;锚头活动式锚具工艺简单,可以对环向碳纤维条带施加超过30%的环向预应力,更适用于实际工程。基于试验结果,给出了锚具尺寸和纤维布长度的计算方法,提出了通过扭力扳手对环向纤维布施加和控制预应力的方法,建立了扭矩与环向纤维布中预应力的换算式,并验证了该式的可靠性;分析了环向纤维布张拉过程中锚具的受力机理,理论分析和试验结果表明自锁式锚具具有良好的可靠性和实用性。     

岩石群锚杆基础界限间距与群锚效率估算方法

岩石群锚杆基础是一种材料用量少、机械化程度高、主要发挥抗拔力、应用较为广泛的抗拔基础型式。在竖向荷载作用下,岩石群锚杆基础承载过程受到岩体抗剪强度、锚杆设计施工参数、锚杆-岩体协同工作等复杂因素的影响,其抗拔破坏机理和群锚杆相互作用等问题尚未揭示,使得现行规范在确定锚杆间距、群锚杆承载力等关键设计参数时需要依靠较多原位试验。应用弹性力学和岩石锚杆竖向抗拔传力规律,建立了岩石群锚杆基础的单根锚杆间无相互影响的界限间距近似计算方法以及岩石群锚杆群锚效率估算方法,理论计算结果与试验结果比较接近,可以满足岩石群锚杆基础初步设计要求。     

单孔复合型锚杆锚固体应力分布特征研究

结合某工程深基坑边墙单孔复合型锚杆施工,选取4根锚杆作为试验锚杆,通过在锚固体范围埋设多个应变测试元件,对锚固体在不同张拉载荷条件下的应力分布状态进行了现场测试研究.根据单孔复合型锚杆的结构特点,对代表性锚固体建立有限元数值模型,并对锚固体的应力-应变特征进行了数值分析.根据现场测试和数值分析结果,对单孔复合型锚杆锚固体的应力分布规律和锚固机理进行了研究.     

单螺旋锚桩水平承载机理试验与理论研究

目前螺旋锚桩水平拉拔承载设计计算的相关规范存在不足,理论研究中对锚片表面土压力分布的认识不统一。基于自制大型试验砂箱,开展了单螺旋锚桩的水平拉拔模型试验,直接量测分析了水平拉拔过程中锚片上下表面的土压力分布变化规律。引入考虑位移影响的锚片表面土压力近似计算方法,结合桩侧阻力p-y曲线,构建了砂土中单螺旋锚桩的水平拉拔力学模型,推导了位移相关的水平承载力计算理论。试验与计算结果表明：水平拉拔过程中,锚片表面土压力分布与测点到锚片中性轴的距离呈非线性关系,计算土压力时需考虑位移的影响;所构建的单螺旋锚桩水平承载力学模型以及基于力学平衡分析推导得出的单螺旋锚桩水平拉拔位移相关承载力计算理论在对比验证中取得了较好效果;对于工程中常用的单螺旋锚桩（桩锚直径比d/D≤5）,当埋深比大于4后,可不考虑锚片的作用,按照等直径的裸桩来计算其水平承载力。     

不同埋深扩体锚杆竖向拉拔破坏模式试验研究

通过室内模型试验,研究砂土中竖直埋设的扩体锚杆在不同埋深条件下的竖向拉拔破坏模式。试验结果表明,扩体锚杆经过竖向拉拔,由于深径比的不同而存在3种破坏模式。浅埋扩体锚杆破坏体近似呈倒钟形并延伸至砂层表面,破坏模式属整体剪切破坏,在工程设计中应避免采用。深埋扩体锚杆破坏体在砂层表面以下一定深度内闭合成为"椭球形",砂层表面在扩体锚杆破坏后未产生变形,破坏模式属局部剪切破坏。因此,在工程设计中扩体锚杆应采用深埋形式。在浅埋与深埋扩体锚杆之间还存在一种过渡型锚杆,其破坏体形态兼具深埋与浅埋扩体锚杆破坏体的特征,但破坏模式趋近于浅埋锚杆,因此将其归类为浅埋锚杆破坏模式中。     

锚杆锚索联合支护数值模拟及现场应用

分析锚杆锚索联合支护作用机理.根据现场实测围岩参数,采用FLAC3D有限差分计算软件建立相应数值分析模型,模拟不同锚杆间距、不同锚索数量下的锚杆锚索联合支护效果,得出合理、经济的锚杆间距和锚索数量.并与现场试验相比较,验证了模拟的正确性.研究结果对类似巷道的支护设计有一定指导作用.