充气式橡胶坝的模型试验及有限差分研究

橡胶坝的挡水性能优越,兼具实用性与景观性,被广泛用在城市河流挡水闸坝和溢流坝等领域。充气式橡胶坝相比充水橡胶坝,安装和拆卸更为方便,但目前充气式橡胶坝采用查表法进行粗略设计,过程复杂且存在误差。鉴于此,设计大比尺模型试验测试充气式橡胶坝在充气、挡水条件下的坝袋截面形状和袋体张拉力分布特点。基于有限差分软件建立充气式橡胶坝的力学模型,通过大比尺模型试验和现行设计规范验证了该模型的准确性。分析充气式橡胶坝在挡水过程中横截面几何形状及尺寸、张拉力与上游水位及内部气压之间的关系。结果表明:坝袋宽度B、接地宽度b随上游水位增大呈非线性增加;坝袋高度H、横截面面积A随上游水位增大呈非线性减小。设计工况下,坝袋高度H、横截面面积A随气压增加呈非线性增大,坝袋宽度B、接地宽度b随气压增大呈非线性减小;坝袋张拉力与气压呈正比关系。基于Chapman-Richard曲线模型对设计工况下的几何尺寸、张拉力与内部气压间的关系进行拟合,提出橡胶坝简化设计计算公式,可用于充气式橡胶坝的设计计算。

基于内聚力模型的嵌岩双斜桩水平承载特性分析

基于已有的对桩-岩界面剪切特性的研究,建立了界面几何参数和材料特性与内聚力模型参数间的转换关系,与现场试验和理论研究对比,验证了接触模型的准确性;结合室内嵌岩双斜桩模型试验,建立了对应有限元数值计算模型,对比分析了桩基荷载-位移曲线与弯矩规律,验证了模型的可靠性;进而建立不同倾角的足尺嵌岩双斜桩模型,分析在不同竖向定荷载下的水平承载特性。研究表明:嵌岩双斜桩系统是多因素协同作用的承载系统,对受多向组合荷载的嵌岩双斜桩而言,存在一最优竖向设计荷载,使得嵌岩双斜桩的水平承载力大大提高,但过大的竖向荷载和过小的倾角反而提高桩承台失稳的风险。

渗流条件下滨海地层人工冻结多场耦合理论模型

采用Navier-Stokes方程考虑流体动量守恒对渗流过程的影响,建立了考虑渗流对滨海砂土地层人工冻结过程影响的水-盐-热-力学理论模型。理论模型的计算结果与试验吻合良好,验证了所提模型的准确性。通过参数分析,探讨了渗流速度对冰、盐空间分布的影响。研究发现,渗流削弱了冻结效果,随着渗流速度从0 m/d增加到10 m/d,冻结管左右两侧的土体位移降低了23.1%;冻结管左右两侧的结冰范围缩减了37.8%;冻结管左右两侧的盐分的析出范围缩减了42.7%;砂层上游的吸附盐突变位置向下游移动了52%,下游的吸附盐突变位置向下游移动了32%。

人工冻土冻结过程中热–力耦合的数值模拟方法研究

随着地下工程的发展,人工冻结法已成为地下工程建设中常用的技术。关于人工冻土在冻结过程中温度场的发展规律以及冻结过程中因为冻胀产生的对周边环境的影响有待于进一步深入的研究。通过室内试验得出了热物理参数随温度场的变化规律,结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程,提出并建立了人工冻结过程中考虑热物理参数随温度变化的热–力耦合的数值计算方法,利用该方法计算分析了人工冻结过程中土体的温度场和位移场的发展规律,通过与实测数据对比,证明了该方法的可行性,成果可以指导人工冻土工程的设计与施工。

砂土中的拖锚模型试验及锚抓力计算方法研究

霍尔锚是大中型船舶常用的主锚。设计了4个比尺的模型锚,砂土中进行了拖锚试验,研究了锚的姿态、运动轨迹和锚抓力的变化规律,确定了锚在砂土中的抓力系数。基于土体的极限平衡理论,建立了拖动过程中锚抓力的计算方法,计算结果与试验较为吻合。对锚在拖动过程中的抓力系数与砂土强度参数之间的关系,给出了拟合公式,可供设计参考。

基于有限差分方法的橡胶坝挡水性能分析及简化设计

橡胶坝常用于低水头、大跨度的闸坝工程,如防洪、储水、发电、供水、挡潮及城市园林美化等工程,不仅起到闸门、滚水坝和活动坝等作用,而且具有瀑布景观效果.本文建立了橡胶坝有限差分计算模型,系统分析了充水压力、上游水位及坝袋几何尺寸等参数对橡胶坝断面形状的影响.开展了室内模型试验,验证了计算模型的准确性.讨论了上游挡水水位与坝袋高度、断面面积、宽度、接地宽度和顶部位置等参数间的关系.研究发现,坝高H/L和横断面面积A/L^(2)随上游水位Hr/L的增大呈非线性减小趋势,而坝宽B/L、接触宽度b/L和坝顶距锚固点水平距离D/L随上游水位H_(r)/L的增大而非线性增大.基于Chapman-Richard曲线模型对本文得到的橡胶坝几何形状尺寸进行拟合,提出了简化的橡胶坝设计计算公式,可为实际工程设计评估提供参考.

基于CEL方法对拖锚过程的数值分析

船锚的正常工作关系到船舶的安全运营,锚在底质中运动规律的研究一直吸引着众多学者,由于锚在土中的拖动过程中时刻发生着土的大变形和破坏,涉及到材料非线性、几何非线性及接触非线性等诸多力学问题,通过解析的研究手段很难准确地分析拖锚过程。笔者采用霍尔锚进行了物理模型试验,通过模型试验测试了拖锚过程运动特性和锚的姿态变化,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法(CEL)建立了拖锚过程的计算分析模型,对模型试验进行模拟。通过计算得到了拖锚过程中锚的姿态随拖锚距离的变化,给出了锚的入土深度随水平位移的关系,计算结果与试验结果较吻合,验证了该分析方法在分析拖锚问题上的合理性。该方法可用于拖锚过程的研究和相关设计。

顶管施工对高架桥桩基础影响的数值分析

顶管施工广泛应用于市政工程的隧道开挖作业。针对某地下电缆隧道穿越高架桥桩基的实际工程案例,利用数值模拟方法建立有限元计算模型,研究了沉井和顶管施工对附近土体的扰动以及高架桥桩基的变形、受力等情况。结果表明,沉井和顶管施工会对周围桩基础的应力和变形产生一定影响。在外径12.8 m的沉井施工时,施工引起的土体卸载会使得沉井周围土体产生较大的隆起,最大回弹量为164 mm左右,三个方向(水平x方向、y方向和竖向z方向)的最大变形均出现在沉井上部土体周围,距沉井30 m处的高架桥桩基桩体在x方向(指向沉井方向)上受施工影响较大,桩体顶部产生背离沉井的水平位移,下部逐渐过渡到趋近沉井的水平位移,x方向最大位移量约为1.6 mm,对y方向(垂直于顶管方向)的水平位移影响较小。外径3.6 m的顶管施工过程会使土体在卸载后会出现变形,最大变形出现在顶管底部的扰动土体,变形量为170 mm。在x方向上,四个桩基均表现为桩顶部远离沉井、桩底靠近沉井。在y方向上,桩身的最大水平位移出现在隧道开挖深度处,方向为远离顶管,影响范围为顶管隧道施工处上下15 m。

基于有限差分方法的双腔橡胶坝设计计算

橡胶坝是一种应用广泛的挡水建筑物.针对传统橡胶坝的挡水水位有限、对坝袋材料要求较高且坝袋易振动磨损等不足,提出了采用平行并排锚固方式的双腔橡胶坝结构.基于有限差分方法建立了双腔橡胶坝的二维结构-流体数值计算模型,利用已有理论和试验结果验证了该模型的准确性.系统分析了双腔橡胶坝的受力变形规律,得到双腔橡胶坝截面形状及张拉力变化特点.结果表明:上游水位增加,上游坝袋坝高先增加后降低,坝宽先降低后增加,下游坝袋坝高持续降低,坝宽持续增加;基于节约材料和有效提高临界挡水水位,确定了上、下游坝袋锚固间距最佳值为D=0.08L1,周长的最佳比为L_(2)=0.8L1;基于最佳锚固间距和周长比得到了不同压力水头下双腔橡胶坝变形规律及张拉力分布规律.本研究成果有望为新型双腔橡胶坝的设计计算和工程应用提供理论依据.

基于耦合欧拉-拉格朗日法充灌袋挤淤过程的有限元研究

在含水率大、承载能力低的软土地基上,利用充灌砂袋进行挤淤置换的方法工艺简单、施工方便、处理效果明显,已经广泛地应用在建造围埝和修筑道路中。充灌袋下沉到一定深度后,其重量与地基承载力相等,从而达到极限平衡状态。充灌袋挤淤所达到的深度与其高度存在一定的对应关系,在工程中确定此关系十分重要。通过3组不同宽度的挤淤模型试验,得到充灌袋下沉量与充灌袋高度的曲线关系、淤泥的位移特性及隆起量。利用ABAQUS中耦合欧拉-拉格朗日法(CEL法),将充灌袋和淤泥分别用拉格朗日体和欧拉体描述,模拟充灌袋挤淤下沉的过程,将模拟得到的充灌袋下沉深度和高度的关系、淤泥的位移特点与试验结果以及理论公式进行对比。结果表明,CEL法模拟得到的结果与试验结果、理论解具有很好的吻合性,说明利用CEL法可以较好地模拟充灌袋的挤淤问题。

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。

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。

浅层地基上管道轴向运动的阻力研究

铺设于深海浅层地基上的海底管道在运行期间受高温高压等的作用易产生轴向膨胀和收缩,间歇性的往复剪切管道周围浅层地基土,对这种管道轴向运动过程中管-土相互作用机制需深入研究。基于修正剑桥模型建立了浅埋式管道在运行期间的轴向运动过程的小变形有限元分析(SSFE),采用有效应力指标,得到了不同初始埋深的管道在轴向运动过程中地基土在临界塑性剪切固结阶段的轴向阻力随时间发展规律(S形管-土轴向阻力发展曲线),探究了不同剪切速度下剪切带内地基土的超孔隙水压力、管-土界面摩擦系数、反映管-土接触面形状的楔形变形因子ζ以及管-土之间轴向阻力等的发展变化规律,研究发现轴向剪切产生的超孔压是速度和时间的函数,随着轴向运动速度减小,峰值超孔压的值减小且出现峰值超孔压的时间推迟。管道轴向运动过程中地基土由不排水条件向排水条件过渡的内在机制做出了较完整的阐述。

海管碎石保护结构抵抗拖锚危害的模型试验研究

船舶走锚时可能对海底管线造成破坏,实际工程中常用碎石保护结构来对海底管道进行保护。为了研究这种结构的保护效果和保护机理,在大型试验槽中对三种尺寸模型锚进行了模型试验。在试验中测量了锚爪尖端位置和锚爪力在保护结构中的变化,得到锚体从细砂进入保护结构时的运动过程和运动规律,据此研究了碎石保护结构对海底管线的保护效果并分析了保护机理。

水下套管强夯碎石桩夯锤动力响应试验研究

设计了水下套管强夯碎石桩模型试验,研究了夯锤形状、夯击能、单次填料量、土体强度等因素对水下套管强夯碎石桩成桩过程和成桩质量的影响,分析了夯击的夯锤加速度峰值、夯沉量、桩体密度的变化规律。试验结果表明:新型锥形夯锤夯击时的反力加速度与传统平底夯锤相比峰值接近但时程减小,随夯击作用时间表现为先震荡增大再迅速减小的发展特征。建立了夯锤夯击时的归一化最大冲击力关于夯击次数、夯击能、土体强度、单次填料质量等参数的拟合公式,可用于预测不同地基强度中夯击成桩的最大冲击力。

黏土中隔舱吸力式钢圆筒安装及水平受荷试验研究

近年来大直径钢圆筒结构在离岸人工岛工程中得到应用,如港珠澳大桥人工岛即采用振动下沉的方式安装钢圆筒,该方法对施工条件、装备以及施工控制技术要求较高。提出一种新型隔舱吸力式钢圆筒结构,在钢圆筒内部设置隔舱板,将结构分为上下两个隔舱,通过对下舱抽气实现隔舱吸力式钢圆筒在负压作用下的下沉安装。设计了隔舱吸力式钢圆筒安装及水平承载力模型试验,对比了负压贯入的隔舱吸力式钢圆筒和压力贯入的传统钢圆筒结构的贯入阻力及承载特性,分析了改变隔舱吸力式钢圆筒上下舱高度比L1/L2对其沉贯过程及承载特性的影响。结果表明,采用负压吸力沉贯的隔舱吸力式钢圆筒相比于采用压力贯入的传统钢圆筒结构的贯入阻力减小,水平极限承载力提高。在极限水平荷载作用下,随着隔舱吸力式钢圆筒的L1/L2从2.28减小到1.00、0.56,转动中心位置上移,水平极限承载力及弯矩承载力得到显著提高。

PTC管桩复合地基应力扩散效应研究

预应力混凝土薄壁(PTC)管桩复合地基作为常见的基础型式在软土地区具有良好的实用价值和应用前景。在实际工程中,复合地基下卧层附加应力的确定一直是重点和难点,因此对PTC管桩复合地基应力扩散效应的研究具有十分重要的意义。针对天津软土地区进行了3组不同垫层厚度的复合地基现场静载试验,基于现场试验建立并验证了数值模拟方法,对比研究了该型式复合地基的承载特性;通过已建立的数值模拟方法研究了不同工况下PTC管桩复合地基的应力扩散现象,结合复合地基应力扩散理论确定了扩散角的取值范围,分析了土质、加固深度和外荷载对扩散角的影响规律。计算结果可为工程设计提供依据。

海床中落锚问题的模型试验和大变形有限元研究

落锚在海床中的贯入问题既影响着后续的拖锚行为,又对铺设于海底的管道、电缆、隧洞等有着较大的威胁。基于耦合欧拉–拉格朗日大变形有限元方法,建立了关于落锚在黏性土海床上贯入问题的计算模型,考虑了黏土强度与重度随深度的变化,通过与模型试验结果的对比验证了模型的准确性。文章揭示了锚在贯入海床过程中锚的受力、速度及贯入深度等随贯入时间的发展规律,并利用有限元模型分析了土体强度、初始触底速度等参数对落锚贯入问题的影响。

冻融循环条件下木质素纤维改良土性质研究及微观分析

在季节性冻土区域对路基土进行改良是一种较常用的工程措施,木质素纤维是一种经济环保,且具有良好耐久性的添加材料。以木质素纤维改良土为研究对象,对经历冻融循环后不同木质素纤维掺入量的改良土样进行UU三轴试验和SEM电镜扫描试验,着重分析了冻融次数和纤维掺量对改良土力学性质的影响规律。结果显示:应力应变曲线特性与围压、冻融次数、木质素纤维掺量均有较大关系。改良土的弹性模量、强度、黏聚力等都随着冻融循环次数的增加而降低;0.75%掺量的木质素纤维改良土弹性模量、强度、黏聚力均最大,且冻融次数越多,其表现出的强度优势越大。纤维在土样内部形成了三维网架结构或是起到了"桥梁"搭接作用,减小了冻融对土体微观孔隙损伤的影响,从而增强了土体的强度。试验研究表明,木质素纤维改良土在抵抗反复冻融问题上具有明显的优势。

欠固结土中嵌岩斜桩弯矩及负摩阻力模型试验研究

嵌岩斜桩是海上风电系统、港口高桩码头等设施常用的基础结构。嵌岩斜桩在穿越深厚软土层时,土体固结沉降不可避免地影响桩身轴力和弯矩的分布,威胁桩体安全。针对穿越深厚软土层的嵌岩斜桩开展了室内模型试验研究,对5根不同倾角和直径的模型桩进行试验,通过较长时间地监测土层固结沉降下的桩体应变,分析了固结时间、倾角、桩径等因素对桩身轴力、桩身中性点位置、桩侧负摩阻力、桩身弯矩等分布规律的影响。结果表明:嵌岩斜桩的负摩阻力、轴力及弯矩的发展都具有明显的时间效应;随时间、倾角的增加,桩侧中性点轴力及桩身弯矩峰值均增加,同时中性点上移、弯矩峰值点下移,最终中性点稳定于岩层上部0.1倍土层深度,弯矩峰值点稳定于岩-土界面处。