基于固废制备人造石颗粒材料耐久性试验

以玄武岩石粉、电石渣、脱硫石膏固体废弃物为原料,利用水热固化技术,制备玄武岩石粉人造石颗粒材料,探讨基于固废制备玄武岩石粉人造石颗粒材料的耐久性。通过开展耐水、耐酸和冻融循环试验,结合SEM微观表征,以质量损失率和强度损失率为评价指标,对人造石颗粒材料在不同原料钙硅比(Ca/Si)条件下的耐久性进行分析。试验结果表明:人造石颗粒材料整体耐水性能良好,增大原料Ca/Si,有利于提高人造石颗粒材料的耐水性,当Ca/Si达到1.0时,其软化系数可达0.894;酸蚀可导致人造石颗粒材料质量损失与强度损失,增大原料Ca/Si可提高人造石颗粒材料的耐酸腐蚀性能;冻融循环会使人造石颗粒材料内部会产生裂隙,从而导致其强度下降,当Ca/Si为0.9和1.0时,人造石颗粒材料强度损失率最小,仅为18.7%,其抗冻融性能相对最佳。

区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构开采浅层地热能评价综述

随着浅层地热能的大规模开发利用,针对地埋管地源热泵和能源地下结构的研究正由单个、单体尺度逐渐转向区域尺度。相较于地埋管地源热泵,能源地下结构占地面积小、成本低,在大规模城市建设及地下空间开发中具有良好的优势。从热物性参数和地下城市热岛效应两方面总结浅层地热能理论潜力现有研究成果,简述浅层地热能的开发形式,重点针对区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构的适应性评价进行系统综述,从适宜性分区、热交换潜力、满足建筑物能源需求效果三方面建立相应的区域尺度能源地下结构评价体系,以我国山东临朐县和德国巴登-符腾堡州地埋管地源热泵及我国南京大学仙林校区能量桩的区域性研究为案例进行深入分析,归纳当前研究中存在的问题,并对区域尺度能源地下结构的下一步研究进行展望。

砂土中能量桩单桩水平承载特性模型试验研究

为探究能量桩单桩水平承载特性,针对砂土中能量桩在水平荷载下的承载特性进行研究,基于模型试验,分析了水平荷载作用下能量桩在制冷和加热过程中的桩顶位移、桩前土压力以及桩身弯矩等的变化规律。研究结果表明:制冷会引起能量桩桩顶水平位移略微增大,增量为0.48%D(D为桩体直径),而加热会引起较大的桩顶水平位移,达到了2.38%D;制冷和加热在初始阶段会引起桩前土压力增大,初始增长阶段结束后,土压力变化较小,多为缓慢增长或基本不变。相较于初始土压力,制冷和加热结束时的土压力基本呈增长趋势,仅个别埋深处土压力减小。制冷过程中,埋深0%L~40%L(L为有效桩长)范围内的弯矩增大,埋深40%L~100%L位置处的弯矩变化较小;加热过程中,埋深0%L~60%L范围内的弯矩均有所增大,0%L~40%L位置处的弯矩增大最为明显。制冷和加热过程中均在20%L处产生了最大弯矩,最大弯矩的增加量分别为9.93%和10.32%。进一步基于圆孔扩张理论提出了弯矩计算的理论解,并与试验结果进行对比分析,理论计算值与实测值较为吻合。

冬季运行能量桩热力响应及系统性能监测与评价

以湖北宜昌地区25 m~2的建筑房间冬季供暖需求为应用场景,构建由能量桩、集分水器、热泵机组、循环水泵等组成的地源热泵系统,分析建筑房间实际冬季供暖需求条件下,能量桩系统持续或间歇运行对能量桩热力响应及系统性能的影响规律,并开展传统钻孔埋管地源热泵系统试验和空气源热泵系统试验进行对比分析。着重探讨实际运行条件下能量桩热力响应特性与传统TPT或TRT试验条件下获得结果之间的异同点,监测能量桩系统的供暖效果、能效比(COP)。持续运行试验对应桩顶出现最大温度降低值3.78℃及最大约束拉应力0.70 MPa(约为完全约束应力上限值的57.5%),运行桩较非运行对角桩对应承台部位产生的实测应变值差值在顶部和底部分别为19.98,17.78με。实测能量桩系统COP约为3.03,较相关空气源热泵系统提高约12.2%~21.2%(规范参考COP为2.50~2.70)。能量桩系统较常规空气源热泵系统,能提前约2.5 h到达预设温度,具有更快的启动速度。

温度应力路径对原状海洋土强度特性影响研究

室内温度和海底原位温度的差异导致传统测量所得海洋土物理力学参数存在一定差异。基于温控三轴仪,对我国南海原状海洋土进行了固结不排水剪切试验,实测了海洋土体变、强度、孔压以及模量的变化,探讨温度、温度循环、围压、超固结比等因素对原状海洋土力学性质的影响规律。试验结果表明:升温梯度增大会使正常固结海洋土热固结程度增大,其对应的排水体积和强度也增大;升温对超固结海洋土的排水体积具有增强作用,而温度降低了海洋土的强度;温度循环作用对超固结海洋土的排水体积具有增强作用,其对应的强度也增大;本文试验条件下,当OCR=1时,海洋土25℃下不排水抗剪强度测量结果比5℃下测量结果提高8.0%;当OCR=4时,海洋土25℃下不排水抗剪强度测量结果比5℃下测量结果降低1.9%;经过温度循环5℃—45℃—5℃后的抗剪强度比5℃提高了11.9%;4次或10次温度循环后分别提高了13.8%和17.8%。

基于OBE理念的海洋工程地质虚实结合实训教学探索

海洋工程地质是土木工程、地质工程等本科专业基础课,探索课程的实训与实践教学体系是新工科建设和“一流学科”建设的重要内涵之一。基于成果导向教育(OBE)理念,按照“学生为本、目标导向”的教学思路,开展“反向设计、正向实施”和“虚实结合”等教学模式改革与创新。以工程单位对该专业毕业生的需求为目标导向,重新设计海洋工程地质的课程目标与内容设置、教学形式与方法,以及多元化能力考核与评价等环节,校企合作、协同发展,提高教学质量、激发学生创新创业能力,共建海洋工程地质实践基地的新模式。

砂土中螺旋桩在斜拉荷载作用下的承载性能

为研究斜拉荷载倾斜角度和叶片埋深对螺旋桩极限承载力的影响,基于ABAQUS软件构建了砂土中螺旋桩的有限元模型,通过螺旋桩水平承载机理砂箱试验与竖向拉拔试验数据,对模型的准确性和可行性进行验证。设置4组不同叶片埋深的螺旋桩模型,分别施加不同角度的斜拉荷载,探讨了砂土地基中螺旋桩的承载性能与斜拉角度、叶片埋深的相关性。结果表明:砂土中螺旋桩的极限承载力随着斜拉角度的增大不断减小;当斜拉角度小于30°时,螺旋桩极限承载力与斜拉角度的关系曲线近似呈线性;螺旋桩极限承载力存在一个临界埋深比,当埋深比大于等于4时,承载力不随埋深比的增大而变化。推导了深埋状态下螺旋桩受斜拉荷载作用的极限承载力公式,经验证该公式能较好反映螺旋桩极限承载力随斜拉角度增大而逐渐下降的规律。

基于COMSOL的非饱和土中单桩垂直动力特性研究

浅层地表存在大量的非饱和土,其动力特性与饱和介质或单相介质相比存在明显的差异,而这部分非饱和土常常是与单桩接触的主要材料,对单桩的动力行为影响显著。该文考虑动力受荷单桩周边土体的非饱和特性,基于非饱和多孔弹性介质的波动方程、单桩运动方程与边界条件,利用多物理仿真软件COMSOL中的偏微分方程模块构建了非饱和土与单桩动力相互作用的数学模型,并考虑土的成层性、横观各向同性和纵向非均质性。在与现有文献对比验证COMSOL模型正确性后,设计多组数值算例,讨论土体饱和度、地层非均质性等因素对单桩垂直动力阻抗的影响。

考虑系泊点深度的单点系泊系统锚桩水平承载性能理论分析

单点系泊系统因其克服恶劣海况的优越性成为我国海洋石油开发的重要系泊形式。然而,水下单点系泊系统锚桩-土体相互作用机制尚不清楚,尤其缺少考虑系泊点深度的水平承载性能计算方法。基于复合地基反力法,建立水平荷载下单点系泊系统锚桩的挠曲控制方程和边界条件,并编制相关计算程序;通过迭代法求解,获得不同系泊点位置下的锚桩荷载-位移曲线以及桩身位移、弯矩沿桩身的分布规律曲线;通过与数值模拟和既有离心模型试验结果的对比分析,验证了其准确性和可靠性;继而考虑系泊点深度对锚桩水平承载力的影响,进行参数分析,给出了最优系泊点深度取值范围。分析结果表明,增加系泊点深度可以显著减小锚桩的水平位移及弯矩最大值,从而提高锚桩的水平极限承载力。

地基处理技术课程思政体系构建与实践探索

把“立德树人”作为教育的根本任务,将各类课程与思想政治课同向同行,形成协同效应,构建全员、全程、全课程育人格局,是高校课程教育重点改革方向。地基基础是土木、水利及海洋工程等本科专业课,针对课程思政碎片化、关联性不足以及课程知识体系不紧密的问题,结合地基处理技术课程的内容与特点,提出了国家需求-工程问题-学科交叉-思政教育(DPCI)“四位一体”的总体建设方针。阐述了服务于专业毕业要求的教学目标以及服务于专业课程思政的育人目标。结合地基处理课程的授课章节知识点,分别从国家大政方针政策和大型工程建设案例进行剖析,形成思政素材并将其与课程相关内容有机结合,同时建立了“课程思政评教”评价体系。构建了课程思政教学设计与实践体系,在课程传统专业知识体系中有机融入前沿新工科内涵,强化人文内涵与学科交叉,构建了具有土水融合特色的课程思政案例库,实现了课程育人与专业育人的有机映射,帮助学生更加全面、深入地理解和学习该课程,为土木、水利及海洋类专业的课程思政教学及“三全育人”提供了借鉴与参考。

温度与荷载联合作用下能源锚杆的热力响应特性数值模拟研究

能源锚杆是一种由地源热泵技术与支护锚杆相结合的建筑节能减碳新技术.然而,目前针对温度影响下锚杆的热力响应机理尚不清楚.基于多场耦合数值模拟方法,探讨温度、锚杆线膨胀系数、锚杆直径、土体导热系数及荷载等因素对能源锚杆热-力特性的影响.研究结果表明:常温锚杆受拉时,锚头位移随荷载的增大而增加;温度下降15℃时,锚头平均位移较常温锚杆降低-1.34 mm(约为锚杆直径的1.0%);温度上升15℃时,锚头平均位移较常温锚杆增加0.89mm(约为锚杆直径的0.68%);换热过程中,锚杆温度的升高会引起杆体轴力的减小;在同一加热温度和荷载条件下,锚头位移随着锚杆的线膨胀系数增大而增大,锚杆轴力随着锚杆的线膨胀系数增大而减小;锚杆直径的增大会导致锚头位移的减小.试验结果对能源锚杆的设计和施工提供了一定的参考和依据.

多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环时的传热特性和承载特性,尤其是桩顶位移变化规律的研究;并开展无荷载作用下单次冷、热循环试验进行分析。试验结果表明,冷、热循环引起的桩体热应变,在加热时桩体内部产生压应力,而在制冷时桩体内部产生拉应力,同时温度引起桩侧不同部位分别产生正摩阻力和负摩阻力。相较于工作荷载,无荷载作用下加热会使桩体位移上升约41%,而一次加热与制冷循环作用后,无荷载作用下桩顶残余位移约为工作荷载作用下的10%。多次冷、热温度循环会导致桩体沉降不断积累。

砂土地基中钻进比对螺旋桩安装性能和抗拔承载性能的影响

螺旋桩在输电线路杆塔和光伏支架等工程基础中获得了推广应用,然而沉桩速率对螺旋桩沉桩效应和承载力特性的影响机制尚不明确。通过开展砂土地基中螺旋桩沉桩与抗拔承载性能模型试验,分析了螺旋桩钻进比与扭矩、下压力之间的关系,建立了考虑承载力-扭矩-下压力相互影响的极限抗拔承载性能相关系数K'_(t)的计算方法。与既有文献试验结果及理论计算方法进行了对比分析,验证了所建立的计算方法的可靠性。研究结果表明:钻进比与螺旋桩的沉桩扭矩和下压力呈线性关系,钻进比对沉桩扭矩的影响幅度大于下压力;降低沉桩过程中钻进比可有效提高螺旋桩的抗拔承载力,钻进比为0.6工况下的抗拔极限承载力可达到钻进比为2工况下的2.9倍;所建立的砂土地基螺旋桩抗拔极限承载力-扭矩-下压力相关系数计算方法,计算误差小于30%,具有较好的准确性和适用性。

基于能源桩的桥面融雪系统经济效益评估

基于能源桩的桥面融雪系统,利用清洁绿色的地热能为道路融雪除冰,从而降低碳排放,与我国“双碳”战略发展趋势相契合。在技术落地过程中,实现优化设计从而降低成本至关重要。通过数值模拟方法,研究了该系统在中国不同气候区的产热量,并计算了三级融雪目标下桥面融雪所需热量。同时,建立了成本测算模型,分析了各气候区代表城市最具经济效益的能源桩融雪方案,并基于该模型开发了计算软件,以简化应用流程。研究结果表明:在短期运行中,桥面建安费和热泵费用是对成本影响最大的因素。然而,在长期运行中电价成为最关键因素;当热通量需求变化时,电力融雪系统的总成本增量约为能源桩融雪系统的2倍;在恶劣气候环境和更严苛的融雪目标下,能源桩融雪系统的相对节省曲线更陡峭,优势显著;此外,国家政策的积极支持能弥补该系统初始投资成本高的短板,增强其市场竞争力。

玻璃砂透明土变形特性三轴试验研究

玻璃砂透明土是一种由玻璃砂、正十二烷和15号白油按质量比1∶4的混合液体制备而成的新型人工合成透明土;该材料具有透明度高,与天然土体相似度更好等优点,可以用于基于透明土材料的可视化模型试验。为了研究其变形特性,对不同级配的玻璃砂透明土,进行三轴固结不排水剪切试验和三轴固结排水剪切试验,并与同等条件下的福建标准砂试验结果进行对比分析;测得固结不排水剪应力-应变曲线、以及孔压应变曲线形态等工程特性。试验结果表明,随着相对密度的增加,玻璃砂的应力-应变关系从应变硬化型向应变软化型过渡,破坏时的孔压系数Af降低,变形模量变大;与标准砂相比,玻璃砂透明土的应力-应变曲线峰值来的相对更慢一些。

新型透明黏土制配及其物理力学特性研究

基于人工合成透明土材料和PIV技术的可视化模型试验方法是重要的岩土工程测试手段之一,然而,目前已有透明土材料中针对模拟天然黏土的材料仍相对较少。提出以Carbopol Ultrez10聚合物(简称U10)、NaOH粉末和纯净水为原材料,碳纳米材料掺入作为示踪粒子制成散斑场,制配一种新型透明黏土材料的技术方案与操作方法。基于调制传递函数(MTF)方法,对新型透明黏土材料的光学透明性进行量化分析,并与已有透明土材料的光学透明性进行对比分析,验证其优越性。基于微型十字板剪切试验、压缩固结试验、渗透试验及热传导试验等室内试验方法,对新型透明黏土材料的物理力学特性进行系统研究,探讨其模拟天然黏土的可行性。研究结果表明:新型透明黏土材料的光学透明厚度可达25~40cm,较目前已有常规透明土材料的光学透明厚度提高约2~3倍;新型材料表现为中低灵敏性黏土、强度随时间明显增加,强度、压缩固结特性与天然淤泥(尤其是海相淤泥)或泥炭土的性质相近,渗透系数为2×10^-7~7×10^-7cm/s,热传导系数为0.62~0.71W·M^-1·K^-1。

施工顺序对微型钢管桩加固既有基础变形的影响试验研究

微型钢管桩由于具有施工效率高、对周围环境友好等技术优点,被广泛应用于既有建筑物的增层改造、加固及纠偏工程中。施工顺序会影响加固或纠偏效果,甚至影响建筑物的安全,然而围绕施工顺序对微型钢管桩加固既有基础的变形特性影响的研究仍相对不足。基于透明土材料和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)处理技术,开展不同沉桩顺序(逆时针、顺逆时针结合、Z字形及对称形)下既有基础微型桩加固的可视化模型试验,分析加固过程引起的桩周土体位移场变化,以及不同沉桩加固顺序对既有承台的影响规律,并确定最优的加固方案。结果表明,在试验条件下,承台面下方的桩对桩周的土体有挤密作用,在承台周边压桩时,承台面下方的桩周围土体位移较小,相对于无承台情况影响范围缩小42%,最大位移缩小36%;对称加固顺序相对最优,施工过程中对既有基础的抬升位移仅为最不利加固顺序时的56%。

考虑时间效应的群桩负摩阻力模型试验研究

基桩负摩阻力是桩基础设计中必须考虑的重要问题之一,但是针对考虑土体固结时间效应的群桩负摩阻力研究却相对较少。进行了在地面堆载固结条件下,黏性土层中3×3群桩负摩阻力性状的室内模型试验研究,测得了不同桩间距(3d,4d,6d)条件下各位置桩(角桩、边桩、中心桩)的桩侧负摩阻力、桩端阻力以及桩周土体分层沉降随固结时间的变化情况,分析了桩身下拽力和中性点位置随时间的变化规律;并进行了同等条件下单桩及2×2群桩(4d)试验作为比较分析。试验结果表明,群桩中桩侧负摩阻力引起的下拽力和中性点位置都存在明显的时间效应和群桩效应,其数值与基桩数、基桩的布置位置及桩间距等因素有关;在本文试验情况下,当桩–土相对位移达到2 mm时,桩侧负摩阻力将达到其最大值的80%～90%。

考虑时间效应的斜桩基负摩阻力室内模型试验研究

斜桩基是桥梁支墩、码头等工程中常用的桩基础形式,但是针对斜桩基础负摩阻力问题的研究却相对较少。进行了黏性土层中斜单桩及斜群桩在桩周土堆载固结条件下负摩阻力性状的室内模型试验研究,测得了桩侧负摩阻力、桩端阻力以及桩周土体分层沉降随固结时间的变化情况;并进行了同等条件下竖直单桩及竖直群桩试验作为比较分析。试验结果表明,斜桩和竖直桩桩侧负摩阻力引起的下拽力都存在明显的时间效应和群桩效应;在本文试验条件下,当桩–土相对位移达到2mm时,桩侧负摩阻力将达到其最大值的80%～90%左右。

水平荷载下扩底楔形桩承载力特性透明土模型试验

通过改变纵向截面形式以提高单位材料利用率、提高桩侧摩阻力或桩端阻力的异形桩在工程界逐步得到推广应用;然而,针对纵向截面形式改变对基桩水平向承载力特性影响的研究却相对较少。为分析纵向截面形式改变对水平向承载特性影响规律及桩-土相互作用机理;基于透明土材料和PIV(particle image velocimetry)技术,采用非插入式测试方法开展水平荷载作用下扩底楔形桩的承载力特性模型试验,测得水平荷载下基桩H0-y0曲线、基桩变形、以及桩周土体扰动位移场等规律特性,继而探讨水平荷载下扩底楔形桩的极限承载力、基桩变形对桩周土体位移场的扰动规律以及桩-土相互作用机理;同时进行等截面桩、楔形桩的水平向承载力特性透明土模型试验作为对比分析。试验结果表明,文中试验条件下,由于扩大头的存在,扩底楔形桩的水平向承载力约为楔形桩的2.0倍;水平荷载下,桩周土体的竖向位移略比水平向位移要大,桩端附近土体水平向位移变化比竖向位移变化要更明显;水平极限荷载下桩端略有一点向上拔出。