海上桩基础注水加压拆除法的研究

近年来,全球海上风电发展势头迅猛.单桩基础作为最早应用于海上风电的基础类型,在全球风场中占据主导地位.现有风机的寿命一般约为20年,预计未来10年将迎来大量风机退役,这使得海上桩基础的回收问题变得愈发重要.为更好地解决海上桩基础退役拆除问题,本文通过物理模型实验的方式对注水加压拆除法进行了研究.实验结果显示:大直径桩基础拆除时所需压强更小,更易通过注水加压拆除法进行拆除;桩基础初始倾角对注水加压拆除所需压强影响较小,但初始倾角越大基础越易倾倒;拆除过程中桩基础单位位移引起的舱内压强下降幅度始终相同,不受基础直径、入泥深度以及倾角的影响.根据物理模型实验数据,结合土力学、水力学相关理论,建立了注水加压拆除法全过程理论模型,可大致预测不同桩径、不同入泥深度桩基础的启动舱内压强与舱内压强-位移曲线,并且在此基础上,结合渗流计算,利用有限元模型对水泵在注水回收过程中可产生的最大舱内压强进行了预测,对比最大舱内压强与基础拆除所需的启动舱内压强即可判断此水泵能否用于注水加压拆除.本文所得结论可为海上风电桩基础的退役处理提供参考,有助于保障风场海床资源的可持续利用,具有一定的工程价值.

考虑透水效应的泥石流柔性防护网耦合分析方法

针对柔性防护网在黏性泥石流通过时的透水效应问题,在柔性环连网等效薄膜有限单元(FEM)的基础上,结合S-ALE和Ergun公式的欧拉-拉格朗日耦合算法,提出了Structured-ALE-FEM耦合算法(简称S-A-F方法),实现了考虑透水效应的泥石流柔性防护网耦合分析。结合USGS的泥石流柔性防护模型试验,开展了泥石流柔性防护全过程动力学分析,并与试验结果进行了对比分析。研究表明:提出的耦合方法可再现泥石流冲击、爬高及渗透堆积的全过程;与试验相比,泥石流堆积高度和堆积宽度的最大误差分别为11.9%和10.3%,泥石流浆体通过量最大差量为3.2%;柔性防护网关键部件动力响应与试验相比,右侧拉锚绳、左侧拉锚绳及网片最大变形量时程曲线误差分别为3.2%,16.4%,14.4%。与不考虑阻水效应的两种理论算法相比,S-A-F方法在泥石流冲击力峰值和泥石流浆体通过量准确度较同类其他方法提升了4.69%和17.50%。提出的S-A-F耦合方法可用于黏性泥石流柔性防护工程的设计计算。

无机填料对水泥固化泥炭土强度的影响

通过无侧限抗压强度和扫描电镜试验,研究了无机填料种类和粒径对水泥固化泥炭土强度的影响.结果表明:水泥固化泥炭土强度随着石英砂掺量的增加呈先增加后降低的趋势,20%石英砂掺量下水泥固化泥炭土强度最高;当石英砂粒径d>1.0 mm时,水泥固化泥炭土强度提升有限,而当d<0.5 mm时,水泥固化泥炭土强度提升明显;高岭土颗粒可有效填充泥炭土孔隙,有利于水泥联结无机填料和泥炭土颗粒,且水泥联合高岭土固化泥炭土的强度明显优于水泥联合石英砂;当泥炭土含水率为600%,高岭土掺量从5%增至30%时,28d龄期水泥固化泥炭土强度的增幅为58.5%~116.6%.

多固废协同制备再生可控性低强度材料及其性能研究

可控性低强度材料(CLSM)是一种替代传统级配砂石回填的新型回填材料,具有良好的工作性和力学性能。为了提高CLSM中固废利用率,减少水泥用量,降低工程成本和施工难度,利用再生微粉、矿渣粉等固废材料配合盾构渣土制备CLSM,并通过SEM分析不同配比CLSM水化产物的微观形貌。结果显示,多固废协同制备的CLSM流动度可控制在135~215 mm,抗压强度可控制在3.40~5.93 MPa。再生微粉最佳掺量为20%,矿渣粉最佳掺量为30%,抗压强度最高可达5.93 MPa。再生微粉与矿渣粉复掺可以相互促进,将更多的水泥产物CH转化为C-S-H凝胶物质填补孔隙结构,提高材料结构强度。

基于相似性原则的橡胶颗粒-砂混合物热导率理论模型

为准确定量评价人工隔热材料橡胶颗粒-砂混合物的导热性能,突破现有经验关系模型适用性较差的局限性,以Wiener土体热导率模型为框架,基于相似性原则,通过对混合物中各介质的导热性能进行分析,建立用于计算混合物热导率的理论模型,分析模型中计算参数的意义和确定方法,根据文献报道热导率测试数据,对比验证模型的有效性,并探讨模型进一步完善和拓展的研究方向。研究结果表明:橡胶颗粒和孔隙液的导热能力相似,可将两者归属为相似类传热介质应用于Wiener串、并联模型中;模型综合考虑了橡胶掺量、粒径比、饱和度和孔隙率等对橡胶颗粒-砂混合物结构和导热性能的影响,准确描述了混合物热导率和橡胶掺量、粒径比的相关关系,与实测数据的对比结果显示了较高的精确度。探明复杂应力状态和极端气候条件对刚-柔性颗粒混合物导热性能的作用规律,是进一步完善和拓展本文模型的重要研究内容。

考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型

温度变化对土体性质和行为的潜在影响已成为许多岩土工程设计和应用的重要组成部分。针对粉土中孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTu)的温度效应及部分排水状态,提出了基于小孔扩张理论的计算模型和分析方法。采用一种能够表征粉土强度温度效应的本构模型,给出了完全不排水和排水条件下的解析解;以Bourke粉土为例,分析了温度对扩张压力的影响,揭示了扩张压力随温度升高而减小的规律。采用一种线性映射方法给出了部分排水条件下的小孔扩张半解析解,并基于物理模型试验的结果得出了排水状态与温度的相关关系,建立了考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型。研究了不同贯入速率下温度对CPTu测试结果的影响,结果表明,温度升高导致锥尖阻力与锥肩孔压减小,且变化幅度随超固结比的增加而增大,通过试验结果与计算模型预测结果的对比验证了模型的可靠性。

热渗透作用下有机污染物在双人工复合衬层中的一维运移模型

建立了热渗透作用下有机污染物在双人工复合衬层中的一维运移模型,利用COMSOL Multiphysics数值软件对模型进行模拟计算并对相关参数进行参数分析。结果表明,即使渗滤液水头h_(w)增大到10 m,双人工复合衬层底部浓度仅增加了4.9%,这表明渗滤液水头对有机污染物在双人工复合衬层中运移的影响较小。当热渗透系数达到5×10^(-11)m~2·K^(-1)·s^(-1)时衬垫系统底部浓度增加了31.5%;热渗透系数k_(T)>1×10^(-11)m~2·K^(-1)·s^(-1)时,在双人工复合衬层的设计中需要考虑热渗透作用的影响。次衬层中土工膜上连接的褶皱长度和漏洞频率对有机污染物在双人工复合衬层中运移的影响则十分显著,褶皱长度由10 m增加到100 m时底部浓度增加了87%。在双人工复合衬层施工中,严格控制次衬层土工膜施工质量,减少褶皱和漏铜的产生,能有效提高衬垫系统的服役性能。

岩溶区土洞对自由场地震动放大效应的影响

岩溶区土洞的发育改变了自由场的地震工程地质条件,从而影响了地表地震动力响应结果。为探讨岩溶区土洞对地震动场地效应的影响,设计并构建典型岩溶区土洞自由场地,利用有限差分法开展了不同地震动输入条件下的含土洞场地的地震反应分析。通过与自由场地震反应分析结果对比可知:(1)土洞的存在阻碍了地震波的传播,从而使得地表中心点峰值加速度显著减小,随着输入地震动峰值增大,土洞的影响范围增大,土洞附近地表峰值加速度呈现出先增大后减小,最后逐渐趋向于自由场;(2)土洞的存在使场地的竖向位移增大,且随输入加速度峰值增大而增大、对水平向峰值位移影响较小;(3)加速度放大系数总体呈现出先增大后减小的趋势,随输入加速度峰值增大而减小;(4)土洞的存在使得反应谱的短周期幅值减小,这种减小幅度受输入地震动峰值的影响不明显。

透明土试验技术在滑坡降雨入渗中的研究与应用

由于滑坡体内部结构的复杂性和不可视性,使得滑坡降雨入渗及其渗流过程无法直观观测,从而难于查明滑坡灾变演化全阶段中降雨入渗的具体作用过程,导致降雨诱发滑坡成灾机制的认识存在不确定性,因此,发展可以观测滑坡内部降雨入渗灾变过程的新技术手段,对深入理解降雨诱发滑坡灾变机理具有重要意义。而透明土试验技术则使岩土体内部非介入式、连续、无损、可视化测量得以实现。从透明土材料特性、岩土工程性质、试验设备与图像处理解析技术等方面,总结透明土试验技术发展现状及其在不同领域的应用,重点概述该技术在边坡工程领域的应用和渗流过程可视化模拟中的实践,并讨论将其应用于滑坡渗流直观观测的可行性。在此基础上,针对透明土材料进行筛选和对制备方法进行优化,利用透明土替代传统土工模型材料建立适用于渗流过程观测的滑坡透明土物理模型,开展降雨条件下滑坡渗流物理模拟试验,获取降雨入渗诱发滑坡灾变全过程信息,确定滑坡体内部地下水渗流过程及其变化特征。该模型试验是透明土试验技术在滑坡渗流可视化观测领域一次有效的应用实践,拓展了滑坡灾害可视化模拟新途径,进一步确定地下水渗流对滑坡的复杂影响,有利于揭示降雨诱发滑坡演化规律、深入探索滑坡滑动机制,为降雨滑坡灾害防治和灾害规划提供科技支撑。

氧化还原电位对污染土固化体中砷浸出行为的影响

砷(As)的价态和迁移性与氧化还原电位(EH)密切相关,固化/稳定化后的As污染土处于复杂的氧化还原环境中,EH的变化可能导致固化体中As浸出风险增加,目前对EH变化情况下固化体中As浸出行为的研究尚不多见。通过半动态浸出试验研究了稳定化/固化修复后的高浓度As(Ⅲ)污染土在不同氧化还原条件下的As浸出行为,通过X射线衍射图谱(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)研究了浸出试验前后土中矿物成分和As价态的变化,揭示了相关机理。结果表明,浸出液中As的浸出总量与浸提液EH密切相关,浸提液EH越低,As浸出浓度越高;当浸提液EH为0 mV时,As的扩散系数达到3.11×10^(-13)m^(2)/s,可浸出指数达到了8.72,表明修复后的高浓度As(Ⅲ)污染土不适合在强还原性环境中堆放和再利用;XRD分析表明,随着浸提液EH降低,土中的铁氧化物/氢氧化物发生还原溶解,进一步导致As的解吸附;XPS分析表明,随着浸提液EH降低,土中的As(Ⅴ)被还原为高迁移性的As(Ⅲ),从而增加了As的潜在移动风险。该研究为高浓度As(Ⅲ)污染土的长期安全处置提供了科学依据。

氧化镁复合水泥固化硫酸盐渍土的力学、膨胀性能及微观机理

硫酸盐(渍)土易引发溶陷、膨胀、腐蚀地基等岩土灾害,而水泥固化会导致膨胀性矿物——钙矾石的生成,造成硫酸盐土体膨胀、强度损失和耐久性降低。为了避免上述问题,采用氧化镁(MgO)部分替代水泥(即MgO复合水泥),用于固化处理硫酸盐土(即石膏土)。通过开展垂直膨胀、无侧限抗压强度(UCS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)试验,研究MgO与水泥配比对固化土膨胀特性和力学性能的影响规律,并揭示MgO复合水泥(MgO-水泥)固化硫酸盐土的微观机理。试验结果表明:随着MgO与水泥配比增加,固化土的总膨胀率先减小后增大,而UCS总体呈现为先增大后减小。在微观机理方面,加入适量MgO可减少钙矾石生成;而加入过量MgO后,水化硅酸镁(MSH)的形成抑制了水化硅酸钙(CSH)形成,削弱了CSH的影响。综上,MgO∶水泥(MgO∶C)=0.5∶9.5是固化硫酸盐土较优的MgO与水泥配比。

冻融循环作用下MICP固化铅污染土的强度与浸出特性研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术可用于重金属污染土固化稳定修复。本文通过开展无侧限抗压强度、离子浸出及微观试验,主要研究MICP固化铅污染土在冻融循环作用下的强度与化学稳定性,并揭示其微观作用机理。结果表明:随着铅离子浓度的增加,土体的无侧限抗压强度先增大后减小,铅离子浸出浓度增大;随冻融循环次数的增加,土体的强度逐渐降低并趋于稳定,铅离子浸出浓度增大。冻融循环作用后,固化土的主要矿物成分未发生变化;土中的小孔隙数量增加,大孔隙数量基本保持不变。冻融循环作用损伤固化土的碳酸钙胶结与铅离子沉淀结构,致使土体性能劣化。

预制装配式分体柱框架抗震性能研究

已有研究表明分体柱具有较好的延性,能运用于地震多发的房屋结构中。为方便施工,提出预制装配式分体柱框架结构的设想,通过有限元数值模拟,对整体柱框架结构和分体柱框架结构的抗震性能进行对比分析。结果表明:地震作用下装配式分体柱框架结构加速度响应较现浇整体柱框架更易趋于稳定;与整体柱框架相比,装配式分体柱框架位移响应较大;装配式分体柱框架结构的基底剪力均小于整体柱框架结构的;现浇整体柱框架结构的混凝土节点损伤区域与分体柱框架结构相比较大,证明钢套筒对框架结构节点起到保护作用;装配式分体柱框架结构更适用于硬质场地。整体表明装配式分体柱框架结构的延性更强、耗能性能更好,且更加稳定。

盖挖法基坑开挖对临近桥梁桩基的影响研究

城市交通建设往往临近既有建筑结构,为了掌握盖挖法深基坑开挖对临近桥梁桩基的影响,依托之江路输水管廊及道路提升工程,建立数值模型并对工程现场展开监测,分析对比了基坑开挖导致的围护结构变形及桥桩变形规律。结果表明:围护结构最大位移出现在基坑北侧坑中坑开挖后,为6.14mm,最大位移深度随基坑开挖而下移,且坑中坑开挖完成后,其对侧围护结构变形反而减小,坑中坑开挖布置在敏感结构对侧时对临近结构具有一定控制效果;桥梁桩基最大沉降出现在首道混凝土支撑安装后,但随基坑开挖而逐渐减小,盖挖造成的沉降主要水平影响范围距围护结构约为12.71m,对邻近桥桩的影响主要发生在基坑开挖的早期阶段,各项变形均在安全范围内,且不均匀沉降控制效果明显。

局部竖向受荷条件下泡沫轻质土极限承载力研究

为了揭示泡沫轻质土的承载特性及破坏特征,开展了局部加载条件下泡沫轻质土承载试验,考虑泡沫轻质土湿密度、龄期、加载位置等参数变化,测试得到了泡沫轻质土荷载-位移曲线和破坏模式。结果表明,在受竖向局部荷载作用时,泡沫轻质土呈现类似地基的“弯沉盆”式变形规律。当加载点位置不同时,试件的承载能力及破坏模式都有较大的变化,呈现出局部剪切破坏或直剪破坏。基于试验结果,在Terzaghi地基承载力理论公式的基础上,构建了泡沫轻质土极限承载力计算公式。

标准贯入试验在黄河流域砂土液化地层判别中的应用

依托济南城市轨道交通6号线某车辆段为例,采用标准贯入试验对工程现场的强夯及未强夯区域进行了试验点位锤击数采集,并基于砂土液化的计算判别方法,对比分析了各区域的砂土液化情况。通过工程实例验证了标准贯入试验对于黄河流域轨道交通行业的砂土地层液化现象提供判别方法的可行性,以期为轨道交通工程建设提供安全保障及参考依据。

石灰与水泥改良粉质黏土的水稳定性试验研究

为探究粉质黏土采用石灰和水泥改良后的水稳定性,设计并制作了不同石灰和水泥掺量的改良粉质黏土试样,并通过自制的崩解仪开展了崩解试验。试验结果表明,未掺加改良剂的素粉质黏土试样浸水后会迅速崩解,且崩解过程具有明显的阶段性。当石灰掺量小于6%时,改良粉质黏土试样在水中发生崩解,但其耐崩性会随石灰掺量和压实度的增加而提升。当石灰掺量达到6%、水泥掺量达到2%时,改良粉质黏土试样在水中未发生崩解,但水仍会渗入试样内部,此时可采用入渗率描述试样的水稳定性。改良粉质黏土试样的入渗率会随压实度的增加而降低;相同压实度下改良粉质黏土试样的入渗率随改良剂掺量的增加而降低。相同掺量下水泥改良粉质黏土的水稳定性提升效果优于石灰改良粉质黏土,且水泥的改良效果相当于多掺2%的石灰,但水泥掺量不宜低于2%。

“泥科学与应用技术”的提出及研究进展

随着社会经济的发展,以淤泥、污泥为代表的各种泥状物产量巨大,接近于城市垃圾的数量。而各种泥的性状及污染物种类非常复杂、多样,经济、安全地进行各种泥的处理和利用已经成为一个重要的问题。各种泥状物虽然种类不同、成分各异,但具有很多共同的物理、化学性质。在处理方面也具有以脱水为主的减量化、以污染物稳定为主的无害化、以改变性质后进行利用为主的资源化的途径上的一致性。此外,泥所具有的一些特殊性质也能够被利用来解决一些特殊的问题。长期以来,各种泥的科学研究和处理技术分布在各行各业,使用的概念、指标不能统一,技术和方法隔离发展,影响了对于泥的基础理论和技术的发展。针对这些问题,提出了建立"泥科学与应用技术"的学科方向,对于泥的主要种类和问题,处理泥中所遇到的热点问题以及几个典型的研究进行了综述,为解决泥的问题进行了分析和总结。

轻质土密度、强度与材料组成的关系研究

论述了轻质土试样的制备方法,对轻质土密度、无侧限抗压强度与材料组成之间的关系进行的研究表明:密度主要受到EPS颗粒添加量的影响;无侧限抗压强度主要受到水泥添加量、EPS颗粒添加量的影响。在此基础上给出了适合于工程应用的轻质土的配方公式。

工业副产品木质素改良路基粉土的微观机制研究

为揭示工业副产品木质素与土体间的相互作用机制,将木质素应用于路基粉土改良,通过对木质素及其改良土进行无侧限抗压强度、pH值、微观结构、化学元素、矿物成分和官能团等试验分析,研究不同掺量下木质素改良土的力学性能和pH值变化,对比分析改良前后粉土的微观结构变化,并基于化学分析结果探讨木质素的分子结构及与土体间的相互作用,提出木质素改良土体的机制。试验结果表明,改良土强度随木质素掺量增加而增加,掺量超过一定范围时,土体强度降低,木质素改良粉土的最优掺量为12%,且龄期对土体强度有着重要影响;强度与pH值基本呈线性相关关系;改良土微观结构更为致密、稳定,胶结物质将土颗粒相互联结,且未生成新的矿物;木质素通过水解、离子交换、质子化和静电引力等作用,导致双电层厚度减小,带正电荷的木质素高分子聚合物联结土颗粒并填充孔隙,改良土工程性质得以改善。提出的木质素改良土体机制可为工业副产品木质素的工程应用提供理论参考。