海上浮圈结构在规则波下的频域水弹性响应

运用水弹性理论分析浮圈结构在波浪作用下的弹性变形,并考察浮圈尺寸、吃水、弹性模量及环境参数对浮圈垂向变形幅值的影响。采用离散模块-梁单元(Discrete-Module-Beam,DMB)方法对浮圈进行水弹性分析。将浮圈离散为若干个刚性子模块,运用多刚体水动力学理论计算作用于浮圈的水动力载荷,并用曲梁理论计算浮圈结构的整体变形。结果表明:浮圈不同位置的垂向变形有明显差异,在波浪传播方向首尾两端的变形幅值明显大于中部,且这一特点随入射波频率的增加更加明显;在高频段浮圈的整体变形幅度随直径比和弹性模量的增加而减小;吃水对浮圈垂向变形幅值的影响相对较小,其主要作用体现在加剧了迎浪点垂向变形幅值曲线在高频段的振荡现象;水深变化对浮圈垂向变形的影响在不同位置和不同频率下呈现出差异性。

微生物修复混凝土裂缝的试验观测

微生物修复技术所需的菌液流动性好,修复过程中微生物代谢物与水泥基材料有着良好的相容性和界面强度,因此,具备能耗低、绿色环保、施工简便的潜力.针对微生物修复混凝土裂缝问题,通过试验研究了环境碱度对细菌生长和微生物矿化的影响,探讨了胶结溶液的最优浓度配比和胶结时间,并将这些参数运用于后续微生物修复混凝土裂缝的试验中.试验中考虑了裂缝表观形状(裂缝深度、宽度及延伸角度)的差异,观察了碳酸钙沉淀的沉积方式,并采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)手段监测其沿裂缝界面的晶体组成和形貌.结果表明:菌体自身对环境碱性突变具有自适应能力,当环境碱性并非过高时(pH≤12),菌体在生长代谢过程中能够驱使环境pH值向着最适宜菌体自身生长的pH值(约为8.7)发展;快速诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝的最佳胶结液有效浓度为0.83 mol/L,最优微生物矿化间隔时间为5 h;裂缝表观形状的差异导致细菌在裂纹表面上的吸附不均匀性,其中裂缝的宽度不直接影响微生物修复的机理,而裂缝深度和裂缝倾角会影响碳酸钙沉淀的均匀性;使用注射和漫灌胶结液的方式修复具有不同表观形状的裂缝的混凝土最好的修复效果能将混凝土的渗透性降低4个数量级(从10^(-4)m/s到10^(-8)m/s).

基于MICP技术的自修复混凝土研究进展

混凝土是一种应用广泛的建筑材料,但其在使用过程中,极易出现裂缝,尤其在水利工程中。混凝土裂缝不仅影响建筑的美观,而且会对结构的安全性产生不利影响。利用微生物诱导产生碳酸盐晶体(MICP)的技术可以制成自修复混凝土,这种混凝土能够在其自身出现裂缝时实现自我修复,从而提高混凝土材料的耐久性能,节约维修成本。对国内外文献中自修复混凝土的工作原理、制备方法、材料特性以及影响自修复效果的因素进行了总结分析。从工作原理上主要介绍了矿化微生物的选择和矿化过程;从制备方法上主要汇总了自修复混凝土采用的细菌固载方法;从材料性能上主要分析了自修复混凝土的微观性能和宏观性能;从修复效果上主要总结了修复剂成分、养护条件以及裂缝特征等因素的影响。根据梳理,自修复混凝土目前所能修复的最大裂缝宽度为0.97mm,最大深度为27.2mm,仍有大的发展潜力。基于目前的研究现状,文章提出了自修复混凝土进一步的研究方向,旨在为该项技术的发展起到一定的推动作用。

基于微生物诱导碳酸钙沉积的生物覆膜防渗研究

针对水利工程防渗堵漏的问题,以降低砂土生物覆膜透水率、提高砂土胶结之后的强度为目的,利用巴氏芽孢杆菌催化尿素水解对MICP(microbially induced calcium carbonate precipitation)生物覆膜效果的影响因素展开试验研究。采用控制变量法探究胶结液浓度和胶结时间对生物覆膜效果的影响,从而为生物覆膜技术的实际应用提供基础性数据和科学依据。结果表明:相同胶结时间的情况下,胶结液浓度越大,钙离子利用率越高;生物覆膜样本的最小渗透系数为2.42×10-5cm/s,防渗效果相当于粉土或黏土混合物,最大抗折强度为1.63 MPa,最大抗压强度为1.5 MPa;胶结液浓度是影响覆膜抗折强度的主要因素,相同浓度下的胶结时间越长,对应的抗折强度值越大;碳酸钙在颗粒间的孔隙中充当胶凝作用,碳酸钙含量与抗折和抗压强度呈正相关关系。研究成果对未来将生物覆膜技术应用于水工防渗材料具有参考价值。

考虑上覆水综合作用的水下真空预压沉降分析

上覆水问题是水下真空预压与陆上真空预压的一大不同点。在水下真空预压中,上覆水会对地基固结和沉降产生一定的影响。通过有限元模拟研究了上覆水对加固区土体的沉降所产生的两方面影响,即荷载作用方面和边界渗透方面。基于有限元结果,结合固结理论和渗流理论,提出一种考虑上覆水综合作用效果的地基沉降计算方法,并通过一则案例分析对该方法进行了验证,同时与传统计算方法进行了对比分析。结果显示,与传统方法相比所得结果与实测数据更加吻合,说明了考虑上覆水对地基沉降的综合影响是可靠的。最后对工程实际中的应用提出了一定的建议。

可折叠防沉板V-M加载模式下不排水承载力研究

可折叠防沉板可有效解决单块防沉板因面积过大而导致的巨额安装施工费用问题,是深海油气资源开采生产系统中的新型基础结构。在服役期间承受竖向、水平、弯矩及扭矩等荷载的复合作用,其承载力不仅与防沉板的尺寸和地基土强度及其分布特性有关,而且还与可折叠防沉板两翼间距有关,导致不能直接采用传统的防沉板承载力计算方法进行计算。采用有限元方法对可折叠防沉板的不排水承载力进行三维数值模拟,计算得到竖向V、弯矩M加载条件下及组合V-M加载条件下的极限承载力,系统分析了单向(V,M)及组合(V-M)加载条件下的地基破坏模式,提出了单向承载力计算方法并建立了组合加载条件下的破坏包络线,进而提出了复合加载条件下的承载力计算方法,为可折叠防沉板的承载力设计提供依据。

流态吹填土状态划分及变形计算方法

疏浚淤泥经水力吹填形成的流态吹填土属于宾汉体,无初始结构与强度,表现出明显的流体特性,与结构性天然沉积土明显不同。因此,无法采用固态土体相关理论进行流态吹填土加固中的变形分析。为了准确预测流态吹填土变形,通过流变试验确定流态吹填土含水率范围,根据加固前后土体状态及物理性质变化提出计算流态吹填土变形的物理指标法,并通过案例分析验证了物理指标法的合理性与可靠性。结果显示,结合流变试验成果,采用物理指标法计算所得流态吹填土沉降与实测值吻合度高。最后,根据文中研究成果,对物理指标法在工程中的应用提出了一定的建议。

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。

考虑土体阻力增长的管线轴向步进理论解

深海管线是海洋石油开采系统中重要的石油输送结构.为保证石油的流动性,在输送石油时需要对管线进行加热.管线在温度荷载循环加载的过程中会产生管线的轴向步进,使得管线出现整体性位移,严重威胁管线系统的安全.管线的一个荷载循环周期会持续很长时间,在此期间管线周围土体强度上升,管线在整个循环周期内受到的土体阻力并非定值.本文通过理论研究,分析土阻力变化前后的管线轴力分布曲线,推导了考虑单次荷载循环中土体阻力变化后轴向步进的理论解,并采用所推导的解析解对工程算例数据进行分析和计算.

结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用

原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。