颗粒级配和表面纹理对饱和砂-钢界面剪切强度的影响

钢桩和钢制吸力基础广泛应用于海洋工程,土体与基础结构界面力学特性决定着其承载能力。通过饱和砂-钢界面排水剪切试验,揭示了颗粒级配、表面纹理和法向边界条件对界面剪切特性的影响规律。研究表明:由于颗粒剪切方式和孔隙水压力消散方式的不同,常法向应力(CNL)下剪应力-位移曲线出现明显的应变软化现象。变法向应力(VNL)下,界面剪切强度随法向应力的增大不断提高。对于光滑和凸起构造,界面摩擦角随不均匀系数C_(u)的增加基本呈线性增长。对于凹槽构造,界面摩擦角随C_(u)的增加而减小。饱和砂-粗糙度钢板界面剪切效能的发挥受水的影响显著,砂与钢板之间水膜的存在减弱了砂颗粒和钢界面的摩擦,使得界面摩擦性能不能完全发挥。

分层土中吸力基础沉贯吸力变化及土体变形规律试验研究

吸力基础近年来在海上风电工程中逐渐得到推广,我国海上风场地基广泛分布分层土,研究吸力基础在分层土中的沉贯特性有助于推动其在我国海上风电工程领域的应用。开展模型试验,探讨了土层分布形式(砂土、黏性土、上层砂土下层黏性土(简称上砂下黏)、上层黏性土下层砂土(简称上黏下砂))对吸力基础沉贯吸力值、沉贯阻力、土塞高度和土体变形的影响。研究发现在上砂下黏土层中,当基础贯入至土层分界处时,基础吸力值陡然增加;当吸力基础贯入至上黏下砂土层分界处时,基础内部吸力值陡然降低,通过有机玻璃吸力基础模型试验阐述了吸力变化的原因。不同土层条件下,基础内部最终土塞高度规律由高到低为:上黏下砂土层、单一砂土层、上砂下黏土层、单一黏性土层,阐明了不同土层分布情况下基础内部土塞形成机理。对于单一砂土层和上砂下黏地基,沉贯结束后,基础周围土体出现环形沉降区域,单一砂土地基中沉降区域范围大于上砂下黏地基情况。对于单一黏性土和上黏下砂土层中,沉贯结束后基础周围黏性土中产生裂缝,且吸力沉贯下土体裂缝数量及裂缝扩展范围大于压贯条件,土体最大裂缝范围约为1.9倍基础直径。

倾斜荷载下裙式吸力基础抗拔承载力模型试验研究

开展室内模型试验,研究倾斜荷载作用下裙式吸力基础的承载特性。探讨基础裙结构尺寸、加载角度、加载速度等因素对倾斜荷载作用下裙式吸力基础荷载‑位移关系曲线以及抗拔承载力的影响,研究加载过程中主桶和裙结构内吸力变化规律。试验结果表明:倾斜荷载作用下,裙式吸力基础抗拔承载力随着裙宽和裙高的增大逐渐增大,随着加载速度的增大逐渐增大。另外,随着荷载作用方向与水平方向角度的不断增大,裙式吸力基础抗拔承载力有所降低,主桶和裙内吸力均增大。

陆地风电空心锥形基础地震响应特性分析

空心锥形钢筋混凝土基础是一种新型陆地风电基础形式。为了丰富陆地风电基础抗震性能研究并将空心锥形基础推广至实际工程中,数值模拟研究了砂土地基中质量相等的空心锥形基础和圆形基础的地震响应特性,讨论了基础尺寸、上部荷载、地震动峰值加速度和地下水埋深等因素对基础加速度和位移响应的影响。研究表明:地震作用下空心锥形基础和圆形基础顶板中心处的加速度峰值差距较小,约为5%;锥形基础的沉降量始终低于圆形基础,降幅在4%~31.8%;空心锥形基础前侧的土体变形范围大于圆形基础,而土体隆起量最大值小于圆形基础,最大减少66%,地震作用下空心锥形基础调动了更多土体抵抗荷载,具有更高的承载力。增加锥形基础的径高比(基础顶面直径与高度之比)能够有效减少基础沉降和前侧土体变形。基础上部荷载与输入地震峰值加速度增大,基础沉降量显著增大,基础前侧土体的变形范围和隆起量也随之增大。基础顶板中心处的加速度放大系数随上部荷载与地震动峰值加速度的增大而减小,随地下水位埋深增加而增大。

海上风电吸力基础在分层土中的沉贯特性研究综述

吸力基础与海洋工程大直径钢桩相比,具有成本低、安装周期短、对环境影响小、不受海况影响及可回收再利用等优点,近年来在海上风电工程中得到推广应用。吸力基础沉贯至海床预定位置,是其发挥承载力和确保服役稳定性的前提。海床地基土体常以分层土形式分布,且各层土体强度、压缩性和渗透性等存在显著差别,导致吸力基础吸力沉贯机理非常复杂。明确吸力基础在分层土中沉贯特性,有助于指导吸力基础在海上风电工程中的推广应用。对目前吸力基础在分层土中沉贯特性研究进行综述和总结,归纳了其沉贯机理研究进展,并对影响吸力基础在分层土中沉贯因素进行了分析;提出了分层土中吸力基础沉贯的研究方向和改进的沉贯方法。

砂土中裙式吸力基础复合承载特性数值模拟

海上风电基础在服役过程中,长期受到上部结构传递的竖向荷载以及风、波浪等产生的水平荷载及倾覆力矩作用。这些荷载同时作用于基础,导致基础的复合承载特性复杂。针对海上风电裙式吸力基础开展数值模拟,研究裙式吸力基础在复合加载条件下的承载能力:在复合加载条件下,裙式吸力基础的承载能力更大;随着裙结构宽度和高度的增大,裙式吸力基础的复合承载力逐渐增大;绘制了吸力基础在二维复合荷载(竖向荷载-水平荷载、竖向荷载-弯矩荷载、水平荷载-弯矩荷载)作用情况下的破坏包络线图形以及在三维复合荷载(竖向荷载-水平荷载-弯矩荷载)作用情况下的破坏包络面,得到了裙式吸力基础破坏表达式,可指导工程实践。

分层土中裙式吸力基础吸力沉贯特性模型试验研究

针对一种新型海上风电基础形式-裙式吸力基础,开展模型试验,研究其在分层土地基中的沉贯特性。讨论了土层分布形式(砂土、黏性土、上层砂土及下层黏性土(简称上砂下黏)、上层黏性土及下层砂土(简称上黏下砂))、沉贯方式的影响。研究表明:裙式吸力基础在分层土中具有良好的沉贯性能。与传统吸力基础相比,裙式吸力基础在砂土、黏性土、上砂下黏和上黏下砂地基中最终沉贯深度较传统吸力基础分别增加10.0%、2.3%、3.0%和9.6%,沉贯最大吸力值分别增加0.9%、14.4%、66.2%和92.2%。黏性土层位置和厚度对基础沉贯特性影响显著。上黏下砂地层中,基础最大吸力值出现在土层分界面处,最大吸力值随土层分布系数t(上层土厚度与土体总厚度的比值)的增加而逐渐增大,最终沉贯深度随土层分布系数增加而逐渐减小。上砂下黏地层中,裙式吸力基础最大吸力值出现在最大沉贯深度处,吸力最大值随土层分布系数的增加而逐渐减小,最终沉贯深度受土层分布系数影响较小。此外,同时抽吸主桶和裙结构内水体进行沉贯,最终沉贯深度大于只抽主桶情况。在砂土、黏性土、上黏下砂(t=0.4)和上砂下黏(t=0.4)等4种地基中,裙式吸力基础采用同时抽主桶和裙结构的沉贯方式,最终沉贯深度较只抽主桶情况分别增大了13.8%、3.4%、16.4%和4.6%。研究成果为进一步阐明吸力基础在分层土中沉贯机制及指导工程实践,具有借鉴意义。

中粗砂中吸力锚的负压沉贯模型试验研究

吸力锚是海洋工程中广泛采用的一种基础形式。其沉贯能力(即达到预定海床位置)是其承载力达到设计要求的重要保证。国内外针对吸力锚在细砂、粉土和黏土中的沉贯性进行了较多理论及模型试验研究,但对中粗砂研究相对较少。分别针对不同水位深度和不同抽吸速度条件,对吸力锚在中粗砂中的沉贯性进行了大量模型试验研究和分析,得到了负压与沉贯深度的关系。通过沉贯方案对比,得出了吸力锚负压沉贯的最佳试验条件。通过有机玻璃吸力锚对比沉贯试验,直观展示了沉贯过程中吸力锚中"水塞"和"土塞"的形成过程。吸力沉贯与压力贯入对比试验表明,负压导致的渗流显著降低了吸力锚的沉贯阻力,是中粗砂中得以沉贯的主要原因。基于试验成果,提出了模型试验条件下,吸力锚沉贯计算的理论公式。

饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验——承载力及变形分析

海上风电资源的开发和利用是当今世界关注的热点问题，作为其塔架的基础，主控荷载是水平荷载。裙式吸力基础具有更高的水平承载能力和控制水平位移的能力，故非常适合作为海上风电塔架的基础。通过饱和细海砂中裙式吸力基础的水平单调加载模型试验，探究基础水平承载力的影响因素及转动点位置的变化规律，并分析了地基土的变形影响范围及规律。研究发现：与传统吸力基础相比，裙式吸力基础的水平承载力提高显著，且能有效控制水平位移；水平承载力随基础的裙高、裙宽的增加而增大，随加载高度的增加而减小；在水平荷载作用下基础主要是绕某一点（即转动点）发生转动，转动点位于主桶长度的0．45～0．7倍之间；达到极限荷载时，地表隆起范围远远大于沉降范围，沿加载轴线方向，隆起范围约为2．5倍主桶直径。

砂土中桶形基础吸力值的设定范围

吸力桶形基础沉贯与所施加的吸力密切相关,吸力值设置太小会导致吸力基础沉贯速度过慢,施工效益降低;吸力值设置太大将产生较高的桶内土塞,吸力基础下沉不到预定位置,从而使其承载力达不到设计要求,或引起砂土地基产生管涌破坏,因此必须确定合理的吸力值以满足工程建设需要。通过吸力桶形基础的静力平衡条件获得了沉贯所需最小吸力值;根据桶壁底部土体破坏特性,并依据Hencky应力方程建立了桶壁内、外侧土体之间的有效应力表达式,求解了土塞加速上升时的临界吸力值;基于吸力桶形基础内部砂土的管涌破坏机制确定了最大吸力值,结合最大和最小吸力的理论公式得到了吸力桶形基础的最大沉贯深度。最后,采用实例数据验证了所提出的最小、临界和最大吸力理论公式的合理性。

水平单调荷载作用下饱和细砂中裙式吸力基础土压力特性分析

吸力基础具有造价低、施工速度快、可重复利用等优点,因此被广泛应用于海洋工程领域,近年来也受到海上风电工程的重视。作为海上风电基础,主控荷载为水平荷载。为提高基础的水平承载能力并有效限制其侧移,以保证风机正常运行,提出一种改进的吸力基础型式-裙式吸力基础。通过饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验,探究基础周围土压力分布的影响因素,利用土压力增量方法,可以合理确定基础转动点的位置,并揭示'裙'结构尺寸对转动点位置的影响。相比于传统吸力基础,裙式吸力基础水平承载力提高,主桶结构前侧所受被动土压力减小,后侧所受被动土压力增大;裙式吸力基础转动点位置在0.54~0.67倍的基础埋深处,较传统吸力基础的转动点位置(位于0.71倍基础埋深)偏上,且随裙宽增加、裙高减小而上移。

黏性土中裙式吸力基础沉贯与注水拔出试验研究

开展模型试验研究海洋黏性土中裙式吸力基础沉贯和注水上拔特性,并研究了土体强度、基础尺寸和安装方式等影响因素。研究表明:主桶长径比为1.0和2.0的裙式吸力基础最终沉贯深度较相同高度传统吸力基础仅降低2%和6%,证实了裙式吸力基础在黏性土中具有良好沉贯性。主桶和裙结构在吸力沉贯时对土体造成扰动,导致吸力沉贯阻力小于压力贯入时的阻力。基于极限平衡方法,提出了裙式吸力基础在黏性土中的沉贯阻力与所需吸力的计算公式,并验证其准确性。得到传统和裙式吸力基础在注水拔出过程中基础内部水压力、上拔阻力与基础上拔位移之间的关系,发现基础内部水压力随上拔位移先迅速增加至最大值,然后逐渐降低,裙式吸力基础最终上拔位移小于相同基础高度的传统吸力基础。得到了裙式吸力基础注水拔出阻力计算公式。

考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法

以多孔介质流体渗流和围岩应力耦合理论为基础,提出一种基于有限容积法(FVM)的水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。首先,考虑初始地应力和流体渗流对射孔围岩的影响,运用坐标转换和叠加原理得到围岩应力分布。其次,考虑围岩渗透率和孔隙度的应力敏感性,通过渗流力学分析确定射孔围岩的流体压力。最后,探讨水力压裂射孔围岩破裂准则的基础上,构建考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂力学模型,并基于有限容积法对渗流方程和应力方程予以离散,提出水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。该方法实现了流体渗流与围岩应力的耦合,可精确求解水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂压力和破裂时间,亦能对流体压力和围岩渗透率演化予以准确描述。相关成果丰富了水力压裂破裂机理的研究,亦可对实际工程设计提供重要的参考。

组合荷载作用下裙式吸力基础承载特性数值分析

采用数值模拟的方法,对等质量下裙式吸力基础和传统吸力基础组合荷载作用下的承载特性进行分析,探讨主桶高度、裙高度以及裙宽度的变化对基础竖向承载力、水平承载力、弯矩承载力以及组合承载力的影响,得到了基础荷载位移关系曲线及周围土体隆起范围,分析了隆起的影响因素。研究发现裙的宽度是竖向承载力的主控因素,而主桶高度及裙高度是水平承载力和弯矩承载力的主控因素,并得到了组合荷载下吸力基础破坏包络线及其公式。研究成果可供工程设计参考。

砂土中吸力式桶形基础竖向承载性状研究

吸力式桶形基础的竖向承载力是工程设计中的重要问题,其承载力主要由桶壁摩阻力、桶尖端承载力及桶内部土体的支撑力三部分组成。在同种砂土地基中桶基础的直径、桶高以及在地基中的埋深直接影响着上述三部分力的大小。分析了桶壁摩阻力和桶尖端承载力随埋深的变化关系式,提出了计算地基承载力的解析表达式。并通过试验数据验证解析式的准确度,结果两者误差均在15%以内,所提出的解析表达式适用于地基承载力的计算。

PVC塑料切缝管在聚能爆破中的应用

PVC塑料切缝管聚能爆破,是利用切缝的聚能效应改变炮孔内的能量分布,实现对岩石的切割作用,从而达到更好的爆炸效果。通过对其地面试验效果及井下巷道试验前后爆破的对比分析,明显看出PVC塑料切缝管聚能爆破取得了较好效果;为提高生产效率、降低生产成本提供了依据,并对其今后在煤矿生产中的广泛应用积累了经验。

砂土中陆地风电空心锥形基础水平承载力的影响因素分析

空心锥形基础是一种新型的陆地风电基础形式,其主控荷载为水平荷载和倾覆力矩。开展砂土中锥形基础水平单调加载模型试验,研究加载高度、加载速率和模型尺寸对基础水平承载力的影响,并对比分析相同质量和径高比的锥形基础与圆形基础的水平承载力大小。研究表明:锥形基础水平极限承载力随加载高度增加逐渐降低;加载速率对锥形基础的水平极限承载力影响较小;径高比和底板尺寸是影响锥形基础水平极限承载力的主要因素,当基础径高比为5.5时,锥形基础水平承载力最大;增大底板尺寸可有效控制基础水平侧移;基础失稳破坏形式为转动破坏;相同质量的锥形基础和圆形基础相比,锥形基础的水平承载力是圆形基础的1.1~1.2倍。

水平荷载下饱和软黏土中裙式吸力基础承载特性

海上风力资源的开发目前是世界各国关注的能源热点问题。裙式吸力基础能有效提高基础的水平承载力及显著控制所产生的水平位移,非常适合作为海上风电塔架的基础。针对裙式吸力基础在饱和软黏土中的水平受荷情况,采用数值分析的方法,讨论了不同裙尺寸对裙式吸力基础的水平承载力、周围土体变形、转动点位置的影响。研究发现:裙式吸力基础水平承载力比传统吸力基础有显著提高,且随裙高和裙宽的增大而增大;对比传统吸力基础,裙式吸力基础达到极限承载力时,对周围土体的影响范围更大,然而沿加载方向基础前侧土体隆起量明显小于传统吸力基础;增大裙高,基础达到极限承载力时转动点沿基础埋深发生上移。研究成果对作为风电塔架的裙式吸力基础设计具有一定参考价值。

相对密实度对沉贯中吸力基础桶壁–砂土界面力学特性的影响

吸力基础是一种系泊海洋浮动平台及固定海上风电塔架的基础形式。吸力基础在砂土中吸力贯入时,沉贯阻力主要由内外壁摩阻力组成。吸力基础沉贯过程中基础–土体界面力学特性决定侧壁摩阻力的大小。开展界面剪切试验,研究了相对密实度及沉贯深度对吸力基础–砂土界面沉贯过程中相互作用的影响。结果表明:吸力基础–砂土界面剪应力随剪切位移增加,呈现出软化特征;随砂土密实程度的增加,界面摩擦系数、界面峰值强度和相对应的剪切位移逐渐增大;但上述参数随沉贯深度的增加先减小后逐渐增大。研究工况条件下,界面摩擦系数量值处于0.2~0.34。根据试验结果,得到了不同沉贯深度处基础桶壁摩阻力,基础侧壁摩阻力–贯入深度之间关系可用指数函数表示;内外壁摩阻力随砂土密实程度增加逐渐增大,外壁摩阻力增长幅度较内壁摩阻力更加明显,外壁摩阻力最大值是相同沉贯深度处内壁摩阻力的2.1倍。界面剪切试验中,砂土发生明显挤出现象,砂土挤出主要发生在剪切初期,对应剪切位移较小,可用于揭示吸力基础沉贯过程中,由于桶壁贯入造成的砂土置换侧向挤出现象。界面剪切过程中砂土颗粒发生破碎,填充至砂土颗粒间孔隙中,导致土体试样高度下降,砂土呈现出“剪缩”现象。发现界面摩擦角与土体内摩擦角之比随土体密实程度的增加逐渐降低。研究内容有助于准确得到沉贯摩阻力和沉贯所需吸力,确保吸力基础沉贯至预定位置。

不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切特性研究

采用GDS界面剪切仪,开展不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切试验,研究了沉贯过程中基础沉贯速率对吸力基础-黏土界面剪切特性的影响,分析了不同剪切速率、不同沉贯深度下的界面剪切特性。试验结果表明,吸力基础-黏土界面的抗剪强度随着法向应力的增加而增大,但随着剪切速率的增加而减小;界面峰值强度对应的剪切位移均在1 mm以内,且随着法向应力的增加而增大;界面凝聚力与剪切速率呈正相关,界面摩擦角则相反。在沉贯速率1.0~1.2 cm/min范围内,界面凝聚力增加幅度最大。摩擦系数在0.27~0.34变化,且随着沉贯速率的减小而增大,随沉贯深度的增加呈现减小趋势。