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。

基于球形静力触探的嘉兴海域软黏土强度特性研究

针对海上风力机基础设计中的软黏土强度评价问题,通过在浙江嘉兴海域开展球形静力触探试验和室内试验,标定得到适合中国浙江嘉兴海域淤泥质粉质黏土的球形静力触探因子N_(ball)。采用固结快剪试验结果标定得到的N_(ball),DS范围为6.70~14.91,总平均值为10.58,标准值为10.91;采用三轴UU试验结果标定得到的N_(ball),UU范围为7.75~23.75,总平均值为17.44,标准值为19.03。采用标定得到的N_(ball)值可较好地解译嘉兴海域软黏土的强度,建议采用三轴UU试验结果标定得到的N_(ball),UU的标准值19.03作为强度下限值解译参数,采用固结快剪试验得到的N_(ball),DS的标准值10.91作为最优强度(中值)解译参数。

海床加固对海上风电单桩基础的动力特性影响

建立海上风电单桩基础浅层土体三维数值有限元模型,分析不同范围、不同形状海床加固方式,以及作用不同幅值、不同方向循环荷载单桩基础的累积变形、振动特性动力响应影响,为加固体应用于单桩桩周土体加固工程提供优化建议。结果表明:不同加固条件下,风力机一阶自振频率改变较为显著;加固后单桩基础相较于未加固单桩基础,在循环荷载作用下,单桩桩身位移、转角和内力响应极值均有所减小,泥面位移极值最多可降低81%;桩周土体剪应力与剪应变亦减小,随着循环次数增加,剪应变增幅减少,土体塑性区域变小。

黄海海域风电工程软弱海床强度CPTU原位解译方法

孔压静力触探试验(CPTU)是目前中国海上风电场工程勘察中应用最多的原位测试方法之一,其缺点在于土体参数无法直接获取,需要通过解译获得,而不同地区的解译参数存在场地特异性。该文依托黄海海域江苏某海上风电工程,开展室内三轴UU、固结快剪、三轴CU试验和原位CPTU,得到江苏海域的黏性土强度随深度的关系,可用于江苏海域黏性土强度的快速评估。基于修正剑桥模型和三轴CU试验得到江苏海域黏性土强度的理论计算公式。基于固结快剪和三轴试验结果得到江苏海域不同黏性土层强度的CPTU解译参数Nkt值的范围分别为11.93~19.99和8.45~16.68,建议采用固结快剪标定得到的Nkt总平均值14.44作为黏性土最优强度(中值)的解译参数。最终建立CPTU孔压比Bq和Nkt的关系,采用建立的Nkt与Bq的关系可较好解译黄海海域黏性土的不排水抗剪强度su,通过标定建立Nkt-Bq关系的方法也可应用于其他海洋岩土工程项目中。

基于孔压静力触探的杭州湾海域软黏土强度解译参数研究

我国海域广泛分布有低强度软黏土,其工程特性评价将直接影响风机基础设计和安全运行。孔压静力触探是目前海洋勘察中使用最多的原位测试手段,其优点在于对土体扰动小,缺点在于需要通过解译获取土体参数,而不同地区的解译参数往往存在场地特异性。依托浙江杭州湾嘉兴海域某海上风电工程,开展了室内试验和原位孔压静力触探试验(piezoncone penetration test,简称CPTU),标定得到了适合我国浙江杭州湾海域的淤泥质粉质黏土的CPTU锥尖因子N_(kt)范围为14.15~30.18,总平均值为20.25。标定结果显示杭州湾海域淤泥质粉质黏土锥尖因子N_(kt)与孔压比B_(q)呈现负相关性,而与含水率w、孔隙比e、液限w_(L)、塑限w_(p)、塑性指数I_(p)呈现正相关性,并得到了N_(kt)与孔压比B_(q)和塑性指数I_(p)的多元回归分析公式。将建立的N_(kt)关系式应用于临近平湖海域的风电场工程中,结果显示采用含水率w、孔隙比e与锥尖因子N_(kt)的关系式以及孔压比B_(q)和塑性指数I_(p)的多元回归分析公式,可以较好地解译杭州湾海域软黏土的强度,不仅适用于淤泥质粉质黏土地层,还可以应用于淤泥质黏土和粉质黏土地层,具有较好的场地适用性。

台州滨海软黏土强度特性室内外联合标定

我国滨海地区广泛分布有低强度、高压缩性软黏土,其工程特性评价对工程建设影响极大。孔压静力触探(CPTU)对土体扰动小,是目前最常用的原位测试方法之一。但是CPTU测试成果需要通过解译才可实现对土体力学特性的评价,不同地区存在地区特异性。针对台州滨海地区深厚软黏土场地,开展了孔压静力触探试验和室内试验,系统地研究了台州滨海软黏土的强度特征。基于重塑台州软黏土固结快剪试验,得到了台州软黏土的归一化强度与超固结比(OCR)的关系式,其应力历史及归一化土工程特性(SHANSEP)法经验系数a为0.226,经验系数b为0.761;标定得到了台州软黏土的CPTU触探因子Nkt的范围为10.23~16.88,总平均值为14.08;基于SHANSEP公式和Nkt法解译得到的土体不排水抗剪强度su,获取了台州软黏土的原位超固结比OCR连续剖面;并标定得到了不同地层的OCR解译经验系数k的范围为0.315~0.570,建议采用k=0.33对台州软黏土超固结比OCR进行解译。

考虑初始嵌入深度变异性的海底管道整体侧向屈曲分析

海底管道是海洋油气工程的重要组成部分,在高温高压运行状态下易发生整体屈曲,开裂破坏后造成油气泄露。海床土体对管道的侧向抗力是影响其屈曲的关键因素,而管道侧向抗力发挥与初始嵌入深度密切相关。构建了海底管道整体屈曲数值模型,对初始嵌入深度等因素进行不确定性分析,揭示了初始嵌入深度变异性对管道屈曲的影响机制。研究发现:当初始嵌入深度越大、初始缺陷越小时,管道临界屈曲轴力越大,屈曲位移越小;管道嵌入深度变异性的存在会导致管道更易屈曲,并诱发不对称的三阶屈曲或更高阶屈曲;管道嵌入深度在空间上的变异性对屈曲发生概率P(p<p_(det))存在影响,而相关性的改变对管道屈曲影响较小;管道存在屈曲模式转变界限升温,当屈曲升温大于界限升温时,管道发生跳跃型屈曲,反之则发生分岔型屈曲。

地震⁃高铁荷载共同作用下分层地基震动规律

为研究地震期间高速列车运行引起的地基震动规律,基于等效荷载法推导了频域内地震荷载输入公式,采用等效线性化方法考虑地基土非线性特性,结合高铁荷载下地基振动2.5维有限元计算方法,建立了地震⁃高铁荷载共同作用下非线性分层地基2.5维有限元模型,计算分析了车速及地基软硬对两动荷载共同作用下分层地基震动影响。结果表明:地震⁃高铁荷载引起的轨道中心处地面震动位移随车速的增大而增大;车速相同时轨道中心处地面震动位移随地基土刚度的增大而减小。地震和高铁荷载共同作用时地基震动会产生低频放大效应,车速越高、地基越软时地基低频震动放大效应越明显;两动载共同作用引起的地基中高频震动主要受列车荷载影响。近轨道中心处,地面震动主要受地震和高铁荷载共同作用影响;距轨道中心较远处,地面震动主要受地震荷载影响,高铁荷载的影响较小。

近海含气黏土力学特性试验研究——以嘉兴1号海上风电场为例

海洋细粒沉积物中含有相对较大的生物气气泡,初始水深影响气泡存在状态,进而影响含气土强度,导致土体的强度可能增大也可能减小。对嘉兴1号海上风电场现场取土进行重塑,开展一系列不排水三轴剪切试验,旨在比较具有相同固结压力但初始孔隙水压力(与水深有关)不同条件下的含气土的剪切特性。研究发现改变初始孔隙压力,含气土表现出不同的不排水抗剪强度,含气土试样中由剪切引起的超孔隙压力大小取决于初始水深,其可低于具有相同固结压力下的饱和试样(由于在低初始孔隙压力下部分孔隙水进入到相对较大的气泡),或高于饱和试样(与高初始孔隙压力下相对较小的气泡破裂有关)。因此,在相对较低的初始孔隙压力条件下,气泡的存在有利于增加土体的不排水抗剪强度,反之则会降低土体的不排水抗剪强度。但重塑含气土的临界应力比不受初始孔隙水压力的影响。

管道热屈曲动力过程数值模拟

运输高温高压油气的海底管道会发生整体热屈曲现象。管道热屈曲过程中可能会产生平衡状态的跃迁(snapthrough),且这样的跃迁过程必然会伴随着动力响应。管道热屈曲动力过程中侧向弹出的速度以及轴向缩进的速度对管土相互作用参数的取值有很大影响,然而关于管道热屈曲动力过程的研究却很少。本文给出了数值模拟过程中管道系统阻尼值和升温速率的确定方法,研究了管道初始几何缺陷以及海床参数对管道热屈曲动力过程的影响。

基于CPTU的地质参数分析及其在海上风电场的应用

[目的]海上工程勘察中钻孔取样的扰动较大,易造成室内土工试验的可靠性不足。孔压静力触探(CPTU)在海上原位测试中具有独特的优势,在国际国内获得了广泛应用。[方法]为此,分析了国内外基于CPTU测试结果的地层划分和土体参数的分析方法,并对土体参数分析公式的适用性进行了评价。在此基础上,将国际上普遍采用的分析方法应用于我国海上风电场工程。[结果]结果表明:国外的经验参数可能高估土体的某些参数,需结合我国海域地层的区域性特征进行进一步研究。[结论]针对江苏、浙江和福建海域等区域性土,通过模型试验和多种手段原位测试的对比,对经验公式进行验证或改进,并对经验参数进行标定是可行的,可为我国海上风电场工程应用提供指导。

高压旋喷桩加固沿海滩涂风电场高灵敏软土地基原位试验研究

针对高压旋喷桩处理舟山某风电场高灵敏软土地基的工程实例,结合地表沉降、分层沉降、深层沉降和孔隙水压力变化,注浆前后场地承载力等,讨论高压旋喷桩处理高灵敏软土地基的加固效果。测试结果表明:高灵敏软土地基条件下,由于下卧层土体扰动以及负摩阻力,沉降主要发生在旋喷桩处理范围以下,占总沉降的90%。

吸力式桶形基础负压安装的渗流侵蚀过程研究

针对吸力式桶形基础负压安装渗流侵蚀效应,建立轴对称坐标下吸力桶在砂性土中负压沉贯的数值模型,应用包含土骨架、流体和液化土颗粒的三相耦合模型描述海床土体,计算负压作用下海床的渗流场分布,并模拟负压引起的渗流侵蚀过程。渗流侵蚀可改变不同区域土体的渗透率,进而引起水力梯度从内侧向外侧转移。基于孔隙水压力场的重新分布,揭示出负压安装的“安全机制”,并对安装临界吸力的变化进行评价,从而为吸力桶的安装提供工程建议。

考虑法向刚度影响的钙质砂-钢界面剪切试验研究

海洋环境中沉积的钙质砂与常规陆源砂的物理力学性质差异显著。本文基于自主研发的多功能界面剪切设备,开展了一系列砂-钢界面剪切试验,着重分析了法向刚度、砂土类型对砂-钢界面单向剪切行为的影响,并进行了不同法向刚度下的钙质砂-钢界面循环剪切试验。试验结果表明,界面表观黏聚力c、摩擦角δ随法向刚度K的增加分别表现出增加、减小的趋势;与石英砂相比,钙质砂形状更加不规则,颗粒咬合效应明显,钙质砂-钢界面摩擦角、表观黏聚力均高于石英砂-钢界面;石英砂-钢界面表现出明显的剪缩,而钙质砂-钢界面多表现为剪胀。法向刚度K主要通过影响竖向应力进而影响钙质砂-钢界面剪切行为。法向刚度越大,法向应力随循环次数衰减越快,界面强度弱化越显著。本文研究厘清了法向刚度对钙质砂-钢界面剪切特性的影响机制,可为南海岛礁地层基础设计提供必要的参考。

基于离散元法的温度静力触探贯入与传热研究

温度静力触探是一种新型原位测试方法,可同时获取土体的力学和热学参数,为浅层地温能资源勘查提供技术保障。为研究温度静力触探的贯入与传热机理,通过离散元数值模拟实现了离散元模型的建立和试样的力学和热学参数标定。研究分析了贯入过程中的贯入阻力变化、土体应力场、位移场及位移路径;获得了加热-散热过程中探头加热段与隔热段的温度响应规律以及土体温度场演化,并与室内模型试验进行了对比分析。采集的温度变化曲线通过数据解译反演得到了土体的导热系数,为温度静力触探的贯入-传热机理研究及工程应用奠定了理论依据。研究结果表明:贯入过程中,贯入阻力随深度的增加而增加,且土体颗粒位移范围在距锥身B/2内;传热过程中,探头加热60 s,加热段实现了5.5℃的升温;在加热和散热的初期,探头的温度变化最快,与实验结果相同;利用探头散热温度所反演导热系数为0.330 W/(m·K),误差为6.5%,优于加热数据反演结果。

海洋工程勘探装备与勘察关键技术研究及应用

建设海洋强国是国家重大战略任务,近十年来,海洋生产总值增长60%,海洋生产总值占GDP总量比重在全国达到9%,2030年海洋生产总值占GDP总量比重在全国将超过15%.此外,国家"十四五"可再生能源发展规划明确指出,要有序推进海上风电基地建设、稳步发展潮汐能发电、开展潮流能和波浪能示范、探索开发海岛可再生能源,开发海洋产业也是实现"十四五"可再生能源发展规划和实现"双碳"目标的重要举措.海洋工程建设是海洋经济的重要组成,海洋工程相关的生产总值占海洋生产总值的15%左右,海洋新能源工程、跨海通道、海洋牧场、海洋堤坝等海洋工程前景广阔.但是,以往海洋工程勘察存在一些重大的问题,包括勘探装备适用性差、效率低、安全性能不足、成本高;勘察方法单一且适用性差,造成勘察精度不足;工程地质没有系统的评价体系、场地地基和参数评价针对性差,导致评价结果误差较大.这些问题都会影响海洋工程的安全性、可靠性和经济性,甚至造成桩基溜桩、突涌水涌泥、地基长期沉降、堤坝失稳等海洋工程事故.因此,进行海洋工程勘察的系统研究和总结十分必要.

基于CPTU的江浙海上风电工程土体压缩模量解译方法

针对浙江嘉兴和江苏盐城某海上风电工程,开展室内固结试验和孔压静力触探(CPTU)试验,采用线性、指数和对数3种模型建立考虑土体原位有效应力状态压缩模量Es与修正锥尖阻力q_(t)的关系。研究结果显示,考虑原位有效应力的Es与修正锥尖阻力q_(t)的相关性远高于100~200 kPa固结压力段对应的压缩模量E_(s1-2)与q_(t)的相关性,采用线性模型得到的黏性土压缩模量E_(s)与q_(t)之间的关系更加可靠,嘉兴与盐城海域黏性土经验系数α分别为1.820和3.315;两海域砂土的压缩模量E_(s)与q_(t)之间并无明显的相关性,结果显示两海域砂土的压缩模量E_(s)均存在下限值10 MPa。

不排水升温条件下黏性土孔压响应

核废料的埋置和能源桩的使用都会升高地基土的温度,改变土的力学性能(特别是强度、刚度),造成高温结构周围地基土的额外变形、甚至失稳。以往的相关研究主要揭示排水升温(慢速升温)对土体力学性能的影响,而很少考虑实际工程中经常遇到的不排水升温(快速升温)对地基土的影响。基于理论和试验,对黏性土在不排水升温过程中的孔压响应进行了研究。在理论研究方面,基于临界状态土力学框架,推导了黏土温度与孔压的关系。同时在GDS三轴仪中增设温控仪,对2种黏土(紫金港黏土、马来西亚高岭土)不排水升温的孔压响应进行实验研究。实验结果显示,不排水升温作用下,正常固结土和超固结黏土中均产生正的超孔压。超孔压随温度的升高而增大,但随土体超固结比的增大而减小。对于正常固结土,在20℃~55℃范围,每升高10℃,土体有效应力约减小10%。当超固结比大于10后,不排水升温引起的超孔压几乎可以忽略。通过公式计算得到的黏土温度与孔压的关系与实验结果对比较好,验证了公式的可行性。