考虑地下水位影响的碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输试验研究

关于碱渣土地基环境下钢筋混凝土结构耐久性问题,尚未见相关研究成果,是有待研究的课题。为探究碱渣土地基混凝土内氯离子传输规律,本工作模拟真实碱渣土地基及地下水侵蚀环境,设计了三种地下水位-0.2 m、-0.5 m、-0.8 m,开展半埋于碱渣土地基的混凝土氯离子自然扩散试验,探究不同地下水位环境下混凝土地表吸附区及地下区域的氯离子分布规律。结果表明,地表吸附区由于其蒸发浓缩及毛细作用,氯离子浓度高于地下区域。氯离子浓度随地下水位的变化呈现较大差异,地表吸附区氯离子浓度随地下水位的升高呈下降趋势,地下区域地下水位的影响主要体现在试件与水位的相对位置,地下水位以下区域氯离子浓度高于地下水位以上区域。在此基础上,探究碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输机理,基于Fick第二定律定量研究了地下水位对表面氯离子浓度及扩散系数的影响,建立考虑地下水位影响的氯离子传输时变模型,通过与实测结果对比印证了模型的正确性,本模型可为实际工程中定量评估不同碱渣土侵蚀环境下混凝土内氯离子浓度以及服役寿命预测提供技术支持。

水位变动区硫酸根侵蚀对混凝土氯离子传输影响试验研究

海洋环境水位变动区是氯离子和硫酸根离子侵蚀最严重的区域,氯离子主要破坏钢筋钝化膜引起钢筋锈蚀,硫酸根离子侵蚀除导致混凝土物理力学性能劣化外,还对氯离子在混凝土中的传输产生影响。目前针对硫酸根离子对氯离子传输影响的研究主要采用将试件浸泡在侵蚀溶液中的方式,不能反应耐久性问题更为严重的海洋水位变动区混凝土内离子传输规律。文章采用自主研制的潮汐循环模拟系统,开展了海洋环境水位变动区单一氯离子和氯离子-硫酸根离子耦合环境下氯离子传输特性物理试验,研究了硫酸根离子侵蚀对混凝土中氯离子传输规律的影响,给出了混凝土表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数的时变公式,建立了海洋环境水位变动区考虑硫酸根离子侵蚀效应的氯离子扩散模型。结果表明,早期由于硫酸根离子侵蚀在混凝土中生成石膏和钙矾石的填充作用,阻碍了氯离子在混凝土中的传输,使混凝土中氯离子浓度降低。

TA/SiO_(2)疏水涂层及其对混凝土抗侵蚀性能的影响

基于贻贝仿生原理,成功制备了单宁酸(TA)/SiO_(2)疏水涂层,通过设置22组工艺组合,综合水接触角、电通量和表面微观结构,得到了涂层的最优制备工艺.针对最优制备工艺涂层,通过自然扩散试验研究了其对混凝土抗离子渗透性能的影响,并采用磨耗和酸碱腐蚀试验研究了涂层稳定性.结果表明,TA/SiO_(2)疏水涂层表面具有丰富的微纳米结构,水接触角达148.1°,至少能够减少75.31%的离子渗透进入混凝土,且稳定性优良.

梁板式高桩码头结构整体可靠度计算方法

在环境条件和使用荷载作用下，高桩码头结构损伤和承载力降低是普遍存在的问题。在役梁板式高桩码头结构安全评估，是保证港口设施安全运行的必要措施。结构整体可靠度是结构安全评估的核心指标，但目前尚未建立结构整体可靠度计算的有效方法。基于非线性有限元数值模型，采用蒙特卡罗模拟技术确定了典型梁板式高桩码头结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数，研究了损伤位置、损伤程度和损伤数量等对极限承载力概率分布及其统计参数的影响，明确了无损结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数可用于损伤结构分析。将结构整体极限承载力作为结构抗力随机变量，采用一次二阶矩法计算结构的可靠指标，建立了一种在役梁板式高桩码头结构整体可靠度计算的有效方法。

沉入式大圆筒码头结构稳定性的有限元分析方法

基于有限元软件ABAQUS建立分析沉入式大圆筒码头稳定性的三维弹塑性有限元模型,采用弹性模型模拟大圆筒结构,采用Coulomb-Mohr屈服准则建立土体的本构关系模型,在圆筒与土体之间设置接触面单元模拟圆筒与土体的滑移、张裂和闭合,接触面的切向采用库仑摩擦本构关系模型、法向采用硬接触的方式。通过定义沉入式大圆筒码头稳定性判别准则和加载系数,提出根据加载系数—位移曲线判别结构稳定性的方法。针对某沉入式大圆筒码头工程的结构方案,采用有限元法计算码头结构的稳定性,分析不同土性指标对码头结构稳定性的影响,计算结果表明采用有限元方法分析沉入式大圆筒码头结构的稳定性是可行的。

格型钢板桩结构有限元数值分析

以有限元软件ABAQUS作为分析平台,建立波浪荷载作用下格型钢板桩结构稳定性及应力分析的三维弹塑性有限元分析模型。格型钢板桩采用壳体单元模拟,在相邻板桩之间设置铰接连接器模拟板桩之间的相对转动;土体采用Mohr-Coulomb本构模型模拟,在格型钢板桩与其内、外土体之间设置接触面单元模拟它们之间的滑移、张裂和闭合。结合某实际工程,研究结构的破坏模式、失稳特性和应力分布特性,分析参数变化对结构稳定性和环向拉力的影响,并对格内土体的剪切变形进行分析,建议格型钢板桩锁口拉力的验算断面。结果表明,铰接连接器的设置对于结构稳定性影响不大,但对环向拉力有一定影响;格内土体的剪切变形主要发生在格体中轴处,符合太沙基法结论。

离岸深水全直桩码头承载特性与简化计算方法

全直桩码头是一种新型高桩码头结构型式,在离岸深水海域得到越来越广泛的应用。该结构的承载机理、破坏模式及设计计算方法等与传统高桩码头结构存在较大差异,目前研究尚不完善。采用ABAQUS建立全直桩码头结构–地基相互作用三维弹塑性有限元模型,研究水平荷载作用下码头的承载变形特性及破坏模式。明确了对于水平荷载作用下的离岸深水全直桩码头,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用。在此基础上,采用经典的P–y曲线,建立了全直桩码头水平向承载力简化计算方法。该方法可以计算出桩身任意位置的内力及变形,且适于大、小位移情况。并提出了以"塑性铰"作为简化计算方法中水平极限承载力的判断标准。通过与有限元计算结果进行对比,验证了所建立简化计算方法的正确性。

软土地基上新型港工结构及其相关问题研究

在我国渤海湾沿岸、连云港以南苏北沿海、长江口、杭州湾、闽江口、韩江口、珠江口和海南岛西北部等很多沿海地区,广泛分布着软弱土地基。为适应深水、软土地基条件,近些年来研究开发了一些新型港口海岸工程结构,主要可分为轻型重力式结构、筒型基础结构、深水全直桩结构和导管-桩基结构等几类。论文给出了模拟这些结构力学特性的有限元数值模型,提出了结构极限承载力分析的加载系数法、土体强度折减法及相关简化计算方法,分析了各类结构的承载特性及其破坏模式,建议了有待进一步研究的问题。

沉入式大圆筒码头稳定性有限元强度折减法分析

由于作用荷载复杂,沉入式大圆筒码头结构设计计算需要考虑不利情况下的各种荷载组合,难以应用现有的有限元加载系数法进行稳定性分析。有限元强度折减法目前已广泛应用于土体边坡稳定性分析。沉入式大圆筒结构的抗滑、抗倾稳定性是靠地基土的嵌固作用来维持的,可通过弱化土体强度来实现对结构极限破坏状态的模拟。在此假设基础上,建立沉入式大圆筒码头稳定性分析的有限元强度折减法。结合某工程实例,利用有限元强度折减法分析沉入式大圆筒码头结构的稳定性。强度折减法只需对土体的强度进行弱化,操作方便,克服了加载系数法的缺点,适用于码头等作用荷载复杂的结构物稳定性分析。

Application of Importance Sampling Method in Sliding Failure Simulation of Caisson Breakwaters

It is assumed that the storm wave takes place once a year during the design period, and Nhistories of storm waves are generated on the basis of wave spectrum corresponding to the N-year design period. The responses of the breakwater to the N histories of storm waves in the N-year design period are calculated by mass-spring-dashpot mode and taken as a set of samples. The failure probability of caisson breakwaters during the design period of N years is obtained by the statistical analysis of many sets of samples. It is the key issue to improve the efficiency of the common Monte Carlo simulation method in the failure probability estimation of caisson breakwaters in the complete life cycle. In this paper, the kernel method of importance sampling, which can greatly increase the efficiency of failure probability calculation of caisson breakwaters, is proposed to estimate the failure probability of caisson breakwaters in the complete life cycle. The effectiveness of the kernel method is investigated by an example. It is indicated that the calculation efficiency of the kernel method is over 10 times the common Monte Carlo simulation method.

Dynamic Stability Analysis of Caisson Breakwater in Lifetime Considering the Annual Frequency of Severe Storm

In the dynamic stability analysis of a caisson breakwater, most of current studies pay attention to the motion characteristics of caisson breakwaters under a single periodical breaking wave excitation. And in the lifetime stability analysis of caisson breakwater, it is assumed that the caisson breakwater suffers storm wave excitation once annually in the design lifetime. However, the number of annual severe storm occurrence is a random variable. In this paper, a series of random waves are generated by the Wen Sheng-chang wave spectrum, and the histories of successive and long-term random wave forces are built up by using the improved Goda wave force model. It is assumed that the number of annual severe storm occurrence is in the Poisson distribution over the 50-year design lifetime, and the history of random wave excitation is generated for each storm by the wave spectrum. The response histories of the caisson breakwater to the random waves over 50-year design lifetime are calculated and taken as a set of samples. On the basis of the Monte Carlo simulation technique, a large number of samples can be obtained, and the probability assessment of the safety of the breakwater during the complete design lifetime is obtained by statistical analysis of a large number of samples. Finally, the procedure of probability assessment of the breakwater safety is illustrated by an example.

Numerical Analyses of Caisson Breakwaters on Soft Foundations Under Wave Cyclic Loading

A caisson breakwater is built on soft foundations after replacing the upper soft layer with sand. This paper presents a dynamic finite element method to investigate the strength degradation and associated pore pressure development of the intercalated soft layer under wave cyclic loading. By combining the undrained shear strength with the empirical formula of overconsolidation clay produced by unloading and the development model of pore pressure, the dynamic degradation law that describes the undrained shear strength as a function of cycle number and stress level is derived. Based on the proposed dynamic degradation law and M-C yield criterion, a dynamic finite element method is numerically implemented to predict changes in undrained shear strength of the intercalated soft layer by using the general-purpose FEM software ABAQUS, and the accuracy of the method is verified. The effects of cycle number and amplitude of the wave force on the degradation of the undrained shear strength of the intercalated soft layer and the associated excess pore pressure response are investigated by analyzing an overall distribution and three typical sections underneath the breakwater. By comparing the undrained shear strength distributions obtained by the static method and the quasi-static method with the undrained shear strength distributions obtained by the dynamic finite element method in the three typical sections, the superiority of the dynamic finite element method in predicting changes in undrained shear strength is demonstrated.

矿物掺合料混凝土的性能与环境效益综合评价方法

混凝土是建筑工程和海岸工程中使用量最大、应用范围最广的建筑材料。将矿物掺合料作为辅助胶凝材料加入混凝土中,既能废物利用提高环境效益,还可以提升混凝土的部分性能。为准确评估矿物掺合料混凝土安全性、耐久性和环境友好性,提出了一种矿物掺合料混凝土综合评价方法。基于环境影响生命周期评估(LCA)理论,通过实景数据与资料调研建立了粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、煤矸石粉、赤泥、玻璃粉5种矿物掺合料的环境影响清单和矿物掺合料混凝土对于7种环境影响指标的计算方法。采用社会支付意愿法(WTP),以环境保护税、资源税为框架,将不同环境影响指标统一货币化,并结合混凝土的强度和耐久性指标提出矿物掺合料混凝土的性能与环境效益综合评价方法,以期为发展环境友好高性能混凝土提供定量评价依据。