温度应力路径对原状海洋土强度特性影响研究

室内温度和海底原位温度的差异导致传统测量所得海洋土物理力学参数存在一定差异。基于温控三轴仪,对我国南海原状海洋土进行了固结不排水剪切试验,实测了海洋土体变、强度、孔压以及模量的变化,探讨温度、温度循环、围压、超固结比等因素对原状海洋土力学性质的影响规律。试验结果表明:升温梯度增大会使正常固结海洋土热固结程度增大,其对应的排水体积和强度也增大;升温对超固结海洋土的排水体积具有增强作用,而温度降低了海洋土的强度;温度循环作用对超固结海洋土的排水体积具有增强作用,其对应的强度也增大;本文试验条件下,当OCR=1时,海洋土25℃下不排水抗剪强度测量结果比5℃下测量结果提高8.0%;当OCR=4时,海洋土25℃下不排水抗剪强度测量结果比5℃下测量结果降低1.9%;经过温度循环5℃—45℃—5℃后的抗剪强度比5℃提高了11.9%;4次或10次温度循环后分别提高了13.8%和17.8%。

基于固废制备人造石颗粒材料耐久性试验

以玄武岩石粉、电石渣、脱硫石膏固体废弃物为原料,利用水热固化技术,制备玄武岩石粉人造石颗粒材料,探讨基于固废制备玄武岩石粉人造石颗粒材料的耐久性。通过开展耐水、耐酸和冻融循环试验,结合SEM微观表征,以质量损失率和强度损失率为评价指标,对人造石颗粒材料在不同原料钙硅比(Ca/Si)条件下的耐久性进行分析。试验结果表明:人造石颗粒材料整体耐水性能良好,增大原料Ca/Si,有利于提高人造石颗粒材料的耐水性,当Ca/Si达到1.0时,其软化系数可达0.894;酸蚀可导致人造石颗粒材料质量损失与强度损失,增大原料Ca/Si可提高人造石颗粒材料的耐酸腐蚀性能;冻融循环会使人造石颗粒材料内部会产生裂隙,从而导致其强度下降,当Ca/Si为0.9和1.0时,人造石颗粒材料强度损失率最小,仅为18.7%,其抗冻融性能相对最佳。

基于OBE理念的海洋工程地质虚实结合实训教学探索

海洋工程地质是土木工程、地质工程等本科专业基础课,探索课程的实训与实践教学体系是新工科建设和“一流学科”建设的重要内涵之一。基于成果导向教育(OBE)理念,按照“学生为本、目标导向”的教学思路,开展“反向设计、正向实施”和“虚实结合”等教学模式改革与创新。以工程单位对该专业毕业生的需求为目标导向,重新设计海洋工程地质的课程目标与内容设置、教学形式与方法,以及多元化能力考核与评价等环节,校企合作、协同发展,提高教学质量、激发学生创新创业能力,共建海洋工程地质实践基地的新模式。

基于COMSOL的非饱和土中单桩垂直动力特性研究

浅层地表存在大量的非饱和土,其动力特性与饱和介质或单相介质相比存在明显的差异,而这部分非饱和土常常是与单桩接触的主要材料,对单桩的动力行为影响显著。该文考虑动力受荷单桩周边土体的非饱和特性,基于非饱和多孔弹性介质的波动方程、单桩运动方程与边界条件,利用多物理仿真软件COMSOL中的偏微分方程模块构建了非饱和土与单桩动力相互作用的数学模型,并考虑土的成层性、横观各向同性和纵向非均质性。在与现有文献对比验证COMSOL模型正确性后,设计多组数值算例,讨论土体饱和度、地层非均质性等因素对单桩垂直动力阻抗的影响。

冬季运行能量桩热力响应及系统性能监测与评价

以湖北宜昌地区25 m~2的建筑房间冬季供暖需求为应用场景,构建由能量桩、集分水器、热泵机组、循环水泵等组成的地源热泵系统,分析建筑房间实际冬季供暖需求条件下,能量桩系统持续或间歇运行对能量桩热力响应及系统性能的影响规律,并开展传统钻孔埋管地源热泵系统试验和空气源热泵系统试验进行对比分析。着重探讨实际运行条件下能量桩热力响应特性与传统TPT或TRT试验条件下获得结果之间的异同点,监测能量桩系统的供暖效果、能效比(COP)。持续运行试验对应桩顶出现最大温度降低值3.78℃及最大约束拉应力0.70 MPa(约为完全约束应力上限值的57.5%),运行桩较非运行对角桩对应承台部位产生的实测应变值差值在顶部和底部分别为19.98,17.78με。实测能量桩系统COP约为3.03,较相关空气源热泵系统提高约12.2%~21.2%(规范参考COP为2.50~2.70)。能量桩系统较常规空气源热泵系统,能提前约2.5 h到达预设温度,具有更快的启动速度。

温度与荷载联合作用下能源锚杆的热力响应特性数值模拟研究

能源锚杆是一种由地源热泵技术与支护锚杆相结合的建筑节能减碳新技术.然而,目前针对温度影响下锚杆的热力响应机理尚不清楚.基于多场耦合数值模拟方法,探讨温度、锚杆线膨胀系数、锚杆直径、土体导热系数及荷载等因素对能源锚杆热-力特性的影响.研究结果表明:常温锚杆受拉时,锚头位移随荷载的增大而增加;温度下降15℃时,锚头平均位移较常温锚杆降低-1.34 mm(约为锚杆直径的1.0%);温度上升15℃时,锚头平均位移较常温锚杆增加0.89mm(约为锚杆直径的0.68%);换热过程中,锚杆温度的升高会引起杆体轴力的减小;在同一加热温度和荷载条件下,锚头位移随着锚杆的线膨胀系数增大而增大,锚杆轴力随着锚杆的线膨胀系数增大而减小;锚杆直径的增大会导致锚头位移的减小.试验结果对能源锚杆的设计和施工提供了一定的参考和依据.

玄武岩粉末-电石渣-脱硫石膏水热固化机理分析

以玄武岩粉末-电石渣固体废弃物凝胶体系为主料,掺入脱硫石膏,利用水热固化技术制备了人造石颗粒材料,分析了不同水热固化温度、水热固化时间、钙硅比对人造石颗粒强度及物相变化规律的影响.结果表明:人造石颗粒的抗压强度高于30 MPa,电石渣可替代消石灰;人造石颗粒的最佳制配方案为钙硅比0.9、温度200℃、时间12 h以及脱硫石膏添加量约5%.

冻融循环下粉砂中螺旋锚抗拔稳定模型试验研究

目前螺旋锚基础在寒区电力工程中得到初步应用,然而季冻区螺旋锚的冻拔稳定性研究有限,尤其缺少针对输电线路基础受力工况的冻融循环试验研究。因此,针对粉砂中螺旋锚冻拔性能进行了室内封闭系统单向冻融循环模型试验,探讨锚几何尺寸、锚顶约束条件、冻融循环次数及冻结边界温度对螺旋锚冻拔位移发展规律的影响。结果表明,锚盘埋于冻深线以下时,冻拔位移量与锚的抗拔承载力基本相关,未冻土中锚的上拔承载力越大,其冻拔位移越小;承载力相近时,锚盘间距小对抗冻拔有利。锚顶自由时,升温锚顶位移部分恢复;而锚顶作用上拔荷载时,升温过程中上拔位移仍持续发展。大盘径锚和小间距多盘锚抗冻拔效果好,在第3次冻融循环后位移增量趋于稳定。在封闭系统下,相同的冻结时间,冻结边界温度降低会增大锚杆切向冻拔力,从而加剧冻拔位移的发展。所得结论可为季冻区螺旋锚基础设计提供一定参考。

倾斜拉拔荷载下锚桩承载性能及桩周位移场可视化离心模型试验

单点系泊系统作为一种新型锚固系统获得越来越多的应用,然而倾斜拉拔荷载下单点系泊锚桩的承载性能及桩周土体变形机理尚不明确。基于人工合成透明土材料搭建了可视化离心模型试验系统,对倾斜拉拔荷载下锚桩的力学响应展开离心模型试验,探讨加载角度对锚桩承载力、失效模式和桩周土位移场的影响规律,并与1g条件下透明土模型试验结果进行定性的对比分析。研究结果表明,开展的基于透明砂土的离心模型试验,可以用于评估现场应力状态下锚桩的承载特性与失效机理、土体内部位移场;桩周土体的位移量沿深度方向差别相对较为明显,锚眼附近的土体位移相对较大;1g条件下土体位移场无法合理反映位移沿桩身方向的变化规律,极限荷载下桩侧土体的变形量小于离心模型试验中的土体变形量。

硬壳层对管桩复合地基桩-土应力比的影响

为研究就地固化硬壳层对预应力管桩复合地基桩-土应力比的影响,以绍兴钱滨线泥浆池路段为背景,开展现场试验和数值模拟分析,研究路堤荷载作用下预应力管桩复合地基的受力和变形;从桩-土应力比的角度,着重探讨硬壳层对桩基复合地基承载性能的影响规律;分析路堤高度与桩帽净间距之比、桩帽宽度与桩帽净间距之比等设计参数对桩-土应力比发展的影响机制.研究结果表明:硬壳层的存在能够有效提高桩基复合地基的承载特性;在本文试验条件下,就地固化硬壳层的预应力管桩复合地基最大水平位移发生在地表以下5~6 m处,区别于传统桩基复合地基的土体水平位移沿深度逐渐降低的规律;桩-土应力比在23~37,高于传统桩基复合地基.

土木、水利与海洋工程专业工程地质课程思政设计与教学实践

“守好一段渠、种好责任田”,使各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应,是目前高校思想政治教育的重要内容。工程地质课是土木、水利与海洋工程类本科专业基础课,结合课程教学内容与特点,分析了融入课程思政的必要性和迫切性。依托课程知识点挖掘并设计相关思政元素,通过开展实践教学,推进了工程地质一流本科课程建设,研究结果可为土木、水利与海洋类专业的课程思政教学和工作提供借鉴与参考价值。

基于“挖掘-融合-协同-引领”原则的“工程地质”课程思政设计与实践

课程思政是“三全育人”的重要载体,专业课程中巧妙融入思政元素是课程思政建设的关键。结合新时代中国特色社会主义的特点,构建“工程地质”课程思政体系,提出哲学思维、科学精神、人文素养、家国情怀、法治意识等方面的思政元素,并结合土木类专业“工程地质”课程开展了实例分析,以达到知识传授、价值塑造和能力培养的育人目标。通过教学实践强化土木类专业侧重培养学生的大国工匠精神,激发学生科技报国的责任感和使命担当。

一种能量桩热泵系统原理演示的科普教具设计与实践

为直观地展示能量桩热泵系统各个组件间的连接,及系统在供暖制冷不同工况下的运行原理。将热泵系统各个组件简化为常见模型,用灯带及其运动方向展示水流的循环流动,共同拼装为能量桩热泵系统的沙盘模型;同时,对于系统动态的原理演示,采用电子元件结合电路连接的形式进行等效展示。二者结合得到一种能量桩热泵系统原理演示的科普教具。该教具可作为《地基处理技术》《基础工程》等本科课程教学内容的重要拓展,寓教于乐,更好实现技术科普和课程思政。

高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验

高原地区高海拔、大温差和低气压的特殊环境,会导致早龄期混凝土水化热问题区别于其他地区。目前,针对减小高原地区早龄期混凝土水化热温差、加快高原地区混凝土水化热消散机理尚不清楚。通过在桩基混凝土结构中埋设换热管,建立循环换热系统,开展高原地区桥梁桩基早龄期混凝土水化热消散现场试验。实测桩基混凝土的水化热温度和热致应变变化,获得埋管式循环系统对桩身水化热温度场和应力场的规律,并初步探讨与其他地区的差异性。研究结果表明:本文试验条件下,通过水泵、循环水管、水箱等设备组成的埋管式循环系统可以用于加快高原地区早龄期混凝土的水化热消散以及减小高原地区早龄期混凝土温差;与桩-土之间的热传导相比,埋管式循环系统能够加速混凝土的水化热消散进程,通过循环管中的换热介质将水化作用的热量传递到地面外部环境中,可降低水化热的峰值温度约2~4℃,相应龄期提前约37~58 h;埋管式循环系统能够明显降低桩底部的应变变化范围,能够减小桩基早龄期混凝土的桩身应力,桩身最大约束应力(0.7倍桩长处)降低约23.6%;埋管式循环系统还能够降低混凝土水化进程中的第二零应力温度,提高早龄期混凝土的温降裂缝能力。研究结果对高原地区桩基早龄期混凝土的水化热进程控制和抗裂性能分析有一定的参考价值。

孔隙液体相态对饱和砂土力学特性影响试验

天然气水合物开采过程中,水合物分解会引起沉积物孔隙液体相态变化,降低海床的安全稳定性。基于低温、高压三轴试验仪,以粉细砂土为骨架,制备含冰/不含冰甲烷水合物沉积物试样以及饱和砂土试样,开展三轴压缩试验,分析饱和砂土中孔隙液体处于不同相态条件下试样的应力-应变和强度特性,比较在剪切过程中孔隙水压力以及切线模量等参数变化。试验结果表明:含冰/不含冰甲烷水合物沉积物以及饱和砂土的强度比值约为2.6∶1.7∶1,且均表现为应变硬化;含冰水合物沉积物的结构性较其余两者相对更强,即初始切线模量值相对更高;但是在遭受剪切后结构均破坏,切线模量迅速降低。

串/并联运行下能源管廊相对热效率及热致应力现场试验

依托南京雨花台区软件谷杆线迁移地下综合管廊工程,在管廊的底板、侧板及顶板内埋设换热管形成能源管廊,并通过恒定输入功率加热循环液体,对明挖施工能源管廊的换热规律进行现场试验;实测能源管廊的换热系统进/出口水温、底板温度及热致应力等变化规律,初步探讨并联和串联的能源管廊段连接形式下,系统运行过程中的相对热效率及热致应力响应性能,以及能源管廊段运行过程中对周围管廊段结构造成的影响。结果表明:试验条件下并联和串联运行下能源管廊的相对线热效率分别为39.68、31.27 kW·m^(-1),并联较串联运行模式提高了约26.9%,即并联运行的换热性能相对较好;并联和串联运行过程中底板产生的最大轴向热致应力分别为1.30、1.24 MPa(两者相差小于10%),由于叠加效应,邻近管廊段产生0.33 MPa的最大压应力,对地下综合管廊结构安全性的影响较小;相关结论可为依托城市地下综合管廊开展能源管廊或隧道的设计和计算提供参考。

水冷作用对地铁车站板式结构硬化翘曲影响现场试验

混凝土水化作用引起结构发生温度开裂,严重威胁混凝土的施工质量,造成车站结构渗漏。目前针对车站结构水化热温控技术的研究相对不足。为此,在混凝土结构中埋设换热管搭建地铁车站结构的水管冷却温控系统,开展地铁车站板式结构水化热水管冷却现场试验,实测车站结构的水化热温度和早期应变变化。首先,对比分析水管冷却技术对车站结构水化热的温控效果,并讨论水管冷却的换热机理;其次,分析车站板式结构的硬化变形行为,进一步探讨水管冷却对车站结构早期硬化热力行为的影响。研究表明:由换热管、水泵、水箱等设备构成的水管冷却系统可以用于地铁车站板式结构的水化热温控调节;与自然冷却相比,水管冷却通过加速内部混凝土与外界环境的热交换可降低车站结构水化热峰值温度3℃,提前水化进程约35 h;车站板式结构的水化热残余拉应力较块状结构和柱状结构略大,其水化热变形可分为受热“凹形”翘曲、散热翘曲恢复和散热“凸型”残余翘曲3个阶段;水管冷却可降低车站结构的早期峰值压应力、残余拉应力、温度翘曲应力约1/3,表明水管冷却系统可以有效控制车站结构的早期裂缝。研究结果对地下地铁车站结构早期开裂控制有一定的参考价值。

既有基础环型风机基础改造方法研究

利用既有风机基础安装大功率风机时,如何对基础进行改造并合理解决新风机和既有基础的连接是老旧风电场改造的核心问题之一。针对此关键问题,文章综合考虑实际施工技术与经济成本,提出了既有基础环与新增锚栓的复合连接方法。利用有限元软件ABAQUS建立了风机基础与基础环精细化有限元模型,分析了既有风机基础及基础环的薄弱位置并揭示其损伤机理;然后,分别对基础环-锚栓内、外复合连接方案进行数值分析,对比风机基础连接改造前后的结构受力性能与响应控制率。研究结果表明:采用内复合连接后,基础环的应力减小38%;采用外复合连接后,基础环的应力减小46%,混凝土的拉应力减小14%。基础环及混凝土的应力水平均有明显降低,建议优先采用外复合连接方案。文章提出的改造方法和数值分析结果可为类似工程提供参考。

隧道仰拱及基底能量桩热致应力与换热效率现场试验

依托黄土塬区银川—西安高铁驿马一号隧道工程,在隧道仰拱和基底桩基内埋设换热管,搭建能源隧道仰拱-基底能量桩联合热泵系统,实测不同进口温度作用下换热管的进出口水温、隧道仰拱结构和基底桩基的温度、热致应力,探讨黄土塬区隧道仰拱结构及基底桩基的换热效率、热力响应特性与变化规律。结果表明:在现场特定条件下,进口温度与初始地温差值分别为4.7℃和14.7℃时,隧道仰拱结构温度升幅分别约为3.8℃和11.4℃,热致轴向应力分别为3.13 MPa和13.86 MPa,热致环向应力分别为2.85 MPa和9.93 MPa,隧道仰拱换热效率分别约为7.86 W·m^(-1)和24.15 W·m^(-1);单位温升条件下热致轴向应力和热致环向应力分别为0.44 MPa·℃^(-1)和0.35 MPa·℃^(-1);恒功率运行下仰拱基底能量桩换热效率随进口温度与初始地温差值的变化近乎为一条斜率k=4.1过原点的直线,换热效率维持在50~70 W·m^(-1)之间,与常规能量桩的换热效率规律基本一致;桩基周围土体的力学性质受能量桩运行影响有限。

综合管廊运行对临近能量支护排桩传热特性的影响

该文针对综合管廊内空气对流换热对临近能量支护排桩传热特性的影响,通过在管廊内壁设置不同边界条件,建立三维有限元模型分析综合管廊运行对临近能量支护排桩传热特性的影响。通过将模拟结果与现场实测数据对比,验证模型的可靠性。探讨管廊内壁不同边界条件下能量支护排桩热交换率、桩-土换热量和桩体温度的变化规律。研究表明,管廊内空气对流换热会造成桩侧热交换和桩体温度的空间非对称性,从而影响能量支护排桩的地热提取效率。随着管廊内空气流速的增加,能量桩的地热提取效率逐渐增加,但当管廊内空气流速大于0.7m/s后,能量支护排桩的地热提取效率最终趋向于管廊内壁为恒定温度边界时的取值67.4W/m,管廊内壁采用恒定温度边界条件可作为能量支护排桩地热提取效率计算的上限,而采用热绝缘边界是偏于保守的。当管廊内壁采用已有研究提出的简化边界条件时,模型可以用于计算能量支护排桩的换热效率。