基于滑移线法的黏土海床中浅基础固结承载力分析

为评估海底浅基础服役过程的承载力时变规律,推导了预载作用下黏土海床完全固结后的不排水抗剪强度分布,利用滑移线法给出了应力特征线方程并求解出浅基础固结承载力,研究了预载比、土体不均匀性、有效内摩擦角和基础尺寸对浅基础固结承载力的影响.结果表明:浅基础固结承载力的相对增长幅度和预载比近似呈线性关系,由土体不均匀因子和有效内摩擦角共同决定,不受基础尺寸的影响.通过与水土耦合有限元分析结果进行比较,对所提方法的准确性进行了严格的验证,表明了该方法的有效性.最后,根据有限元结果分析了滑移线解的误差来源,发现孔压计算差异是导致固结承载力预测结果产生误差的主要原因.该滑移线解可快速准确地预估浅基础固结承载力的增长规律,为海底浅基础的优化设计提供重要参考.

大直径水平受荷单桩的抗力组分分析及其应用

现有海上风机单桩设计方法的改进主要从修正p-y曲线入手,较少涉及单桩抗力组分的研究。文章将大直径水平受荷单桩的桩-土相互作用分解为桩-土水平抗力p、侧壁摩阻力τz、基底水平摩阻力Fs、基底竖向抗力Fbot,建立含4类抗力弹簧的简化梁单元分析模型,通过三维有限元分析对工程试桩验算,提取各抗力弹簧的组分,明确大直径单桩的抗力组成和变化规律。结果表明,小长径比单桩的水平承载力主要由水平抗力(p-y抗力)控制,但侧壁摩阻力τz、基底水平摩阻力Fs不可忽略;大直径单桩变形模式由桩土相对刚度控制,长径比是影响单桩水平承载力组分变化的重要因素。在此基础上提出了p-y抗力组分曲线,并通过案例分析展示了修正单桩水平承载力的步骤和结果。

考虑预载固结效应的海底浅基础承载力包络面演化规律研究

由于预载下土体固结,海底浅基础的承载力会随作业时间的增加而改变,其时变效应评估困难。基于修正剑桥模型,采用水土耦合有限元方法研究了预载作用下浅基础在正常固结黏土海床中承载力破坏包络面的时变规律。在验证数值模型准确性后,通过位移探针测试获取复合加载模式下浅基础的破坏包络面,揭示了预载和固结程度对基础承载力和破坏包络面的影响,给出了预载作用下浅基础承载力包络面计算方法。结果表明:随着预载比增加,固结单轴承载力呈现线性增长,固结承载力增幅在水平向最大;部分固结承载力相对增幅与预载比无关,而随固结度变化;破坏包络面形状由预载比控制,而包络面大小由预载比和固结度共同控制。研究结果可为海洋浅基础的时变承载力评估提供参考依据。

饱和砂土-结构物接触面强度特性的三轴试验方法

提出一种利用三轴仪分析应力路径及结构物粗糙度对饱和砂土和结构物接触面强度特性影响的试验方法.通过制作含一定倾角斜面结构物的三轴试样,使得剪切过程中土体沿预设破坏面发生滑移,结构物斜面粗糙度可进行控制调整.利用三轴仪控制轴压和围压变化,实现不同应力路径下的加载.对饱和福建标准砂和不同粗糙度钢结构物进行不同应力路径下固结排水剪切接触面试验,并对比接触面直剪试验,验证了该方法的有效性.结果表明:在滑动刚发生时,三轴试验常法向应力剪切路径下接触面摩擦角小于常规剪切路径下的接触面摩擦角.光滑情况下,接触面直剪试验所得摩擦角比三轴试验所得摩擦角小30%~40%.粗糙情况下,直剪试验所得接触面摩擦角略小于三轴试验摩擦角,且更接近于常法向应力剪切路径下的摩擦角.

基于HU-ResNet的混凝土表观裂缝信息提取

针对混凝土结构表观裂缝检测准确率低、细节信息丢失及精度不高等问题,提出一种利用HU-ResNet卷积神经网络的混凝土表观裂缝检测方法。基于改进U-Net网络建立HU-ResNet模型,采用经ImageNet预训练的ResNet34残差网络作为编码器,以保留裂缝细节信息并加速网络收敛,引入scSE注意力机制模块在空间和通道重新标定编码块与解码块的输出特征,并利用超柱模块融合解码器各阶段所输出特征图获取更精确的裂缝图像语义信息和定位,同时采用组合损失函数进一步提高裂缝图像精度。实验结果表明,该模型的像素准确率、交并比和F1值分别达到0.9904、0.6933和0.8166,优于Canny、区域生长等传统数字图像模型和FCN8s、U-Net、U-ResNet等深度学习模型且裂缝检测更精准。

孤立波和海流作用下单桩基础局部冲刷及保护的数值分析

采用数值模拟的方法研究了孤立波和海流共同作用下单桩周围海床的局部冲刷.通过求解RNG k-ε湍流模型封闭的N-S方程,准确地模拟了桩周流场的变化情况.泥沙输运模型考虑泥沙的夹带、悬移质输送、沉积以及推移质输送的泥沙冲刷机制.对于斜坡床面,考虑重力对泥沙颗粒的影响,并对临界希尔兹数进行修正.将数值结果与实验数据进行比较,验证了数值模型的准确性.在此基础上,详细分析在不同波高条件下的桩基冲刷发展过程,初步研究了桩基保护层对冲刷的影响.结果表明:波-流共同作用下桩基周围海床的冲刷深度比单纯流或孤立波作用下冲刷深度更大;倾斜海床下的局部冲刷深度更大;保护层的设置可以有效地降低桩周局部冲刷深度,保护层粒径的大小对防护效果的影响较大.

地下管线在地表爆炸荷载下的位移响应与参数分析

通过将u-p模型嵌入有限元程序建立了地面爆炸荷载下钢顶管的动态响应模型,研究了饱和土中钢顶管在地面爆炸荷载作用下的动力响应问题.以钢顶管的位移响应为主要评价指标,研究了炸药量、起爆位置、钢顶管埋置深度以及顶管半径等参数对于钢顶管位移响应的影响.研究结果表明顶管竖向位移随炸药量增大,顶管半径的增大会降低顶管在爆炸荷载下的承载能力,适当提高埋深可以显著增强顶管在地面爆炸荷载作用下的抗爆能力.此外,随着偏移距离的增大,顶管竖向位移逐渐降低,最终在爆炸荷载作用下微量上浮,顶管的水平位移也随偏移距离先增大后减小.

可液化土层中地下结构上浮及其控制措施

地震荷载引起的饱和土体液化会导致地下结构上浮,利用一种水-土耦合本构,对液化土层中地下结构上浮及其控制措施展开研究。建立了有限元模型,模拟得到不同地震强度作用下模型加速度、超孔压(比)、上浮位移等结果,模拟并分析采取不同地基处理措施对结构上浮的控制作用。结果表明该本构能模拟可液化土层中地下结构动力响应,随着地震强度的增大,土体液化深度会发展;地下结构上浮分别由土体液化和土体振动引起,且前者是造成结构破坏的主要原因;抗拔桩法、倒滤层减压法以及换填法均可改善地下结构上浮情况,其中换填法和抗拔桩法控制上浮效果较好。

孤立波作用下埋管斜坡海床及海底管道的响应分析

通过建立孤立波-斜坡海床-海底管道耦合模型,研究在孤立波作用下近岸浅水区域埋管周围斜坡海床土体的孔隙水压力响应和海底管道的受力及位移.采用考虑k-ε湍流的Navier-Stokes方程模拟孤立波在海底斜坡上的破碎、爬升及回落过程,并且通过计算获得斜坡表面波压力;基于Biot固结方程,建立波压力作用下的斜坡模型;基于线弹性理论,利用偏微分方程建立海底管道模型;计算分析埋管海床土体的孔压响应特征及管道的受力与变形;通过与文献试验数据和解析解的对比,验证了该分析方法与模型的准确性;利用验证后的数值模型,计算在孤立波作用下斜坡海床埋置管道周围土体的孔隙水压力响应、纵向有效应力响应、管道的纵向受力及位移.数值模拟结果表明:在孤立波回落阶段,埋置于斜坡海岸线附近的管道周围土体孔压下降明显,管道出现较大上浮,相较于水平海床和斜坡坡脚,此处管道的受力和位移情况最为不利.另外,管道埋深、土体参数,以及波浪的破碎、爬升及回落过程都对计算结果有着重要的影响.

椭圆余弦波作用下考虑桩身振动的桩-土相互作用

针对海洋中浅水区域的单桩基础,建立了包含波浪、海床和单桩的三维数值模型,考虑浅水环境中椭圆余弦波与海洋风浪引起的桩身振动的共同作用,研究了桩-土耦合系统的动态响应问题.其中,波浪模型的椭圆余弦波采用Navier-Stokes方程控制,海床模型视为各向同性的多孔介质,并采用Biot方程模拟土体与孔隙水的动态响应,单桩视为可变形弹性体,并引入周期性的水平位移来模拟桩身振动.同时,在验证模型准确性的基础上,分析了椭圆余弦波作用下桩身位移、桩周的海床孔隙水压及海床液化等变化情况,并对波浪及海床的主要特性参数进行了分析.结果表明:桩身振动会导致桩顶区域的海床孔隙水压出现局部变化,并使孔隙水压沿海床深度方向的减小趋势变缓;波浪与海床的特性参数对孔隙水压的分布影响显著.

多孔介质海床对单桩所受波浪力的影响分析

为研究多孔介质海床的波浪衰减作用及单桩所受波浪力的变化规律,采用修正RANS方程和Forchheimer饱和阻力模型控制多孔介质内部流体流动,运用流体体积法追踪自由液面,建立波浪-多孔介质海床-单桩相互作用三维数值分析模型.首先,基于波浪与多孔介质海床相互作用过程,研究了多孔介质海床对波浪传播的衰减作用;其次,分析了相同波浪条件下多孔介质海床及刚性海床时单桩所受波浪力的数值变化,突出了考虑海床多孔特性的必要性;最后,采用单一变量控制法,进一步研究了单桩所受波浪力数值随海床多孔特性参数的变化规律.研究结果表明,海床多孔特性对波浪传播具有明显的衰减作用;给定的波浪参数和多孔介质海床条件下,单桩所受波浪力最大值比刚性海床情况提高约35%,若忽略海床多孔特性结构物会因低估波浪力数值而造成安全隐患;另外,结构物所受波浪力与海床孔隙率、颗粒直径、海床厚度及双层海床分布厚度及每层孔隙率密切相关.其中,波浪力最大值随着海床颗粒直径的增加而递减,随着孔隙率的增大先增加后降低,且孔隙率会影响波浪力随海床厚度变化的趋势.

钢筋混凝土顶管穿堤施工三维数值分析

钢筋混凝土顶管施工技术广泛应用于排水管道、电力管道等城市基础设施建设,当其需要长距离穿越江河底部时,会面临上覆土层厚度变化显著、江底水头压力大和江边环境影响敏感等问题。本文结合上海白龙港南线输送干线大直径顶管穿越黄浦江段工程,建立了综合考虑上覆土层变化及江底水头压力的数值模型。采用模拟顶管机头迎面压力和管土摩擦作用的方法进行分析评估,研究了顶管端面压力、减阻泥浆模量、管土摩阻力及减阻效果等参数对地层土体变形与施工状况的影响,探讨了下穿江堤对堤坝桩基变形的影响。结果表明,由于上覆土厚度变化及水压力作用,顶管端面压力应小于机头中心土体自重应力;提高泥浆模量,降低摩擦系数,可减小顶管上方土体和结构的沉降。

大直径钢筋混凝土顶管下穿高架道路的现场监测与分析

大直径钢筋混凝土顶管施工技术广泛应用于给排水管道、输气管道等城市地下基础设施建设。当需要穿越重要建(构)筑物时,必须控制顶管施工对环境的扰动影响。本文依托浙江温州某大直径钢筋混凝土顶管下穿高架道路工程,对顶管穿越施工所引起的土体变形和孔隙水压力变化进行监测与分析,得出了顶管穿越施工过程中周边土体的响应规律。结合对泥水压力、顶管顶力、开挖速率、注浆量和轴线偏差等五项施工参数的变化分析,探讨了大直径钢筋混凝土顶管穿越施工中可能出现的问题及相应的解决方案,为类似的工程项目提供参考。

波浪作用下渗透率各向异性的海床液化分析

为探究波浪荷载作用下渗透率各向异性的海床的瞬态液化问题,分别以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和Biot多孔弹性方程作为波浪运动和海床响应的控制方程,采用LSM (LevelSet Method)法对自由表面进行追踪,以保证波浪运动模拟的准确性,并建立了波浪-海床相互作用的二维耦合数值模型.在验证数值模型合理性的基础上,进一步分析了波浪参数、海床土体的饱和度和渗透性对海床瞬态液化的影响.结果表明:波浪参数和海床土体饱和度对海床瞬态液化的影响显著;海床的瞬态最大液化深度随着波浪的高度、周期的增大而增加,随着海床土体饱和度的增大而减小;相比于海床土体的水平方向渗透系数,海床的瞬态最大液化深度对垂直方向渗透系数的变化更加敏感.

模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发

海底履带机器人在软黏土海床上行走时会压陷并剪切土体。压陷反映了履带贯入深度与土体强度,剪切则决定了土体能够提供的驱动力。传统地面力学中的贝式仪将压陷和剪切过程剥离测试,忽略了两者之间的相互作用关系。提出了新的环形触探形式与工作方法,将床面行走的压陷和剪切过程统一到触探仪的压陷贯入和扭转剪切中,通过与前人室内模型试验的对比,验证了环形触探概念的有效性和可行性。针对海床常见的正常固结软黏土,采用修正剑桥模型结合有限元方法,基于环形触探仪对履齿结构参数齿高、齿距进行了敏感性分析,探究了履齿结构参数对软黏土强度发挥的影响。研究结果表明,齿高、齿距对软黏土的强度发挥影响显著,适当增大齿高、缩小齿距有助于软黏土强度的充分发挥。

Elastoplastic Model for Soils Considering Structure and Overconsolidation

An isotropic hardening elastoplastic model for soil is presented, which takes into consideration the influence of structure and overconsolidation on strength and deformation of clays. Based on the superloading concept and subloading concept, the inner structural variable ω and overconsolidation variable ρ are introduced to describe the structure and overconsolidation of soil. The present model requires three additional parameters which can be obtained by conventional triaxial test, and the other parameters are same as those of modified Cam-clay(MCC) model. The performance of the proposed model is verified by undrained and drained triaxial tests.