大荷载矿石堆场中深厚吹填软土的地基处理及后评价

吹填淤泥形成陆域是资源利用和环境保护方面的优质解决方案,但当前吹填软土形成陆域的工程中,多数为荷载较小的堆场、工业园区道路、绿化区等。以青岛港董家口港区矿石码头工程20万吨级散货泊位后方预留堆场区的地基处理工程为例,对该工程的设计、施工及使用后6年的情况进行详细阐述,从多个角度展示深厚吹填软土的演变情况,详细介绍土体含水量、孔隙比、抗剪强度等指标在不同时期的变化,对比施工期沉降计算和监测数据,分析不同时期抗剪强度指标下矿石堆存的高度。结果表明,在大荷载矿石堆场中采用吹填软土形成陆域是可行的,通过合理的地基处理方式和有序增加堆存荷载,最终可使矿石堆场达到满载堆存。

非均相体系在微通道中的封堵性能研究

基于大庆油田天然岩心孔隙尺度分布特征建立了微通道模型,考虑非均相体系中的分散相和连续相的变形及流动特征,以相场法建立流动模型并用有限元方法求解,模拟了分散相颗粒在微通道内的生成,并实现了颗粒分选,研究了微观孔喉结构中匹配系数和孔喉比对颗粒封堵性能的影响。结果表明,颗粒在微观孔喉结构中发生弹性封堵时,孔喉入口处压力随颗粒运移通过而呈现周期性变化;颗粒与孔喉最佳匹配系数为[1.0,1.4),此区间内颗粒能够在孔喉入口处暂时封堵,变形运移通过孔喉后恢复原形;当孔隙直径相同时,匹配系数和孔喉比越大,颗粒通过压力越大;颗粒粒径越大,颗粒通过压力临界值越小。

考虑饱和砂土液化阶段性特征的触变性流体本构模型

合理评价循环荷载作用下饱和砂土的液化过程及性质演变规律,是解决液化砂土大变形问题的关键。通过饱和砂土不排水循环三轴试验,分析了饱和中密南京细砂液化阶段性特征,引入Gompertz函数来描述表观黏度与孔压比之间的关系,提出了一种修正的孔压触变性流体模型,并验证了模型的合理性。①饱和砂土液化过程具有明显的阶段性特征,根据孔压比增长速率可分为固态土体阶段、固液相变阶段、触变性流体阶段和稳定性流体阶段,并基于其他学者的试验结果验证了四阶段特性及阶段划分方法的适用性。②采用Gompertz函数代替线性函数来描述表观黏度与孔压比之间的关系,并利用不同的破坏速率参数c来表征循环荷载作用下饱和砂土的不同阶段,提出了考虑液化阶段性特征的修正孔压触变性流体模型,为解决地震液化问题提供了一种新的统一方法。

速度脉冲型地震动作用下局部可液化场地响应

为研究速度脉冲效应对可液化场地的影响,基于OpenSees平台建立有限元模型,对近断层速度脉冲型地震动与无速度脉冲地震动作用下局部可液化场地的竖向位移、加速度时程、土体剪应力-应变、超孔隙水压力比、循环应力比等土体的响应差异进行研究。数值计算结果表明:相同输入地震动幅值前提下,无脉冲地震动作用下可液化土体的竖向永久位移与位移发展持时平均值比速度脉冲型地震动作用分别大13%、19%;而速度脉冲型地震动作用下土体最大剪应变是无速度脉冲地震动的约5.4倍,最大剪应力约1.7倍;速度脉冲效应使土体的剪应力-剪应变滞回圈所围面积更大但滞回圈数量较少,且不同深度土体具有更大的循环应力比,从而促进土体发生液化;非液化密砂层放大地震动加速度幅值;液化松砂层对地震加速度时程进行了高频滤波,使地表加速度时程更为平滑且稀疏;速度脉冲效应作用下液化土层超孔隙水压力比整体较小,表明土体剪胀效应更加强烈。

利用机器学习与改进岩石物理模型预测页岩油层系横波速度

传统的横波速度预测方法包括经验公式法和岩石物理模型法。前者适用于岩石矿物组分相对单一的储层,且受区域限制等因素的影响,不具有普适性,预测精度较低。后者需要根据不同的实际情况选择合适的岩石物理模型,才能达到预期的目的。大多数机器学习横波速度预测方法基于纯数据驱动,数据集的质量和数量将直接决定横波预测模型精度,并缺乏充分的物理内涵。为此,基于深度神经网络(DNN)的方法,假设研究区储层波传播方程的数学形式已知,通过测井数据训练DNN得到未知的弹性参数,以确立目的层的波传播方程。利用平面波分析法得到相应的纵波、横波速度,实现神经网络与理论模型的结合。此外,针对传统Xu-White模型的不足,考虑随深度变化的孔隙纵横比,提出了改进横波速度预测岩石物理模型。利用研究区较丰富的测井数据,分别采用构建的DNN模型和改进横波速度预测岩石物理模型预测横波速度,并与传统的Xu-White模型预测结果进行对比、分析。结果表明,由DNN模型和改进岩石物理模型均可获得较高精度的横波速度预测结果,且前者的预测效果更好。

饱和砂土液化特性的振动台试验研究

基于地震模拟振动台试验,配制3组不同平均粒径和3组不同细粒含量的6个砂土模型,通过埋置于砂土内部的传感器监测模型内部不同位置的超孔隙水压力等指标,分析砂土模型内部的超孔隙水压力时程曲线及孔压比时程曲线,归纳出地震波加载峰值、砂土平均粒径、细粒含量及埋置深度等因素对饱和砂土液化特性的影响规律。试验结果表明:随着地震波加载峰值的增大,砂土模型液化程度逐渐增大,液化势逐渐增大,抗液化强度逐渐减小;随着砂土埋置深度的增加,砂土细粒含量的增加,砂土平均粒径的增加,砂土模型液化程度逐渐减小,液化势逐渐减小,其抗液化强度逐渐增大。同时,试验结果还表明,砂土液化各影响因素对砂土液化的影响程度依次为地震波强度>砂土埋置深度>砂土平均粒径、细粒含量。试验结果可为后续数值模拟的参数选取提供支持,为研究其他因素对砂土液化的影响提供参考。

循环荷载对粉土海床中单桩横向承载特性的影响

在较大的波浪荷载作用下,海洋单桩会出现承载力降低、甚至失稳现象。利用GDS三轴仪对杭州湾重塑海相粉土进行了静三轴、动三轴和循环后静三轴不排水剪试验,研究了循环荷载作用对循环后粉土变形和不排水强度特性的影响,分别建立了动孔压比与循环应力比和循环次数、动孔压比与循环后不排水强度比及割线模量比的经验关系式。在此基础上,根据波浪荷载在海床深度方向的剪应力比分布,得到了桩侧粉土刚度和强度的衰减比深度分布,计算了波浪荷载对单桩横向承载特性的影响。在本算例条件下,波浪荷载对粉土海床的强度和刚度弱化随深度急剧衰减,影响深度约40 m,海床浅部约5 m深度有液化现象,循环荷载后桩身的刚性反应增强、位移和反弯点深度增加,弯矩和侧压力减小,总的横向承载力降低约40%。

竖向荷载对高承台群桩基础侧向位移影响规律的振动台试验

基于大型振动台模型试验,以高承台群桩为研究对象,模拟了地震作用下高桩承台基础的振动响应,通过超静孔压比(简称孔压比)、加速度和地基土位移研究饱和砂土液化场地竖向荷载对桩基侧向位移的影响规律。结果表明:近桩区域受桩基竖向荷载影响最为显著,孔压比与竖向荷载呈负相关关系,桩基两侧孔压比差值与地基土浅层加速度是造成桩基侧向位移的主要原因;地基土对台面输出加速度主要起放大作用,且随着竖向荷载的增加,加速度放大系数显著减小;在振动输入与竖向荷载相同的条件下,地基土在地震动作用下引起的侧向流动及显著变形极大影响了桩基的侧向位移;竖向荷载为9%桩基极限承载力条件下,桩基倾斜角为4.80°,侧向位移较小,结合地基土抗液化能力,桩基抗倾覆能力最优。

钙质砂三轴排水试验围压与剪切速率对应力特性影响研究

以海南省三沙市西沙群岛钙质砂为研究对象开展不同剪切速率的三轴固结排水试验,研究钙质砂剪切应力特性。试验结果表明:围压越大偏应力峰值出现的越晚,相同围压剪切速率越快应力峰值越大,应力下降也越快应力下降比越大,剪切速率对应力的峰值大小及残余剪切强度有一定影响,低围压下剪切速率对偏应力峰值影响更大。围压越小偏应力比越大,相同围压剪切速率越大偏应力比增长越快,当剪切速率低于一定速度时,偏应力比的变化并不受剪切速度的影响。相同围压条件下,由于排水剪切时围压和孔压保持不变,偏应力和平均有效应力关系为斜率3的直线,不同剪切速率破坏线趋势相同,剪切速率越大破坏线角度越大,但相差不大,破坏线为接近斜率1.75的直线,钙质砂内摩擦角为42°。剪切过程平均有效应力先增大后减小,剪切过程表现出剪缩到剪胀的变化过程,剪缩阶段不同剪切速率下孔隙比下降速率相近,剪切速率在剪胀阶段对孔隙比影响较大,剪切速率越大,孔隙比变化越大。

饱和土体渗透系数与孔径关系初探

土体渗透系数是研究土体固结沉降、渗透变形、溶质运移等众多工程地质和岩土工程问题的关键参数。经典的土体渗透系数预测模型通常是利用土体渗透系数与孔隙比或粒径间的关系来预测,这些模型往往可以较好地预测单一土体的土体渗透系数,但一般不具备普适性。通过大量的试验数据分析,指出传统的土体渗透系数预测模型不具备普适性的原因,明晰孔径特征而非孔隙比或者粒径是决定土体渗透系数的关键因素,并基于Kozeny-Carman方程,建立土体渗透系数与孔径的关系模型。该模型对于粗颗粒土和细颗粒土都具适用性,且预测精度在1个数量级内。研究结果加深了对多孔介质渗透特性的认识,并为土体渗透系数预测模型的构建提供了新的思路。

基于纤维加固砂土静力液化评估的超孔隙压力系数研究

纤维加固技术通过向土体中添加离散的抗拉纤维以改良土体的力学性能。通过对纤维加固疏松砂土开展不排水三轴压缩试验以分析其静力液化行为,并对比了不同超孔隙压力系数评估纤维加固砂土液化的可行性。试验结果表明,在不排水三轴压缩下,疏松砂土对静力液化异常敏感,而纤维加固可以有效阻止疏松砂土发生静力液化。纤维显著改变了砂土骨架在不排水三轴压缩下的有效应力路径,从而影响其液化行为。基于有效应力原理定义的传统超孔隙压力系数ru在评估纤维加固砂土的液化时具有明显缺陷。有效超孔隙压力系数r_(u)’和骨架超孔隙压力系数r_(u)^(*)为纤维加固砂土的液化评估提供了更加合理的指标。借助基于混合物法则的本构模型框架,骨架超孔隙压力系数引入了纤维的应力贡献,揭示了纤维、砂土骨架以及孔隙水的荷载分担机制。当r_(u)^(*)=1时,砂土骨架的有效平均应力减小为0,纤维加固砂土发生液化。

考虑软矿物纵横比的页岩岩石物理建模及其应用

以往针对页岩储层的岩石物理建模常忽略孔隙类型与软矿物纵横比对弹性模量的影响。本文同时考虑孔隙类型、孔隙形状与软矿物纵横比,建立横向各向同性页岩岩石物理模型:将固体矿物分为硬矿物与软矿物两类,考虑软矿物的各向异性特征与形状变化;基于储层实际情况将孔隙分为粒内孔、有机孔与粒间孔三类,孔隙形状分为硬孔隙与软孔隙两种;最后,利用粒子群法反演输入参数,进一步计算纵横波速度、各向异性参数与岩石力学参数。结合实际资料应用,用已知测井横波速度与各向同性岩石力学计算结果进行对比,结果表明该模型的应用效果较好。

排水刚性桩抗液化特性数值计算分析

为分析排水刚性桩的抗液化作用效果,开展了排水刚性桩的数值计算模拟,基于振动台试验实测结果验证了计算模型的可靠性,针对设置不同排水通道数量的排水桩桩周超孔压比、超孔隙水渗流特性等进行了计算分析。结果表明:①试验实测值与数值模拟结果吻合较好,证明了计算模型的可靠性和合理性;②桩身1倍桩径处超孔压比峰值为0.7,1.5倍桩径处为1.0,排水刚性桩的有效作用范围在桩周1倍桩径左右;③单侧排水通道排水桩影响范围为以桩心为圆心、1倍桩径为半径的近似半圆,双侧和四侧排水通道排水桩影响范围为与单侧排水通道圆心和半径相同的整圆,排水体附近渗流矢量均指向排水通道,表明了排水通道发挥了有效的排水作用。

基于高斯混合模型的碳酸盐岩储层物性与孔隙参数地震岩石物理同步反演

碳酸盐岩储层是我国油气资源增储上产的重要领域,然而此类储层通常发育复杂的孔隙结构,极易影响物性参数地震预测结果的精度.本文提出一种基于高斯混合模型的物性与孔隙参数地震岩石物理同步反演方法.基于微分有效介质模型和Gassmann方程,推导定量关联孔隙度、流体饱和度及孔隙纵横比与弹性参数的线性正演算子.引入了高斯混合模型表征物性与孔隙参数的联合先验概率分布,进而表征岩相统计差异特征.基于贝叶斯线性反演理论及线性正演算子,构建目标参数后验概率的解析表达式,然后根据测井数据反演井旁孔隙纵横比,以提供可靠的孔隙参数先验约束,并利用迭代贝叶斯反演算法,提高线性正演算子的模拟精度.本方法将孔隙纵横比作为反演目标参数,表征碳酸盐岩孔隙结构的空间变化特征,结合贝叶斯线性反演方法,以提高物性参数地震反演结果的精度与运算效率.数据测试表明,所提出的方法物性参数反演结果对比常规方法精度有明显改善,且在一定程度上,新方法受初始模型和弹性参数的影响较小.三维地震数据的应用验证了本方法的有效性,其孔隙度反演结果能够有效的指示有利储层的空间分布.

多孔结构对冲击波的衰减影响研究

多孔结构因具有低密度、高比强度和高比刚度等优异性能,被广泛应用于各个工程领域,特别是在抵抗冲击载荷方面具有良好的能量吸收能力。采用有限元软件,建立了不同孔隙率和不同孔径的多孔结构模型,分别对其在相同冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟,分析了多孔结构的几何参数(不同孔隙率、不同孔径)对冲击波衰减的影响规律。结果表明,多孔结构可以有效地衰减冲击波的峰值压力和总能量,适当增加孔径和增大孔隙率能够提高其能量吸收能力。该研究为多孔结构的设计和应用提供了一定的参考。

微生物加固粉土的强度特性及加固机理研究

针对华北地区广泛分布的黄河冲积粉土级配差、强度低的问题,采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术对其进行加固。通过三轴试验研究加固粉土的强度特性,通过微观结构测试分析其微观机理;结合宏观现象和微观机理揭示强度加固机理。结果表明:MICP加固后粉土的强度得到了大幅提升;其黏聚力和内摩擦角均随加固轮数、胶结液浓度的增加而增大,且增长速率呈现出先快后慢的趋势;在胶结液浓度为0.5 mol/L、加固两轮时加固效率更高。就微观结构而言,土样中的孔隙随胶结液浓度和加固轮数的增大而逐渐减少;土样截面的平均非孔隙面积比随加固轮数、胶结液浓度的增加而增大;黏聚力、内摩擦角与平均非孔隙面积比之间均符合先快后慢的双线性增加关系。黏聚力与内摩擦角提升原因在于MICP加固生成的碳酸钙通过粘结粉土颗粒,填充堵塞颗粒间孔隙,使平均非孔隙面积比增大,进而提升土体强度。

结构性对软黏土次固结特性影响的试验研究

【目的】分析软黏土原状样和重塑样次固结系数随固结压力的演化规律,比较不同试样的孔隙比和孔径分布曲线,探究结构性影响软黏土次固结特性的内在机理。【方法】对上海和温州软黏土的原状样和重塑样开展不同固结压力下的次固结试验及相同孔隙比下的压汞试验,得到试样在对应固结压力下的次固结系数及孔径分布曲线。【结果】原状样的次固结系数随固结压力的增大呈先增大后减小的变化规律,重塑样的次固结系数基本不受固结压力的影响。相同孔隙比下的原状样和重塑样在孔径分布上存在明显差异,而两者的次固结系数基本一致。但是,相同压力下的原状样和重塑样的次固结系数差值与孔隙比差值具有良好线性关系。【结论】固结压力对原状样次固结系数具有重要影响,但对重塑样次固结系数的影响可忽略不计。此外,相同压力下的原状样和重塑样的次固结系数差异,主要是结构性引起两种试样的孔隙比不同所致的,而孔隙结构对次固结系数的影响可忽略不计。

循环荷载下饱和黄土的剪切特性与破坏模式

饱和黄土的破坏模式和剪切特性是分析黄土地基及其构筑物地震变形的基础,为了揭示循环荷载下黄土独特的强度衰减和变形劣化规律,本文开展了饱和黄土不排水动三轴试验,控制初始剪应力(q_(s))和循环剪应力(q_(c)),研究了不同初始应力状态下饱和黄土的动强度、孔压发展规律及破坏模式。试验结果表明:当q_(s)<q_(c)时,重塑和原状黄土试样表现为循环迁移型破坏,当q_(s)≥q_(c)时,重塑黄土试样表现为流动型破坏,而原状黄土试样则表现为塑性应变累积型破坏;黄土试样的循环应力比(R_(CS))、循环阻力比(R_(CR,10))随着初始剪应力比(R_(SS))的增大呈先增大后减小的趋势;循环迁移型和塑性应变累积型破坏在循环加载的初始阶段孔压上升迅速,孔压增长曲线分别呈“风琴”状和“喇叭”状,而流动型破坏的初始阶段孔压增长速率较慢,当到达某一振次后孔压突然增长,孔压增长曲线呈“镰刀”状。基于初始阶段孔压发展指标(K_(1-2))与初始应力状态(q_(s)/q_(c))提出了图表法,可用于预测循环荷载下饱和黄土的破坏模式。

风机荷载作用下频率比对砂土动力响应的影响

海上风机在运行过程中风荷载与波浪荷载频率耦合作用对土体动力特性的影响不容忽略,为了探究这种影响,采用多向循环动单剪系统(VDDCSS)对砂土进行了一系列试验研究,分析了双向剪切频率比f_(r)对砂土动应变、动孔压比以及动强度的影响。试验结果表明:剪应变发展受双向频率耦合及应力组合效应的影响。循环应力比(C_(SR))为0.15时,双向频率耦合效应大于应力组合作用;随着应力水平的增加(C_(SR)=0.20或0.25),频率耦合效应和应力组合作用均得到了加强。在低应力水平时,破坏试样的孔压曲线呈“上凹型”且频率比对试样孔压发展影响不大。而随着应力水平增加(C_(SR)=0.20或0.25),孔压最终值u_(max)随之增大。除f_(r)=1.00与10.00对应试样外,土体动强度随f_(r)与C_(SR)值增大而减少。f_(r)=5.00对应试样应变大、孔压值高、强度低的原因与此比值下土体受双向频率耦合与应力组合的叠加效果增强有关。

灌注桩绿色泥浆制备及泥皮的渗透特性

泥浆在地基处理、泥水盾构等工程中起重要角色,增稠剂是泥浆质量的关键所在。传统泥浆使用的增稠剂主要为羧甲基纤维素钠(carboxymethyl cellulose,CMC),这种泥浆降解难度大,很容易污染环境。针对以上问题,采用瓜尔胶和黄原胶来取代传统泥浆添加剂进行绿色泥浆配置。通过配比实验和改进滤失实验研究泥浆的最优配比以及其新型泥皮的渗透特性。结果表明瓜尔胶:黄原胶最优配比为1∶5。通过增加试验压力,可以减小泥皮孔隙比,从而有效降低泥皮的渗透系数。CMC和新型添加剂对泥浆改性效果大致相同,在膨润土添加2.5 g瓜尔胶与0.5 g黄原胶得到的泥皮渗透系数比同质量分数纯膨润土泥浆小3个数量级。新型天然添加剂对泥浆的改性效果较好,添加高分子材料会使形成的泥皮厚度变小。试验和理论分析结果证明了新型绿色泥浆在桩基工程应用的可行性,可推广应用。