动荷载作用下海底粉土的孔压响应及其动强度

本文选用近海分布较广的粉土为研究对象 ,利用室内动三轴试验结果 ,找出动荷载作用下粉土的动应力应变关系 ,分析模拟波浪荷载作用下粉土中的孔压响应、临界循环次数 ,确定波浪作用下粉土的应力状态、破坏临界循环次数 ,判断不同深度处的粉土发生液化的可能性及发生液化所需要的时间 ;研究粉土在动荷载作用下的强度降低 ,为海上工程设计和施工提供科学依据。

地下水位波动下基坑周围地基土的孔压响应半解析解

水位波动条件下的基坑性状研究是随工程实践产生的新课题,而基坑周围的孔压响应机制是该课题的关键问题。将基坑渗流场分区,假设土体总应力不变,将固结方程解耦,利用Laplace、Fourier变换推导了浅层含水层内地下水位波动时板式支护基坑周围地基土孔压响应的二维近似半解析解。利用该解答,对综合系数θ(与土体固结系数、海床厚度、水位波动周期相关)、孔隙流体压缩系数与围护墙插入深度的影响进行分析。结果表明:孔压波动幅值沿基坑最短渗流路径不断衰减,滞后相位不断增大;θ越大,基坑周围地基土的相对孔压波动幅值越小,滞后相位越大,稳态渗流时的相对孔压为地下水位波动条件下不同θ值相对孔压波动幅值的极大值;孔隙流体压缩系数越大,基坑周围的波动孔压响应幅值越小,滞后相位越大;围护墙插入深度越大,主动侧相对超孔压波动幅值越大,被动侧波动幅值则越小。

地下水位波动条件下基坑渗流场孔压解析解

对地下水位周期性波动条件下的各向同性土层中基坑二维渗流场孔压响应进行了解析研究.将基坑周围土体划分为4个规则区域,应用叠加原理和分离变量法得到各区域内孔压响应的级数解形式表达式,结合各区域间连续条件求解基坑周围渗流场孔压的显式解析解.将解析解结果、数值结果及半解析解结果进行对比,验证了该解析解方法的正确性.基于该解分析了基坑内、外侧水位等工程参数对孔压响应分布和相位滞后的影响,结果表明基坑工程参数对孔压响应和相位滞后有较大影响,对远场孔压响应和基坑内部相位滞后的影响更加明显.

波浪作用下海底粉土孔隙水压力响应过程监测研究

波浪引起的海底土体内部孔压累积是导致液化发生的主要原因,研究波浪作用下土体内部孔压响应过程对于明确液化机理、预测液化发生具有重要作用。在黄河口使用自行研发的孔压监测设备对海底粉土孔隙水压力进行了有效监测。监测结果显示,海底粉土的孔压变化主要受波浪影响且存在一定的影响范围,超出该范围则波浪对海底粉土的孔压无影响。同时,基于监测过程内的孔压变化对海底粉土进行了液化评判,并对波浪作用效果和液化影响因素进行了探讨。波浪对海底粉土内部孔压影响效果主要有3种:(1)有孔压振荡但不发生累积;(2)有孔压振荡且发生累积;(3)无孔压振荡且不发生累积。

黄河三角洲潮滩孔压对循环振动荷载响应研究

为了研究黄河三角洲潮滩孔压对循环振动荷载的响应过程,在现场潮滩上利用循环振动荷载作用于海床,实时监测了振动过程中孔压的发展过程。研究结果表明:在每一轮振动过程中,超孔压并非是一直升高的,其发展过程主要可以分成3个阶段:首先是累积阶段,在此期间内超孔压迅速积累并达到一峰值,即"超孔压最大响应值";其次是过渡阶段,在此期间超孔压基本保持稳定;而后是消散阶段,即超孔压从最大响应值开始缓慢消散。在振动过程中,产生的最大超孔压是振动能量的指数函数,而且不同深度所产生的最大超孔压不同,存在一极值响应深度。在超孔压累积阶段,尽管不同深度超孔压的累积历程不同,但其累积形式具有一致性,即超孔压是以振动次数为自变量的二次函数,而且,超孔压的累积速率是线性降低的。

k0固结饱和黏土在循环荷载作用下的孔压预测

不排水循环荷载作用下饱和黏土中的孔压变化是研究饱和黏土循环特性的重要特征之一。通过分析不排水条件下土中孔隙水压力与土的弹性体积应变之间的关系,得到了土中孔压增量随平均应力增量的变化关系;依据k0固结不排水循环三轴试验结果,由饱和黏土中的孔压增量与弹性体积应变增量计算得到孔压模量Ku,分析发现加载和卸载过程中孔压模量K u随弹性体积模量K有唯一变化关系,根据不同应力水平下的循环三轴试验结果,确定了孔压模量随弹性体积模量、初始有效平均应力、静应力水平及循环应力水平的变化关系。从而,建立了反映初始有效平均应力、静应力及循环应力影响的k0固结饱和黏土在循环荷载作用下的增量孔压关系。最后,将该增量孔压关系与已有的本构关系相结合,对不同应力水平下k0固结饱和黏土中的应力应变响应进行预测,并将现预测结果和原本构模型所预测的结果分别与试验结果对比,验证了当循环荷载作用下k0固结饱和黏土中孔压响应预测准确时,应力应变响应的预测也有所改善,也说明了该增量孔压关系的有效性。

随机波作用下海底管道振动对土体液化的影响

海底管道-土体-水体相互作用对土体和管道的稳定性具有重要影响,但波浪作用下海底管道对其周围土体性质的影响仍有待深入研究。通过一系列室内波浪水槽试验,研究了波浪荷载和管道振动作用下海床土体内部的超孔隙水压力响应。实验结果表明,管道的铺设会增大海底土体超孔隙水压力累积程度,当管道发生振动时,海床土体超孔隙水压力累积程度进一步增大,从而增加了土体液化势。此外,波高增加也会导致海床土体的超孔隙水压力累积程度增大。本文研究成果对管道-土体相互作用研究和海底管道维护具有指导意义。

波浪和潮波作用下黄河口快速沉积海床土非均匀固结试验研究

黄河高含沙量水体在弱潮陆相河口入海,80%的泥沙在河口附近快速堆积。过去研究发现,黄河三角洲潮滩表层沉积物呈现非均匀固结状态。为了揭示该现象产生的机制,在黄河刁口流路三角洲叶瓣潮坪上,现场取土配置黄河口快速沉积形成的流体状堆积物,研究快速沉积的粉质海床土在波浪和潮波作用下的孔压响应及非均匀固结过程。利用静力触探、十字板剪切试验、孔隙水压力监测等原位测试手段,实时测定快速沉积的海床土强度和孔压变化过程。研究发现,快速沉积的粉质土在自重作用下的固结速度很快,正常固结完成后,强度随时间的发展依然不断增加,沿深度方向出现类似原状土体的固结非均匀现象和似超固结状态;在波浪和潮波作用下快速沉积粉质土孔压沿深度出现非均匀变化,在波浪作用下出现了超静孔压的积累。分析发现,该固结状态和强度沿深度方向非均匀变化是由于土体在潮波及潮波和波浪的联合作用下形成的;潮滩表层土体在波浪荷载长期作用下形成硬壳层。

地下水位波动引起重力式挡墙基坑周围地基土孔压变化及对挡墙稳定性的影响

波浪、潮汐作用引起临海、临江地区的地下水位周期性波动,基坑周围地基土的孔压响应机制是研究动水环境下基坑开挖课题的关键。假定有限厚度单层地基均质、各向同性,边界波动水位以正弦函数表示,将基坑渗流场分成3个区域,假设土体总应力不变,将固结方程解耦,利用Laplace,Fourier变换与逆变换推导得到浅层含水层内地下水位波动引起重力式挡墙基坑周围地基土孔压响应的二维半解析解。与PLAXIS有限元数值解的对比验证了该解答的精确性。通过算例分析坑外地下水位波动时基坑周围的孔压响应规律及其对重力式挡墙稳定性的影响。结果表明,沿坑外到坑内的基坑渗流路径,孔压的波动幅值不断衰减,滞后相位不断增大;挡墙稳定安全系数随地下水位的变化而波动,且存在相位滞后现象。

波致粉质土海床剪切破坏及其强度演化的试验研究

本文以黄河三角洲粉质土为研究对象,开展了波致海床剪切破坏过程中孔压响应与土体强度变化的室内水槽试验研究,试验过程中,先后在模拟海床床上施加5、10、15cm波高的模拟波浪荷载,同步测量海床内不同深度处的孔压变化,并对海床进行贯入阻力测试和不排水抗剪强度测试。研究发现:海床中孔压响应过程的规律为孔压快速累积-孔压缓慢消散,在该过程中海床内最容易形成大幅度的孔压累积、孔压响应最强烈的位置,也是海床内土体强度的逐渐丧失以及土体剪切破坏是处开始发育的深度;波浪作用下粉质海床剪切破坏后会在海床内部一定深度处出现明显的弧形破坏界面,破坏土体沿界面随波浪作振荡运动,且破坏范围经历先扩展后回缩的过程,剪切破坏界面以下会有强度硬层的发育,强度硬层的形成与演化直接受剪切破坏过程控制,最终整个海床出现明显的强度非均质化;在孔压响应过程中孔压比即超孔压与上覆有效应力比值存在临界值K(本文水槽试验所得K=0.5),当超过K值时,土体贯入阻力和不排水抗剪强度降低,发生剪切破坏,这是波浪作用提供的剪切力以及超孔压累积导致海床内部抗剪强度降低共同作用的结果。

饱和砂土中高频振动沉桩环境影响机理研究

近年来,高频振动沉桩因沉桩效率高、环境效应好等优点而得到了广泛应用。但目前高频沉桩仍存在较大理论空白,尤其是高频沉桩较于其他频率沉桩的环境影响机理尚不明确,因此阻碍了工艺的发展。针对该问题,基于有限差分软件FLAC 3D建立了饱和土体振动沉桩数值模型,并从低频到超高频设置若干工况,从而对比验证高频沉桩的优势。结果表明,在避免共振的前提下,选择合适的高频频率,有利于增强桩周土体的孔压响应,促进桩体贯入,同时可有效控制地表振动,提高施工的质量。此外,引入振动桩机免共振施工工艺,可有效避免低频共振现象的发生,进一步减少施工对环境的扰动。