饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验——承载力及变形分析

海上风电资源的开发和利用是当今世界关注的热点问题，作为其塔架的基础，主控荷载是水平荷载。裙式吸力基础具有更高的水平承载能力和控制水平位移的能力，故非常适合作为海上风电塔架的基础。通过饱和细海砂中裙式吸力基础的水平单调加载模型试验，探究基础水平承载力的影响因素及转动点位置的变化规律，并分析了地基土的变形影响范围及规律。研究发现：与传统吸力基础相比，裙式吸力基础的水平承载力提高显著，且能有效控制水平位移；水平承载力随基础的裙高、裙宽的增加而增大，随加载高度的增加而减小；在水平荷载作用下基础主要是绕某一点（即转动点）发生转动，转动点位于主桶长度的0．45～0．7倍之间；达到极限荷载时，地表隆起范围远远大于沉降范围，沿加载轴线方向，隆起范围约为2．5倍主桶直径。

水平单调荷载作用下饱和细砂中裙式吸力基础土压力特性分析

吸力基础具有造价低、施工速度快、可重复利用等优点,因此被广泛应用于海洋工程领域,近年来也受到海上风电工程的重视。作为海上风电基础,主控荷载为水平荷载。为提高基础的水平承载能力并有效限制其侧移,以保证风机正常运行,提出一种改进的吸力基础型式-裙式吸力基础。通过饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验,探究基础周围土压力分布的影响因素,利用土压力增量方法,可以合理确定基础转动点的位置,并揭示'裙'结构尺寸对转动点位置的影响。相比于传统吸力基础,裙式吸力基础水平承载力提高,主桶结构前侧所受被动土压力减小,后侧所受被动土压力增大;裙式吸力基础转动点位置在0.54~0.67倍的基础埋深处,较传统吸力基础的转动点位置(位于0.71倍基础埋深)偏上,且随裙宽增加、裙高减小而上移。

南京饱和细砂液化后大变形条件下动剪切模量衰减特征研究

针对南京饱和细砂液化后特大变形条件下(双幅剪应变接近100%)应力-应变关系特征,分析了有效围压和初始静剪应力比等因素对南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线的影响规律,即在液化后多次循环加载条件下零有效应力阶段、剪胀阶段和反向卸载阶段的剪切模量随单向流动累积变形的衰减特征。结果表明:有效围压、初始静剪应力和循环加载幅值对南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线在零有效应力阶段和剪胀阶段的剪切模量大小及其衰减特征的影响不明显,而对反向卸载阶段的剪切模量大小和衰减特征的影响相对较大。随着有效围压和加载幅值分别增大,南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线反向卸载阶段剪切模量都有明显增大的趋势,同时其剪切模量随后续循环加载次数的衰减速度也变快。但随着初始剪应力的增大,该阶段剪切模量随后续循环加载次数的衰减速度有减慢的趋势。同时,基于试验结果,给出了南京饱和细砂初始液化后特大变形条件下应力-应变关系曲线在不同阶段的剪切模量与单向流动累积变形有关的衰减函数及其拟合参数确定方法。

基于图像测量的饱和细砂排水剪切试验研究

将计算机数字图像测量技术应用于土工静力三轴试验的土样变形测量,实现了土样变形的非接触测量。针对南宁饱和细砂,采用干装敲击法和控制不同初始成样含水率的湿装夯实法制备松砂和密砂试样,联合采用数字图像测量技术与常规三轴变形量测方法,在不同围压下进行了固结排水剪切试验。着重探讨了成样方法、初始成样含水率、密实程度、固结围压对两种量测方法所获得的应力-应变关系与邓肯-张模型中的切线模量5参数的影响。试验结果表明:成样方法、初始成样含水率、密实程度和围压决定土样的剪切破坏形式,影响应力-应变关系;剪切破坏的形式以及剪切带位置的不同,导致图像测量和常规三轴试验获得的轴向应变和偏应力数值均存在不同程度的差异;邓肯-张模型5参数不仅受到试样的成样方法、初始成样含水率、密实程度的影响,而且受到量测方法的影响。

初始成样含水率对饱和细砂固结与剪切过程的影响

基于亚像素角点检测的数字图像测量方法,能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的应变场。针对采用不同初始成样含水率制备的松、密两种状态的唐山饱和细砂,进行了三轴固结排水剪切试验。利用图像测量系统测量试样的轴向和径向变形,获得了试样在固结排水过程中轴向应变和径向应变之间的变化关系,通过绘制的轴向和径向应变场图,分析了固结排水过程中试样的轴向应变场和径向应变场的变化规律;获得了不同初始成样含水率的饱和试样在剪切过程中的应力应变曲线。试验结果表明:采用不同初始成样含水率制备的饱和试样具有不同的初始结构,以湿装法和干装法制备的试样在固结排水过程中表现出不同的变形特征;初始成样含水率对松砂和密砂在剪切过程中的应力应变关系均有影响,其根本原因是不同初始成样含水率制备的饱和试样具有不同的初始结构性。

考虑孔压效应的饱和细砂剪切模量衰减规律研究

通过室内动三轴试验,分析了饱和细砂的动剪切模量演变特性和孔压效应,同时分析了循环荷载作用下相对密度、初始围压等因素的影响,提出了考虑孔压效应条件下饱和细砂动剪切模量的衰减特性,建立了动剪切模量比随孔压比增大而衰减的经验公式。结果表明:不同相对密度饱和细砂的应力-应变滞回圈的变化趋势显著不同;动孔压波动频繁并随时间逐步增长,并且不同的围压和相对密度对孔压比的增长有一定的影响;饱和细砂的动剪切模量随着孔压比的增大而逐渐减小,但不同相对密度饱和细砂的衰减趋势有所不同。通过拟合的曲线可以描述并预测不同相对密度饱和细砂的动剪切模量比随孔压比的衰减特性,具有较好的效果。

土工格栅与饱和细砂的界面特性试验研究

筋土界面特性是加筋土结构设计的重要技术指标,是揭示土工合成材料加筋机理的关键。采用GDS界面剪切仪研究了剪切速率、竖向应力及网孔尺寸对土工格栅与饱和细砂界面特性的影响。试验结果表明:剪切速率较小(≤1. 0 mm/min)时,剪切速率对界面抗剪强度影响不大;剪切速率在1. 0～10 mm/min范围内,随着剪切速率的增大,界面抗剪强度先增大后减小;界面抗剪强度随着竖向应力的增加而增大,竖向应力增强了土工格栅对土颗粒的嵌锁作用,限制了土颗粒的剪切移动,从而提高了土体的抗剪强度;剪切速率为1. 0 mm/min,竖向应力较小(50～100 k Pa)时,小网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显;剪切速率为0. 1 mm/min,竖向应力较大(200～300 k Pa)时,大网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显。研究结果对土工格栅在加筋土中的应用具有参考价值。

饱和细砂液化势动三轴试验研究

介绍了振动三轴试验判定饱和砂土液化势的试验分析过程.动三轴试验判定液化势属于试验—分析法,即以室内液化试验和土体地震反应分析结果为依据进行判定,其可靠性取决于室内液化试验和土体地震反应分析结果的可信程度.动三轴试验仪器设备结构比其它动力特性试验方法简单,易于操作,是室内判定饱和砂土液化势的比较普遍的方法.

准饱和细砂在圈闭气体溶解过程中渗透系数的变化

准饱和含水层的渗透系数会随着圈闭气体饱和度的增大而变小,但受限于试验操作和测量精度,通过传统驱替试验很难获得大量连续的圈闭气体饱和度数据,因此限制了小圈闭气体饱和度及其对应的准饱和渗透系数之间关系的准确刻画。研究设计了一个以氧气代替天然圈闭过程中空气的准饱和细砂圈闭气体溶解试验,通过精确测量溶解过程中水中可溶性氧和相应的渗透系数得到了大量连续的圈闭气体饱和度及其准饱和渗透系数的数据。试验结果表明,在小于5%圈闭气体饱和度的区间,圈闭气体进入到无效孔隙中,因此不影响渗透系数的大小;圈闭气体饱和度在5%~6%时会形成孔喉阻塞效应,对渗透系数的影响加剧。在此基础上,构建了预测准饱和渗透系数的van Genuchten模型。与传统Faybishenko幂律模型相比,新构建的模型很好地表征了小圈闭气体饱和度对渗透系数影响不大的特征;在其他圈闭气体饱和度时,新模型与传统模型的预测性能相当。新构建的准饱和渗透系数模型为深入研究准饱和水流和溶质运移奠定了基础。

循环荷载作用下饱和砂土的性质演化规律及液化阶段性特征

正确认识饱和砂土在液化过程中的性质演变规律是解决可液化土层大变形问题的关键。通过饱和砂土不排水三轴试验,研究了饱和砂土液化过程中剪应力-剪应变关系、孔压增长速率和流动性的演化规律。发现饱和砂土由固态向液态的转变过程存在显著的阶段性特征,饱和砂土的液化过程可根据孔压比增长速率特征点划分为固态、固-液过渡、触变性流体及稳定流体四个阶段,而土体的孔压比增长速率与其产生的残余剪应变相关;围压和循环应力比会影响土体液化过程中各阶段的持续时间,围压越低、循环应力比越高,饱和砂土越容易从固体阶段转变为流体阶段;饱和南京细砂从一个阶段进入另一个阶段的所需振次与对应的孔压比之间呈线性关系。

饱和细砂的动力反应及其中的弹性体波

该文通过室内试验揭示了饱和细砂在动荷载作用下的液化—析水—再固结动力反应过程 ,试验测得的超静孔隙水压力—时间关系曲线定量地反映了超静孔隙水压力的产生、发展和消散规律。试验结果和理论分析表明 ,动荷载作用下饱和细砂中存在着三种弹性体波———第一压缩波 (P1 波 )、第二压缩波 (P2 波 )和剪切波 (S波 )。

强震作用下饱和粉细砂液化振动台试验

针对强震区饱和粉细砂液化问题,依托海南铺前大桥实体工程,基于振动台模型试验,选用叠层剪切式模型箱,模拟自由场在地震作用下的振动反应,分析0.15g^0.80g地震动强度下不同深度饱和细粉砂孔压比的变化规律,探讨饱和粉细砂的液化判别方法.结果表明:饱和粉细砂超静孔隙水压力、孔压比的增长滞后于地震动应力,且粉细砂深度越深,滞后时间越长,上覆土层厚度对于饱和粉细砂的抗液化性能有重要影响;深度为5 cm、60 cm和110 cm的饱和粉细砂,当地震动强度分别≥0.15g、0.20g和0.25g时发生液化,此时孔压比稳定值均≥0.8,提出以0.8作为饱和粉细砂液化的临界孔压比;对比讨论现有常用方法的液化判定结果,提出一种以饱和粉细砂深度、地震动强度和孔压比为判据的饱和粉细砂液化判别新方法,可为铺前大桥基础的合理设计与施工提供科学依据,也可为类似工程提供技术支持.

扩大头锚索在饱和粉细砂层中的受力特性

对于特殊复杂的地质条件以及对变形要求较高的地下工程,扩大头预应力锚索有效利用扩大头前端土体抗力,提高锚索的承载能力和支护结构的抗变形能力,是一种较为理想的支护方式。扩大头锚索的理论研究与设计滞后于工程经验,基于弹性理论,通过研究扩大头前端土体受力状态与土压力的关系以及锚固土体接触面的应力状态,分析了土层变形过程中锚索的受力特性,建立了扩大头预应力锚索在土体变形过程中的力学模型,通过实例验证了公式的适用性,为研究与评估施工过程中扩大头锚索的整体受力情况提供了新的思路。

饱和南京细砂动剪切模量特性的大型振动台试验研究

为了研究饱和砂土动剪切模量在振动孔隙水压力(简称孔压)升高和消散阶段的变化规律,开展了饱和南京细砂的大型振动台试验研究。基于试验数据,分析了加速度二次积分时合理选择带通滤波的低频和高频阀值的重要性,提出了由土层加速度时程确定土体动剪切模量的方法。分析孔压升高和消散阶段土体的动剪切模量比与循环周数、孔压比、剪应变幅值的关系,结果表明:与孔压升高阶段相比,孔压消散阶段的动剪切模量比明显要低,将孔压升高与消散阶段的土体动剪切模量视为相同是不合适的;大型振动台试验给出的饱和南京细砂动剪切模量比随剪应变幅值增大而衰减的速度大于室内循环三轴试验给出的结果。

饱和南京细砂液化后大变形特性试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对饱和南京细砂进行液化后静力再加载试验,研究其液化后应力–应变关系及孔隙水压力(孔压)消散特性,发现饱和南京细砂液化后的应力–应变关系呈S型曲线形状、归一化消散孔压与偏应力呈线性关系,据此提出饱和南京细砂液化后的本构模型和孔压消散模型,并进行该模型的验证性试验,结果表明2个模型的预测值与试验值较为吻合;探讨初始有效围压、相对密度对饱和南京细砂液化后特性的影响,分析结果表明:初始有效围压对饱和南京细砂液化后的本构模型及孔压消散模型均有较大影响;相对密度仅对液化后的本构模型有较大的影响,而对孔压消散模型基本没有影响。

饱和南京细砂初始液化后特大流动变形特性试验研究

针对地震中倾斜场地砂土液化流动大变形特征与机理,以具有明显片状颗粒结构特征的南京细砂为研究对象,采用了英国GDS公司的动态空心圆柱扭剪仪,开展了饱和南京细砂液化后特大流动变形特性的循环扭剪试验研究,主要分析了橡皮膜效应、有效围压、循环加载幅值和初始静剪应力等因素对南京细砂液化流动大变形特性的影响规律及其机理。试验结果表明:在其它条件不变时,随着有效围压增加,饱和南京细砂抗液化强度和抗单向液化流动累积变形强度都有所增加。当保持围压不变时,饱和南京细砂抗单向液化流动累积变形的强度有增加的趋势。随着初始静剪应力比的变大,南京细砂的抗液化和抗单向累积变形强度特征可以分为三个不同阶段。在无初始静剪应力条件下饱和南京细砂液化后仍以循环液化流动变形为主和单向流动累积变形为辅。但是,随着初始静剪应力比的增大,饱和南京细砂抗液化强度和抗单向液化流动累积变形强度明显降低,即主要发生单向液化流动累积变形破坏。当初始静剪应力比接近或超过循环动剪应力比时,饱和南京细砂的抗液化和抗单向流动累积变形的强度又明显增大,但仍以液化单向流动累积破坏为主。当初始静剪应力比继续增大到一定程度时,饱和南京细砂已经很难液化,其抵抗单向累积变形的强度也明显降低,主要原因应为此时试样发生的是塑性累积大变形破坏。同时,试验结果表明饱和南京细砂的液化后流动大变形特性也明显区别于含圆形颗粒为主的日本丰浦砂。

爆炸法加固饱和粉细砂地基的试验研究

为探索爆炸法对饱和粉细砂加固处理的效果,在某码头吹填粉细砂地基上进行了爆炸法加固饱和粉细砂地基的现场试验。测得了试验中孔隙水压力的增长和消散过程、地表沉降和静力触探值的变化,分析得出爆炸处理粉细砂地基孔隙水压力的变化具有独特的规律,采用顺序爆炸的方式更有利于地基加固,爆炸能使饱和砂地基达到中密状态,但未能使地基得到均匀加固等一些有益的结论,结论和试验为爆炸法处理饱和粉细砂地基的理论研究和工程应用提供较高的参考价值。

土压平衡盾构在富水饱和粉细砂层中掘进事故实测分析

以南京地铁许府巷站—南京站站区间右线隧道为背景,详细描述了盾构在富水饱和粉细砂层中掘进事故的处理及监测过程,并对实测数据运用土层沉降特性及Peck地表沉降计算法进行分析,总结了事故处理和预防的经验及教训,对后续施工及类似情况处理具有一定的借鉴作用。

饱和南京细砂孔压增量模型的普适性研究

循环荷载作用下饱和砂土的孔压增长规律是土动力学的核心内容之一。基于笔者在给定相对密度、均等固结条件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验结果建立的孔压增量模型,进一步进行了不同相对密度、不同固结比务件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验,将上述均等固结的孔压增量模型拓展为适用于不同相对密度、均等和非均等固结条件的孔压增量模型。采用拓展后的孔压增量模型对试验结果进行分析的结果表明:通过该孔压增量模型预测验证试验的孔压与验证试验测试的孔压具有较好的一致性,说明该孔压增量模型具有普适性。

爆炸密实饱和粉细砂地基中孔隙水压力的增长和消散

爆炸密实法处理饱和粉细砂地基的现场试验中,对爆炸过程中的孔隙水压力进行了实测。通过分析研究孔隙水压力的变化特性,发现孔隙水压力的增长和消散具有独特的规律性。研究表明,孔隙水压力的变化与炸药量、传感器至装药孔的距离、起爆方式有关。在爆炸密实的饱和粉细砂中,孔隙水压力消散很快,30min左右就消散95%以上。