Theoretical and experimental analyses of casing collapsing strength under non-uniform loading

Failure data from oilfield showed that casings which were designed according to API standards were deformed and collapsed in salt formations. The main reason for decrease in strength may be caused by non-uniform loading(NUL) that was not considered in traditional casing collapsing strength design or that the designing method should be improved and developed. Obviously, the calculation of casing collapse strength is one of the key factors in casing design. However, the effect of NUL on casing collapse strength was generally neglected in the present computational methods. Therefore, a mechanical model which can calculate casing collapse strength under NUL was established based on the curved beam theory of the elasticity and was solved using displacement method. Simultaneously, three anti-collapse experiments were performed on C110 casing under NUL, and the strain and deformation laws of three casings in the process of collapse were obtained by the electrical method. Yield limit of every casing was obtained by analyzing those data. Experimental results are consistent with the results of calculation of new model. It indicates that the model can be used to calculate yield limit loading of casings under NUL.

Shaking table comparative test and associated study of a stepped wall-frame structure

A new structural system called a stepped wall-frame structure is proposed in this study to solve the bottom yielding problem of RC frames, which widely occurred during previous earthquakes such as thc Wcnchuan and Yushu earthquakes in China. A 1/5 scale ordinary RC frame model and a stepped wall-frame model were subjected to shake table motions together to study the seismic behavior of the new structural system. This paper presents the dynamic characteristics, the seismic responses and the failure and collapse mechanism of the two models under low, moderate and high intensity shaking. The test results and further analysis demonstrate that the seismic performance of stepped wall-frame structures is superior to ordinary RC frames in terms of the well-controlled deformation pattern and more uniformly distributed damage. The stepped wall can effectively suppress the bottom yielding mechanism, and is simple, economical and practical tbr engineering practice.

古土壤层间富水对黄土场地湿陷性的影响

黄土地层中往往交替分布着多层红色古土壤层,由于其硬度相对较高,遇水不易湿陷,对黄土地层湿陷量的测量结果有很大的影响。然而,对于古土壤对湿陷量的控制作用目前还缺乏相关研究,导致对湿陷地层湿陷量的科学取舍缺乏理论依据。为此该文统计了黄土高原区的浸水试验结果,分析了不同区域湿陷量室内外差异特征,并以西安地区两个试验场地的大型浸水试验为研究对象,进行了不同试验条件下土体中水分的扩散、含水率的变化、土压力变化以及累计湿陷量等测量工作。最终结果表明,古土壤层的存在阻碍湿陷进程,在阻止水分下渗的同时,阻碍深部地层湿陷量传递至地表,使得湿陷量实测值与计算值之间的差异与古土壤层数呈现正相关的趋势。该文将为普遍存在古土壤的黄土地层自重湿陷机理的研究提供参考。

积石山M6.2地震诱发秦阴村黄土震陷灾害研究

2023年12月18日在甘肃省临夏州积石山县发生的M6.2地震诱发了多处黄土震陷灾害。通过对积石山县石塬镇秦阴村黄土震陷灾害进行现场调查,得出灾害的主要特征;利用原状黄土开展室内试验,研究秦阴村黄土的物性参数特征、微结构特征和震陷性,结合现场调查结果分析震陷灾害产生的主要原因。研究结果表明:秦阴村震陷区内土体酥裂,裂缝发育,边缘土体坍落或产生滑坡;土层呈反倾台阶状震裂破坏,最大沉降量57 cm,裂缝最大长度约300 m,宽度约83 cm。震陷区黄土土质疏松、含水率较高、架空孔隙发育、颗粒胶结较弱,具备产生震陷的土性条件。震陷区黄土层厚度较大,地震的等效动应力大于土体产生震陷的临界动应力,且地震动持续时间较长、卓越周期较大,使得场地产生了严重的震陷破坏。

Practical Engineering Behavior of Egyptian Collapsible Soils, Laboratory and <i>In-Situ</i>Experimental Study

In many sites on Egypt desert roads collapsible soils is broadly classified as a problematic soils containing silty fine sand which is cemented with low density and low degree of saturation which is susceptible to a large and sudden reduction in their volume upon inundation, with or without vibration in its stress. Four sites have been studied for new urban, roads and industry work sits, related to increase in natural water content. These soils go through radical rearrangement of their particles, causing sudden changes in the stress-deformation behavior which cause differential settlement of foundation and roads. This change in volume can lead to foundation failures and worth of damages under ground public facilities and infrastructure. In this study, the search program is developed to establish their different behavior under wetting in two phases: field and laboratory work. The obtained results are useful in mapping the trend of the factors affected in assessing soil collapsibility rate or collapse potentials which are observed in construction with volume change problems. The major factors observed are the natural structure skeleton of the soil particle and its grain size and mechanism of soil sedimentation. The field collapse potentials value assigned for these tested sites along Alexandria—Cairo desert road indicated that the field measured collapsibility potentials are smaller than those measured on the same extracted undisturbed samples in laboratory by 15%, which can be saved in coast, change in proposed collapsibility improvement method and change in select foundation type. Also, field tests evaluate the collapsibility rate with time and highlight that environmental history and natural soil structure in field are the important factors affected on these soil collapse, and also, knowledgeable by collapsible soils during wetting in these sites studied.

粉煤灰堆积体大断面连拱隧道失稳破坏模式及施工力学研究

国内目前并无在粉煤灰堆积体中采用暗挖法修建大断面连拱隧道的先例,给隧道的设计和施工带来了巨大挑战。依托盐坪坝隧道工程,开展了室内相似模型试验,探讨了该地层下大断面连拱隧道塌落拱演化规律及开挖施工力学行为。研究结果表明:连拱隧道在粉煤灰堆积体中开挖极易发生失稳,将失稳过程划分为4个演化阶段,破坏模式具有突发性、剧烈性、对称性、同步性特征;塌落拱高度约为隧道开挖跨度的40%。采用单侧壁导坑法开挖时粉煤灰堆积体承载力严重不足,根据相似换算关系左、右洞拱顶沉降分别为16.86,14.91cm,需对地层实施注浆加固;地层沉降呈对称“双峰状”,先行洞相较于后行洞受开挖影响较大,中隔墙的承载作用能够有效降低地层位移,单洞压力拱向双洞压力拱转换过程中,中隔墙受到偏压作用容易向先行洞侧偏转,建议在先行洞开挖时中隔墙添加支撑物。

水位下降速率对岩溶土洞塌陷的影响分析

水位升降引起的水气压力变化会导致岩溶土洞塌陷。通过开展物理模型试验与FLAC3D数值模拟相结合的方式,模拟相同供水速率不同排水速率下的水位升降波动对岩溶土洞的致塌过程,分析了水位升降波动过程中不同排水速率对既有土洞内水气压力的变化、覆盖层土压、变形的影响,建立了排水速率,覆盖层变形、塌陷与水气压力的关系,提出了水位波动对土洞塌陷的作用规律。结果表明:(1)排水速率对水气压力变化的影响规律基本一致但变化程度不同。水气压力的变化程度、响应时间与排水速率呈正相关。(2)覆盖层变形量、土压的变化与水气压力变化呈正相关,但影响程度不同,排水速率只是加快了其变化程度。(3)土洞变形、塌陷程度是综合因素所致。排水速率、水位波动次数对既有土洞中水气压力变化、以及土体变形效应均具有不同程度的影响。(4)数值模拟结果与试验室模型试验所得结论基本吻合。这些规律为进一步研究水动力因素对岩溶塌陷的作用规律提供了重要的理论支撑,为合理防治、预测岩溶塌陷提供了依据。

考虑相态的垮落体材料细观参数标定方法研究——以平行黏结模型为例

基于散体力学和散体的实验室常规试验,在考虑垮落体开挖过程中煤岩颗粒呈现的多相态特征的基础上,提出结合剪切试验和颗粒柱坍塌试验的宏细观参数关系标定试验和标定方法,以颗粒流程序(particleflowcode,简称PFC)线性接触模型为例对标定试验中的各类宏细观参数关系进行了分析,并结合垮落体中救援通道开挖的相似模拟和数值模拟试验对标定方法进行了验证。结果表明:(1)剪切试验和颗粒柱坍塌试验能分别有效地反映垮落体结构在准静态流状态下的剪切破坏和垮落体在快速流状态下碰撞时的能量演变;(2)物理参数和力学参数中,摩擦系数和局部阻尼分别对处于准静态流的剪切试验和处于快速流的颗粒柱坍塌试验起主要影响作用,颗粒形态对两者的影响作用则相近且不能忽略;(3)在结合各细观参数对标定试验宏观参数的影响上,提出结合相态分析和权重分析,在确定各相态主导细观参数的基础上快速实现且满足各相态的细观参数标定;(4)采用剪切试验和颗粒柱坍塌试验标定的垮落体中救援通道开挖的数值模拟结果与相似模拟试验结果具有较高的一致性,验证了考虑相态的标定方法在垮落体研究上的可行性。

盐渍土溶陷特性研究进展

盐渍土的溶陷特性极易导致道路工程出现变形过大等问题,而盐渍土地区工程建设中盐渍土利用率的提高,不仅可以减少因弃用所致的生态破坏,而且可以就地取材节约资源、降低成本,因此,研究盐渍土的溶陷特性及其工程应用至关重要。鉴于此,系统地总结了盐渍土溶陷性研究的室内试验和现场试验方法,对比分析了各种试验方法的特点及适用范围。从研究对象出发,阐述了细粒盐渍土、粗粒盐渍土及改良盐渍土溶陷特性的研究现状,梳理了试验结果的现有分析手段,探讨了盐渍土溶陷性研究的发展方向。

湿陷性黄土场地中单桩承载力与负摩阻力试验研究

为了研究湿陷性黄土场地中土体湿陷引起的桩基承载力问题,在平凉市某工程现场利用机械成孔灌注桩(桩径0.8 m,桩长26 m)进行荷载-特殊浸水试验,对试验过程中不同深度处的桩身轴力和桩侧摩阻力进行分析。结果表明:天然状态下试验桩极限承载力大于13 200 kN,受力特性为典型的摩擦桩;由于前期泥浆护壁施工方式对孔壁的浸水影响以及桩周土沿桩长方向上物理力学性能分布的不确定性,侧摩阻力沿深度出现多个峰值,最大值均出现在泥浆护壁以上(桩身2~6 m)位置处;在渗水孔与渗水坑相结合的特殊浸水试验条件下,桩侧负摩阻力在浸水试验第8 d时趋于稳定,中性点在桩身8 m位置处,负摩阻力为107.6 kPa;试验过程中桩周土沿桩长分段发生湿陷,而不是随浸水自上到下逐渐湿陷;受到预浸水作用的试件SZH在静载试验结束后的中性点出现在桩身12 m位置处,负摩阻力为127.8 kPa,人工浸水试验主要使桩身8 m位置以上桩身轴力增大,中性点位置保持不变,表明负摩阻力受桩顶荷载、浸水方式和浸水固结时间影响显著。

岩溶区地下双空洞诱发地面塌陷演化过程的试验研究

为探究岩溶区地下双空洞联合致塌演化过程的一般规律,设计一种可视化的模拟双空洞塌陷的试验装置。为此,设计并开展了改变双空洞洞口宽度、洞口间距、砂土含水率及地下初始水位高度的室内物理模型正交试验,并通过相机和位移计记录双空洞发育过程中的土体参数变化,分析其动态塌陷过程及最终塌陷模式,对渗流作用下地下双空洞联合致塌的灾变规律进行了探究。其次,根据塌陷发生的条件和影响因素,对各因素水平赋予一定权重,采用一种半定量的预测方法对试验塌陷模式进行预测,为岩溶区群落式地面塌陷灾害的研究提供了一定的思路。结果表明:双空洞塌陷以湿润锋为界限分为水下缓慢发育和水上加速破坏两个阶段,且前者约占塌陷破坏总历时的85%以上;洞口宽度与洞口间距是影响塌陷破坏模式的重要因素;双空洞连通程度的强弱,会导致其发育的空间形态不同,最终形成三种塌陷破坏模式;湿润锋以上土体的破坏形态与砂土自身强度有关,随含水率的增加,有从漏斗形到直筒形再到坛形的变化趋势,湿润锋以下土体的破坏形态基本为漏斗形,且破裂面出现在湿润锋的分界面上;砂土含水率与塌陷破坏总历时呈负相关关系,在4个因素中的影响效果最为显著;基于半定量法的预测模型预测的塌陷破坏模式与试验实际的塌陷破坏模式吻合较好,对今后岩溶区类似地面塌陷的预测和灾害预警有一定的参考意义。

排渗失效下尾矿库溃坝三维模型试验研究

针对尾矿库渗透破坏模式,为克服二维试验槽边壁效应对模型渗流走向及溃决位置的影响,本文以某尾矿库为原型,基于自主设计的三维尾矿库溃坝模型试验平台,进行了排渗设施失效诱发的尾矿库溃坝模型试验研究,揭示了该尾矿库的溃决模式及溃决机理。结果表明:(1)排渗失效导致的溃坝呈现局部流土破坏-坝体累计变形-深层滑动面发展贯通-整体突发失稳的渐进伴突发型溃决演化模式;(2)坝体孔隙水压力骤变是坝体发生滑动破坏的关键响应指标,预示着坝体将在短时间内由滑动体前后缘局部散浸软化、流土、塌陷转变为大范围溃决,可作为坝体溃决事故的前兆信息;(3)排渗失效导致的尾矿库溃坝过程具有渐进性和突发性的特点,发生散浸与流土破坏的过程时间较长,发生深层滑动和溃决的时间短暂,该特征可为尾矿库渗透破坏隐患治理及坝体溃决应急响应提供参考。研究结果对尾矿库溃坝的灾害预防具有重要的现实意义。

木质素抑制黄土湿陷性试验研究

黄土湿陷性常引发黄土地区构筑物基础发生沉降甚至破坏,给黄土地区基础设施建设造成了严重的威胁。通过改良黄土可减轻和降低湿陷性的危害,拟采用绿色可降解工业废料木质素对湿陷性黄土进行改良,发现木质素改性黄土可显著减轻黄土湿陷性的危害,并从形变机制和微结构两方面对改良机制进行解释。研究结果表明:2%木质素掺量的黄土试样,其原有的强烈湿陷性已基本消除,改良效果在4%木质素掺量达到峰值;从形变机制看,木质素的加入改变了其结构特征,原本由湿陷性导致的结构失稳在加压期间被释放,致使改良土受湿陷影响降低;从微结构角度看,木质素会使黄土颗粒之间产生新的胶结物,使颗粒之间的联结力增强,从而提升其改良效果。通过室内试验验证木质素在抑制湿陷方面的有效性,2%木质素掺量即可达到改良效果且具有量省效宏的优点,同时符合绿色施工理念并提高工业副产品木质素的利用率,为实际工程解决湿陷问题提供新参考。

灌注桩后注浆对桩周黄土力学特性和湿陷性的影响

为了降低新疆地区黄土湿陷变形对该地区特高压输电线路塔基基础稳定性的影响,文章以新疆伊犁哈萨克自治州尼勒克县塔勒德地区的黄土为研究对象,采用灌注桩后注浆工艺对黄土地基进行改良,通过直剪试验、湿陷性测试、场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)观测和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析等方法,探究灌注桩后注浆对桩周黄土力学特性、湿陷性指标和微观结构特征的影响。结果表明:灌注桩后注浆后,桩周黄土内摩擦角由改良前的23.66°增大为26.76°,增幅为13.10%;黏聚力由改良前的20.88 kPa增加至31.30 kPa,增大49.90%;改良后较改良前黄土的湿陷系数平均下降0.026左右,湿陷系数下降明显,说明后注浆方法可以改善黄土的湿陷变形问题。

考虑场地液化的简支桥梁振动台试验研究

为了探究简支桥梁在可液化场地条件下的倒塌机理,结合实际震害调查,并对量大面广的简支桥梁进行了模拟液化场地下的振动台模型试验,采用持续增强的白噪声和正弦波作为激励,研究了简支桥梁在可液化场地条件下的倒塌机理。结果表明,振动台试验结果能够很好地再现液化现象,桩截面峰值应变位置随着液化的逐渐加深而下移,桩基自振频率随场地液化的逐渐加深而持续降低,而邻桩间距的不断增大会导致桥梁倒塌,试验结果与实际震害现象较为接近。研究对桥梁结构在地震作用下的土-结构相互作用具有一定的参考价值,也为现存类似桥梁的地震安全性评价积累了部分试验资料。

不同断面泄流槽的堰塞坝溃决模型试验研究

以2018年“11·3”金沙江白格滑坡堰塞坝为原型,对所布设的泄流槽从断面形状、位置、尺寸等方面进行考虑,采用相同颗粒级配材料,设置7种试验工况,在控制上游来水量相同条件下,对各工况下试验溃决过程进行观察,进而揭示堰塞坝溃决演变机理及其影响因素。结果表明:溃决过程可分为初始孕育阶段、溯源坡面侵蚀阶段、溯源陡坎侵蚀阶段、河床稳定平衡阶段4个阶段;不同断面形状泄流槽的溃决过程中,冲蚀程度影响范围由强到弱排序为自然组、三角形槽、矩形槽、梯形槽。对于泄流槽断面形状尺寸及位置,当宽度相同且深度较低时,受约束影响溃决过程会较为提前;当泄流槽断面一致,布设位置位于一侧时,受一侧固定约束影响,溃口宽度扩展会小于布设位置位于中间的情况。研究结果可为堰塞坝溃决机理分析及堰塞坝应急救援处置提供参考。

地形偏压作用下渗流诱发地表塌陷模型试验

目前尚缺乏对地形偏压作用下渗流诱发地表塌陷的发育和影响机理的研究,本文采用自行设计的模型,以坡度倾角为主变量,结合填土高度、相对密实度以及含水率多个变量开展了对照试验。通过对试验结果的分析,获取了塌陷发育过程的规律以及不同因素作用下对地表塌陷的影响机理。结果表明:级配良好的砂土塌陷过程可分为缓慢侵蚀、加速侵蚀和塌陷阶段;沉降槽中心位置随着坡度倾角增大向深埋侧移动,空腔面积的扩展速率随倾角增大而增大;含水率影响土的基质吸力和抗剪强度,使空腔面积扩展速率与含水率成反比,沉降槽中心位置偏移角度随含水率增大而增大,塌陷坑形状也随含水率改变有显著差异;随着砂土的相对密实度增大,塌陷范围有减小的趋势。

长江中游某崩岸段崩塌变形特征离心模型试验研究

在汛期和退水期,长江中下游河道崩岸频发,对沿岸堤防、水运交通航道、跨江大桥等建筑物具有非常大的影响。但是由于崩岸是一个动态突发的过程,影响因素较多,作用机制较为复杂,目前崩岸的机理和变形特征尚未完全揭示。以长江中游南五洲长江村崩岸段作为代表,通过现场勘察获取地层特征,采用室内物理力学试验分析土体物理力学特性,并基于崩岸段断面实测地形采用简化岸坡模型开展离心模型试验研究,同时与DDA数值分析结果对比分析,揭示了岸坡坡脚淘刷导致岸坡崩塌的过程,其中岸坡土体崩塌表现为“错动+转动”的突然崩落特征。

φ139.7 mm×12.7 mm CB125HC 高抗挤套管 抗外挤性能研究

利用实物试验和有限元模拟研究了几何参数对高抗挤套管抗挤性能的影响。检测10支同批次φ139.7 mm×12.7 mm CB125HC套管的外径、壁厚等几何参数,利用立式挤毁试验系统进行挤毁试验,得到套管抗挤强度值。对检测的几何参数和挤毁结果进行分析,研究壁厚不均度、椭圆度等对套管抗挤能力的影响。利用实测数据建立有限元模型,计算各个样品的抗挤强度值并与API计算值和实测值进行比较。结果表明:高抗挤套管的抗挤强度远大于API计算值,说明API公式不适用于高抗挤套管,有限元结果与试验结果相近,用有限元方法可快速预测高抗挤套管的抗挤能力。

湿陷性黄土地基大跨度桩基承载特性模型试验

城市车辆段上盖开发工程中的大跨度桩基具有单桩竖向承载较大、桩间大跨度范围内土体受荷较小的特点。以西安地铁某车辆段大跨度桩基为研究对象,制备人工湿陷性黄土作为相似材料,开展了湿陷性黄土地层大跨度桩基的室内模型试验,研究大跨度桩基在湿陷性黄土地层中的荷载传递机制与变形规律。结果表明:制备的人工湿陷性黄土与现场原状黄土性质接近,将其应用于模型试验时可以得到良好的效果;大跨度桩基在未浸水时,荷载沉降曲线为陡降型,桩身轴力在桩顶附近显著下降,未达到极限承载力时,桩顶沉降、桩端阻力线性增大;在黄土浸水湿陷后,桩身轴力沿埋深方向呈“D”字型分布,随着浸水时间的增加,桩顶沉降、桩端阻力先缓慢增加后显著增加,中性点位置不断向桩身下部移动。