Numerical Analyses of Caisson Breakwaters on Soft Foundations Under Wave Cyclic Loading

A caisson breakwater is built on soft foundations after replacing the upper soft layer with sand. This paper presents a dynamic finite element method to investigate the strength degradation and associated pore pressure development of the intercalated soft layer under wave cyclic loading. By combining the undrained shear strength with the empirical formula of overconsolidation clay produced by unloading and the development model of pore pressure, the dynamic degradation law that describes the undrained shear strength as a function of cycle number and stress level is derived. Based on the proposed dynamic degradation law and M-C yield criterion, a dynamic finite element method is numerically implemented to predict changes in undrained shear strength of the intercalated soft layer by using the general-purpose FEM software ABAQUS, and the accuracy of the method is verified. The effects of cycle number and amplitude of the wave force on the degradation of the undrained shear strength of the intercalated soft layer and the associated excess pore pressure response are investigated by analyzing an overall distribution and three typical sections underneath the breakwater. By comparing the undrained shear strength distributions obtained by the static method and the quasi-static method with the undrained shear strength distributions obtained by the dynamic finite element method in the three typical sections, the superiority of the dynamic finite element method in predicting changes in undrained shear strength is demonstrated.

Characteristics of Pore Water Pressure of Saturated Silt Under Wave Loading

The characteristics of dynamic stress in the seabed under wave loading are constant principal stress and continuous rotation of the principal stress direction. Cyclic triaxial-torsional coupling shear tests were pefformed on saturated silt by the hollow cylinder apparatus under different relative densities, deviator stress ratios and vibration frequencies to study the development of pore water pressure of the saturated silt under wave loading. It was found that the development of pore water pressure follows the trend of ＂fast - steady - drastic＂. The turning point from fast to steady stage is not affected by relative density and deviator stress ratio. However, the turning point from steady to drastic stage relies on relative density and deviator stress ratio. The vibration cycle for the liquefaction of saturated silt decreases with increasing deviator stress ratio and increases with relative density. The vibration cycle for the liquefaction of the saturated silt increases with vibration frequency and reaches a peak value, after which it decreases with increasing vibration frequency for the relative density of 70%. But the vibration cycle for the liquefaction of saturated silt increases with vibration frequency for the relative density of 30%. The development of pore water pressure of the saturated silt is influenced by relative density and vibration frequency.

不均匀波浪荷载作用下海积软黏土的动力特性

为研究饱和海积黏土在均匀与不均匀波浪荷载作用下的循环特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪进行了一系列不排水试验,在相同的初始固结状态下,对试样施加不同最大偏应力q_(max)、最小偏应力q_(min)的圆形及螺旋形应力路径的轴—扭联合循环载荷。分析了在考虑主应力轴旋转时,这两种不同应力路径的循环应力比R_(CS)与动应力比δ=q_(mim)/q_(max)对循环加载期间土体动力特性的影响。试验结果表明:R_(CS)与δ的增大均能提升黏土在波浪荷载下的孔压、轴向应变、双幅剪切应变及其速率,同时也能使土体轴向回弹模量与动剪切模量的衰减更严重,且δ的作用效果会随R_(CS)的增大而增大。当R_(CS)≤0.05时,土体在循环期间保持为“弹性安定或塑性安定”状态;而当R_(CS)≥0.06时,土体会处于“疲劳破坏”或“塑性蠕变”状态,其具体形式由R_(CS)与δ共同决定。土体在循环过程中的轴向回弹模量与动剪切模量近似呈一定比例。

Cyclic strength of sand under a nonstandard elliptical rotation stress path induced by wave loading

The principal stress rotation is one of the most important features of the stress state in a seabed subjected to wave loading. Most prior investigations focused their attention on the cyclic behaviour of soil deposits under the circular rotation stress path based on the analytical solutions for a seabed of infinite thickness. In this paper, the nonstandard elliptical, i.e., non-circular, rotation stress path is shown to be a more common state in the soil sediments of a finite seabed with an alternating changeover in stress due to a travelling regular wave. Then an experimental investigation in a hollow cylinder triaxial-torsional apparatus is conducted into the effect of the nonstandard elliptical stress path on the cyclic strength. A special attention is placed on the difference between the circular rotation stress path and the elliptical rotation stress path. The results and observations show that the shear characteristics for the circular rotation stress path in the literature are not applicable for analyzing the cyclic strength of sand in a finite seabed, and also indicate that due to the influence of three parameters about the size and the shape of a nonstandard ellipse, the cyclic strength under a nonstandard elliptical rotation stress path is evidently more complex and diversified as compared with that under a circular rotation stress path. Especially the influence of the initial phase difference on the cyclic strength is significant.

波浪循环荷载作用下盾构穿越海堤过程中下卧软土的弱化响应研究

以穿越海堤的电厂进排水隧道盾构施工为背景,利用空心圆柱扭剪仪实现软土单元主应力轴连续旋转来模拟波浪荷载,逐步降围压来模拟地层损失引起应力释放,研究了波浪荷载长期循环剪切作用下盾构施工对软土强度特性影响规律。基于波浪荷载作用下土体单元上的应力分量计算公式,结合试验仪器特点设计了盾构施工和波浪耦合作用下软土的应力路径,开展了不同围压降低程度下软土的长期循环剪切试验和固结不排水三轴剪切试验。试验结果表明:(1)软土单元的各应变分量基本呈正弦或余弦曲线分布,竖向应变ε_z和扭剪应变ε_(zθ)受盾构施工的影响较小,径向应变ε_r和环向应变ε_θ受盾构施工影响显著;(2)盾构施工和波浪荷载均会降低原状软土的动剪切刚度,且二者耦合作用对软土刚度的影响要明显高于波浪荷载单独的影响;(3)盾构施工引起的土体损失会显著降低软土孔压,盾构施工完成后,波浪引起孔压缓慢累积;(4)循环荷载作用下,盾构施工扰动程度越大,土体的强度降低越多,盾构施工和波浪荷载的耦合扰动效应不容忽视。

波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤性状试验研究

箱筒型基础防波堤是一种新型的防波堤结构,适用于较深水域且海底为软土地基的筑堤情形。然而,这种新型防波堤出现时间较短,对其性状表现的认识尚在积累中,采取何种破坏模式进行设计计算是一个关键难题。为此,开展了土工离心模型试验,探讨了波浪荷载强度、波浪作用持续时间、结构下筒长度和压载等因素对防波堤结构位移模式的影响。试验在离心机高速运转条件下模拟了周期性循环波浪荷载,观测了箱筒型基础防波堤的水平变位、沉降和倾斜以及地基中孔隙水压力等反应。结果发现,修建于给定条件地基上的箱筒型基础防波堤能够很好地抵抗设计荷载强度波浪作用,所发生的沉降、水平变位和倾斜度均不会超出相应的控制值,其主要位移破坏模式为防波堤倾斜过度而失稳或水平变位超出容许值而发生侧向滑动破坏。

天津港软黏土强度循环弱化试验研究及应用

波浪循环荷载作用下,饱和软黏土产生强度弱化效应,表现为土体的强度降低,变形模量减小,从而使地基的承载能力大幅度降低,降低了防波堤等重力式结构物和构筑物的安全稳定性,甚至造成工程事故.模拟防波堤地基土在波浪循环荷载作用下的实际应力路径,对天津港原状软黏土进行了室内动、静三轴试验,由试验数据确定了不同荷载组合下软黏土抗剪强度折减率的规律性曲线,进而确定了波浪循环荷载作用下软黏土的强度弱化程度,可作为工程设计参考.作为应用实例,结合软黏土强度折减规律及有限元方法,分析了波浪循环荷载作用下半圆体防波堤地基稳定性以及地基加固方案的有效性.

作用于防波堤上波浪荷载的离心机模拟

随着港口码头向深水大吨位化的发展,新扩建防波堤逐渐向深水区延伸,防波堤受到的波浪荷载强度越来越高,当堤基位于海底软黏土层上时,由于地基承载力低,往往考虑轻型防波堤结构,在某一防波堤延伸段工程中就推出了薄壁箱筒型基础防波堤新结构。然而,这类轻型防波堤能否经得住设计波浪荷载的作用以及它的性状为工程师所关注,故希望通过土工离心模型试验,在高速旋转的离心力场中模拟作用于防波堤结构上波浪荷载作用,观察其动态反应特性。根据电磁激励器原理研制开发了一套非接触式循环波浪荷载模拟器系统,能提供不同频率、幅值高达1200 N的不对称周期性往复荷载,满足了波浪荷载模拟需要。文中随后介绍了该装置在箱筒型基础防波堤结构与地基的波浪荷载作用试验中的应用,试验测量了防波堤结构的水平变位、沉降和倾斜以及地基中孔隙水压力等性状反应,基于模型试验结果,探讨了波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤的破坏模式,结果发现,主要破坏模式为防波堤倾斜过度而失稳或水平变位超出容许值而发生侧向滑动破坏。

波浪荷载作用下斜向抗拔桩的承载特性分析

针对浮式海洋结构采用的桩基础,考虑土的循环软化效应,将软土的循环强度与Mohr-Coulomb屈服准则相结合,基于拟静力弹塑性分析建立了循环波浪载荷作用下斜向抗拔桩循环承载性能的计算模型,确定了斜向上载荷作用下抗拔桩的循环承载力,并与单调加载作用下的斜向抗拔桩的极限承载力进行了对比,进一步探讨了桩长、桩径、桩体模量及载荷循环次数等因素对斜向抗拔桩循环承载力的影响。研究结果表明:循环波浪荷载的作用导致了斜向抗拔桩土体循环强度的分布不均匀,从而降低了地基的循环承载力。斜向抗拔桩的动态极限承载力随循环次数的增加而降低,随桩长、桩径及桩体模量的增大而增大。

应力水平对结构性软黏土静力和动力变形特性影响的试验研究

采用原状和重塑软黏土样进行测量剪切波速的压缩试验及循环三轴试验,结果表明:在静荷载作用下,原状软黏土的变形特性随应力水平变化均可分为3个阶段,这3个阶段以先期固结应力和结构屈服应力为分界点,利用剪切波速可简单、方便地判定出这2个关键应力值;重塑软黏土的变形规律与应力水平无关。对土体施加循环荷载时,两种土在不同固结应力下的应变–振次关系曲线上均存在着一个转折点,施加的动应力幅值不同,转折点应变也不相同,但该应变与相应的破坏振次呈线性关系。对于原状软黏土样,其转折点应变–破坏振次关系分3个阶段变化,且与压缩试验的3个阶段具有良好的对应关系;对于重塑软黏土样,其线性关系基本不随应力水平变化而变化;当原状土结构破坏后,两种土样的变形规律趋于一致。

液氮冻融循环作用下饱水煤样力学特性试验研究

液氮注入低渗煤层致裂、增透是提高瓦斯抽采率的新技术。液氮是超低温流体,与煤作用的温度应力引起煤结构损伤和力学特性改变,进而影响煤矿安全开采。为揭示液氮冻融循环作用对煤力学特性的影响,将取自于纳林河矿的原煤,制成饱水煤样,开展液氮冻融循环和力学特性试验。通过波速测试、单轴压缩试验和循环荷载试验测试液氮作用前后煤的波速、弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、压密应变、破坏应变和疲劳寿命的变化,分析液氮冷冻和冻融循环次数对煤力学特性的影响规律。结果表明,液氮冷冻和液氮冻融循环次数对煤力学特性有很大影响。液氮冷冻后,煤样结构损伤,力学性能劣化。液氮作用1次,煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了32.9%、0.2%、29.9%、35.9%和22.7%,泊松比和压密应变分别增加了18.2%和2.1%。液氮作用3次煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了44.9%、20.8%、57.8%、44.7%和42.3%,泊松比和压密应变分别增加了59.1%和16.7%。随着液氮冻融循环次数的增加,煤样结构损伤和力学性能劣化加剧。单轴抗压强度、疲劳寿命与液氮冻融循环次数呈负指数函数关系,弹性模量和压密应变与液氮冻融循环次数呈线性关系。

波浪循环荷载作用下软粘土软化机理研究综述

软粘土在波浪循环荷载作用下,会发生变形增加、强度降低的软化现象。软粘土软化特性的深入研究,对指导工程实践、科学预防工程事故,具有重要的学术价值和经济意义。文章依次对国内外关于波浪循环荷载作用下软粘土软化的研究进展、软粘土软化影响因素、软化机理以及现阶段常见的软化模型进行了阐述,并对防治软粘土软化的对策进行了探讨。

黄骅港淤泥动力特性的三轴试验研究

针对波浪作用的具体特点,对黄骅港海床表层淤泥进行了动模量、动变形及动强度试验。给出了该淤泥的动模量和阻尼比随固结压力和动剪应变的变化关系。通过分析该淤泥的动强度曲线发现,对于一定的固结压力对应于长振次(>1 000)的破坏动剪应力差别很小,可能存在一个门槛动剪应力,在该应力下即使长振次振动也不会发生破坏。该淤泥在波浪作用下的固结不排水剪切动强度约为静固结不排水强度的50%。

砂岩疲劳特性的超声波速法试验研究

岩石地基或边坡在长期动荷载的作用下将产生疲劳损伤,岩石和混凝土材料都属于脆性材料,在疲劳损伤衰减规律上有很多相似的地方,但其变形及损伤特征也存在一些实质性的差别;另外,岩石材料由于其风化程度不同或所含成分及含量不同,其疲劳损伤演化进程也都不相同。对砂岩在循环荷载作用下的疲劳损伤特性进行实时超声波速的跟踪研究,研究结果表明:穿透砂岩试样的横向超声波速随着荷载的循环次数发生明显的三阶段衰减,即初始迅速衰减、稳定衰减与临近破坏的急速衰减三个阶段,它们分别约占疲劳寿命的10%,85%和5%,相比混凝土材料而言,到达第2阶段末波速的衰减幅度较小,且第3阶段经历的循环次数相比疲劳寿命而言极短;基于超声波速定义损伤变量,建立砂岩疲劳累积损伤的演化方程;最后对不同类型的砂岩疲劳特性进行对比分析,结果表明,含砾砂岩与粉砂岩疲劳过程中纵波波速都发生了明显的衰减现象,衰减速率前者高于后者;弱风化的砂岩疲劳损伤过程中纵波的衰减现象比强烈风化的砂岩明显。相关成果可为类似岩质地基、边坡的疲劳健康诊断提供理论依据。

波浪荷载作用下非均等固结饱和粉土孔压特性研究

选用近海地区分布广泛的粉土作为研究对象,利用空心圆柱仪进行了模拟波浪荷载作用下的循环三轴-扭剪耦合试验,探寻非均等固结条件下饱和粉土孔隙水压力的发展特性。试验结果表明:非均等固结条件下,饱和粉土孔压比与广义剪应变之间的关系符合双曲线发展形式,孔压比与振次比之间的关系可以用幂函数来较好地拟合。根据极限状态的摩尔—库仑定律,推导了少粘性粉土孔隙水压力极限值计算方法,并将计算值与试验值进行了比较。孔压比和固结比的计算值与试验值之间均符合直线型关系,且固结比越小,计算值与试验值之间的差异越小。

波浪荷载作用后软黏土静强度弱化及软基加固研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对取自于长江口的海洋原状饱和淤泥质软黏土,在不固结不排水条件下,分别进行了动三轴、45°线耦合以及圆耦合等多种复杂循环剪切试验及循环荷载作用后静三轴试验;通过室内试验模拟堆载预压加固软基,并针对加固后土体进行了上述系列试验.结果表明,对应相同循环剪切次数,双向耦合大于单向循环剪切产生的应变与孔压增量,双向循环荷载作用后静强度衰减更加明显;而对于双向耦合循环剪切,圆耦合循环剪切大于45°线耦合循环剪切产生的应变与孔压增量,且剪切后静强度衰减更加显著.土体经过加固处理后,循环剪切产生的应变明显变小,而且循环应变要较累积应变表现得更为突出;孔压的累积效应要比循环效应更加显著,并且循环荷载作用后静强度衰减程度明显降低,表明土体经加固处理后抵抗循环荷载弱化能力得到极大增强.长江口导堤的重建工程证明了试验结果的可靠性并说明了该研究具有的重要工程应用价值.

船行波对内河饱和软黏土刚度和强度弱化影响试验研究

近年来随着内河航运业的发展和船舶大型化的趋势,船行波对内河航道岸坡的稳定性影响不容忽视。船行波是一种动荷载,长期作用于内河表层饱和软黏土,对其刚度和强度影响严重。通过动三轴试验模拟了船行波对内河饱和软粘土的刚度和强度的影响,并对动三轴试验后的土样进行不排水剪切试验,研究了船行波荷载长期作用后内河表层软粘土的强度弱化。通过研究建立了考虑循环荷载比的软化指数经验公式;建立了考虑循环荷载比的土体残余应变计算经验公式,并在此基础上建立了土体强度折减与残余应变的关系;最后依据莫尔库伦准则给出土体粘聚力和内摩擦角的强度折减系数与循环应力比关系经验公式。

循环荷载作用下软基上大圆筒结构弹塑性有效应力分析

采用隐式积分算法将改进的剑桥弹塑性动力本构模型引入大型通用有限元软件ABAQUS,对循环荷载作用下软土地基与大圆筒结构耦合系统的失稳破坏机理进行了探讨。与前人的循环三轴试验结果比较表明,该模型可以合理的模拟软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压累积效应。进而基于忽略土骨架和孔隙水惯性效应的广义Biot固结理论的简化形式,建立软基上大圆筒结构的有效应力分析模型,探讨不同幅值循环荷载作用下结构的不同变形模式以及失稳机理。计算结果表明:当循环荷载幅值较大时,大圆筒结构与地基耦合系统的瞬时位移较大,而残余变形相对较小;而当循环荷载幅值较小时,大圆筒结构与地基耦合系统的残余位移相对较大。

静载荷与循环冲击作用下岩石损伤变量定义方法的选择

选择合理参数定义损伤变量,对研究静载荷与循环冲击组合下岩石的损伤演化特性具有重要的意义.基于动静组合加载实验装置,对岩石开展静载荷与循环冲击组合加载试验,根据试验结果并依据现有定义静载荷作用下岩石或混凝土损伤变量的方法,从能否表征岩石动态疲劳力学性能的演化规律、第1次冲击造成的损伤以及最终的合理损伤等3个角度,对定义岩石损伤变量的参数进行选择研究.结果表明,残余应变和波阻抗可以定义静载荷与循环冲击组合作用下岩石的损伤变量;与波阻抗相比,残余应变计算损伤变量受主观因素影响较大.

循环冲击下波阻抗定义岩石损伤变量的研究

在动静组合加载试验系统上,对有轴向预应力的岩石进行循环冲击时无法测量其声波波速,以致于不能用声波波速值的变化研究此过程中岩石的损伤演变特性,为此提出了基于岩石波阻抗定义其损伤变量的方法。在理论上证明裂隙岩石的密度和纵波波速间具有良好的正向相关性,在同一损伤过程中,岩石的波阻抗与其纵波波速的相对变化量接近,根据密度和纵波波速都能反映岩石损伤的现实,得出基于岩石波阻抗定义岩石损伤的方法是可行的结论,并给出其定义损伤变量的表达式。根据一维应力波理论,推导出由入射波和反射波或透射波求解波阻抗的表达式。对利用霍布金森压杆装置进行试验时应力波在岩石试件两界面间多次透反射的过程进行了分析,在此基础上,确定了由试验数据计算循环冲击过程中岩石波阻抗的方法。对岩石试件进行了无初始应力的循环冲击试验,测量了岩石在每次冲击后的纵波波速,得出了基于波阻抗和纵波波速定义的损伤变量具有相同的变化趋势的结论,并分析了二者之间有差别的原因。研究结果表明,在入射能大小接近的循环冲击过程中,利用波阻抗定义岩石损伤变量的方法是可行的。