砂土上复合重力式基础承载力包络面及系泊点研究

重力式锚固基础具有较好的稳定性和环境适应性,是砂土海床上锚固海上浮式平台时较为可靠的方案.根据现有研究可知,添加裙板可提升重力式基础的各向承载力,对重力式基础打孔可减少基础所受水动力.为提升重力式锚固基础的承载能力和使用性能,本文提出了一种带有裙板和底部打孔的复合重力式基础,可显著减少传统重力式锚固基础的成本、减少基础底部水动力、便于基础贯入土体内部.本文基于有限元极限分析方法,首先研究裙板和打孔对基础竖向承载力的耦合作用,发现裙板可提升基础承载力,打孔率较高时基础承载力降低,在临界打孔率内时基础承载力不变,随后求得临界打孔率内复合重力式基础的三维承载力包络面.考虑复合重力式基础实际运用问题时,基础的实际承载能力与锚固点位置相关,使用基础的三维承载力包络面可求得最佳锚固点位置.基于实际的波浪流参数,求得基础承受的波浪力等外荷载,建立复合重力式基础的受力模型,将复合重力式基础的受力转化为三维承载力包络面中的荷载路径,求解荷载路径与承载力包络面的交点方程式得到基础提供的系泊力,对比不同系泊点位置和系泊角度得到的系泊力,发现在重力式锚固基础底部水平系泊可以为系泊缆提供最大系泊力.

考虑软土软化效应时单桩基础水平循环受荷的有限元数值模拟

海洋环境中的单桩基础受到风、波浪、海流等循环荷载长期作用,在循环荷载作用下桩和软土之间的接触面上的剪应力和桩周软土的剪切强度均会降低,从而影响桩基的承载特性。结合试验手段,通过界面剪切试验获得了Q235钢与天津滨海淤泥质软黏土之间的循环界面摩擦系数,通过动三轴试验获得了天津滨海淤泥质软黏土的循环软化参数,为量化桩土界面循环摩擦特性和桩周软土循环软化特性提供了一种参数获取方法。在此基础上,结合可考虑软土应变软化效应的软土本构模型,建立了不排水软基上单桩基础受水平循环荷载作用的有限元模型,研究了单桩在受到水平循环荷载作用下的桩头位移-反力响应与桩身截面弯矩的发展规律,并获得了循环荷载作用后桩周土体软化区域的发展规律。计算结果表明:随着循环振次的增加,桩基周围土体软化区域不断发展,高水平循环位移作用下土体软化区域沿深度发展程度高,对应桩身最大弯矩出现位置下移。

不同推进比下螺旋桩在砂土中安装力的离散元研究

螺旋桩作为一种颇具潜力的海上风电基础形式,其安装问题是螺旋桩能否成功应用在海上风电工程中的关键。基于离散元方法,采用PFC^(3D)模拟分析了螺旋桩在不同推进比下安装时的桩身受力情况以及对周围土体的影响。宏观上,研究了螺旋桩在不同推进比下安装时螺旋桩连杆侧壁、连杆端部、螺旋叶片上下表面的受力变化规律;微观上,分析了螺旋桩安装过程中桩周土体孔隙率、配位数及应力变化规律。研究表明:随着推进比的减小,螺旋桩安装时受到的竖向力与扭矩也随之降低,对桩周土体的扰动也更小;螺旋桩在推进比为1时安装与在推进比小于1时安装存在两种不同的安装机制。研究结果对进一步确定螺旋桩在不同推进比下的安装条件具有一定意义。

海底管道边界条件类型及其对走管行为的影响

针对深海海底管道两端通常与井口、悬链线立管、器管收集器等相连,管道端部边界条件复杂的情况,为了探究不同的管道边界条件对走管行为的影响,将海底管道端部边界条件简化为3种类型,即类型Ⅰ两端水平力、类型Ⅱ一端水平力一端倾斜力和类型Ⅲ一端弹性边界一端水平力,建立不同边界条件下海底管道走管数值模型,对比分析不同类型边界条件下海底管道走管行为。结果表明:类型Ⅱ边界条件与类型Ⅰ相比,随着管道端部拉力倾角增加,管道轴向拉力减小,走管量也减小,管道拉力倾角从0°增至60°,最大轴向拉力减小6.73%,走管率减小50%,这意味着悬链线立管形态改变,使得作用于海底管道的拉力方向改变,相应的海底管道走管量也随之改变;类型Ⅲ与类型Ⅰ边界条件相比,类型Ⅰ边界条件下海底管道走管率为恒值,随着升降温循环次数的增加,海底管道走管量近似线性增长;类型Ⅲ边界条件下海底管道走管率受器管收集器弹性刚度影响,弹性刚度越大,第1次升降温循环走管率越大;随着升降温循环次数增加,管道走管率快速衰减,直至为0,类型Ⅲ边界条件下多次升降温循环最终走管量通常小于类型Ⅰ。3类边界条件下海底管道走管行为差异很大,可为实际工程中分析海底管道端部边界条件类型、选定合适的边界条件提供参考。

被困空腔对T-bar循环贯入软黏土流动特性影响的试验研究

为观测和分析T-bar循环贯入过程中被困空腔对软黏土流动特性的影响,利用Laponite RD、焦磷酸钠和去离子水配制透明黏土,自制由加载设备、CCD相机、激光器和控制系统组成的T-bar循环贯入试验装置,开展T-bar在透明黏土中的循环贯入试验。结果表明:T-bar初次贯入过程中,被困空腔影响土体绕探头的流动,土体不能进入全流动状态;T-bar初次上拔过程中,被困空腔与探头发生脱离,悬浮于探头上方,对土体流动的影响逐渐减弱,T-bar上拔2倍探头直径深度时土体流动不再受被困空腔影响,进入到全流动状态;第2—第10次循环贯入过程中,被困空腔稳定悬浮于土中,不影响土体流动,T-bar贯入1倍探头直径深度时土体流动表现为全流动状态;被困空腔对于T-bar循环贯入测试结果无显著影响,在T-bar初次贯入被困空腔阶段下通过T-bar循环贯入测试软黏土重塑强度是合理的。

非饱和压实土率敏性及蠕变时效特征试验研究

为研究部分饱和状态下高填方回填土工后长期变形,对非饱和压实土在可控基质吸力下分别开展率敏性和蠕变试验,并分析两者间时效对应关系。率敏性试验采取不同加载速率的三轴剪切,分析基质吸力(0、100、200、300 kPa)、加载速率(0.40、0.02mm/min)以及超固结比(1、4和8)对土体强度和变形特征的影响,并确定三轴剪切蠕变的三级加载应力水平为抗剪强度的0.45、0.65、0.85倍;在4种可控基质吸力(0、100、200、300 kPa)下参考陈氏加载法,按三应力水平分级加载开展非饱和压实土三轴剪切蠕变试验。试验结果表明:随着基质吸力的增加,其率敏性参数ρ减小,其率敏性降低;随着基质吸力逐渐增大,其蠕变初始最大速率、稳定蠕变速率以及蠕变变形量均显著减小;蠕变试验确定的应变速率-应变关系线与率敏性试验获得的应变速率-应变数据点基本吻合,证明两者间存在一定时效对应关系,且随着基质吸力的增大,这种时效对应关系更显著。

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤,建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型,结合海底管道实际工作条件的变化范围,分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律,将6个参数作为输入层参数,以管道损伤作为输出参数,将数值模拟结果作为训练样本,通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明:坠物撞击能量越大,管道损伤越大,管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓;管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加,管道损伤减小;饱和黏土海床不排水抗剪强度越大,管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型,仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数,模型简单、便捷,能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤,数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件,具有很好的适用性,为海底管道损伤预测提供了新思路。

基于优化模型的城市供水多水源配置研究

在人口增长、社会发展和气候变化的多重影响下,城市缺水问题日益严重,多水源供水成为解决此问题的主要途径。本文建立了城市多水源供水优化模型,以澳大利亚墨尔本为例,针对不同气候和需水情景研究了海水淡化与外调水在城市供水系统的配置问题。结果显示,两种水源均能够提升需水临界点、提高供水可靠性,实现增强供水系统安全性的目标。正常气候条件下,两种水源对供水系统改善效果近似,考虑供水成本,应优先采用外调水水源;干旱气候条件下,稳定可靠的海水淡化水源优于受气候变化影响的外调水水源,但成本较高。增加供水水源、实施需求管理是保障城市供水系统安全的重要措施,城市供水多水源的配置应综合考虑供水可靠性与供水成本。

砂土海床海底管道贯入的数值模拟

为预测砂土海床海底管道贯入深度,在ABAQUS下建立了砂土海床海底管道贯入的耦合欧拉-拉格朗日有限元模型,模拟海底管道在风浪流及自重等荷载作用下贯入砂土海床的过程,研究了管-土界面摩擦系数、砂土内摩擦角、剪胀角及弹性模量对管道贯入深度的影响。结果表明,在海底管道贯入过程中,管道两侧海床隆起,在海床土体内形成了自管道底部延伸至海床表面的连续滑动面,砂土破坏表现为整体剪切破坏形式;管-土界面摩擦系数、砂土内摩擦角及剪胀角均会影响砂土海床海底管道贯入深度,其中砂土内摩擦角对海底管道贯入深度影响最大,而砂土弹性模量则对海底管道贯入深度没有显著影响。海底管道贯入阻力随管-土界面摩擦系数、砂土内摩擦角和剪胀角增加而呈幂函数增大。所提海底管道贯入深度预测公式考虑了管-土界面相互作用和砂土力学特性的影响,能准确预测砂土海床中管道的贯入深度,可为砂土海床海底管道在位稳定性评估提供基础数据。

西南水电开发项目参与方合作博弈研究

西南水电在我国能源结构中占有重要比重,研究西南水电开发项目参与方合作博弈对于解决各参与方之间利益冲突问题具有重要理论和实践意义。基于伙伴关系合作理念,构建合作意愿度模型,并通过西南水电开发项目利益相关者合作现状对实地调研所收集的数据进行验证。理论方面,揭示了参与方初始合作意愿度越高,收益水平就越高,并且引入激励机制有助于改善合作效果、提升合作收益;应用方面,提出西南水电开发项目应注重根据参与方的特点建立相应的合作机制,例如加强设计与承包商间的有效沟通和业主对设计的绩效评价与激励等,以提升项目绩效。

钢结构模块化施工及其在中国建筑业中的应用

模块化施工是建筑行业几十年来各种预制技术的进步,是将这些技术集成到提供整体解决方案的平台。由于施工速度快、现场工作量小,故模块化施工正成为现代建筑业中较为流行的施工方法。钢材在模块化结构中应用非常广泛,为设计多用途结构时提供了一种更为有效的选择。这种结构既易于安装,模块相对较轻,又适合拆卸。在中国钢铁工业持续快速发展的同时,将钢材应用于模块化施工等现代建筑技术,将在国内外产生巨大效益。

地理设计中的优化

在景观决策中采用优化算法已经被看作是设计过程的对照。实际上,迈克尔·F·古特柴尔德已明确地将最优化、小尺度(small-d)设计归为运筹学和管理科学的一部分,并将其与隶属于景观设计与规划的大尺度(big-d)设计进行了区分[1]。本文论证了通过优化技术与地理设计技术的结合,以促进形成而非缩小景观设计或规划的决策空间。古特柴尔德认为优化并不一定局限于形成单一的决策方案,而是通过对目标和限制因素(空间和全球性)的调控,产生一系列不同的决策方案。优化算法的优势在于众多的决策方案是位于非支配集中的。当用户使用互动式地理设计工具来勾勒形状和编辑属性时,无论以何种标准衡量,所得到的许多解决方案都将次于另一些解决方案。优化方法能够剔除这些劣等方案,有利于设计师和利益相关者的决策过程。空间及其属性抉择的互动过程非常重要;然而真正的挑战在于构建能够将这些功能与稳健优化算法相联系的系统。本文总结了森林管理和区域景观规划的各种可能性,并探索了抉择过程中的快速响应时间,这能够支持在非劣等方案间做出选择,以及应对随时间变化的不确定性和环境条件。