孔隙液体相态对饱和砂土力学特性影响试验∗

天然气水合物开采过程中,水合物分解会引起沉积物孔隙液体相态变化,降低海床的安全稳定性。基于低温、高压三轴试验仪,以粉细砂土为骨架,制备含冰/不含冰甲烷水合物沉积物试样以及饱和砂土试样,开展三轴压缩试验,分析饱和砂土中孔隙液体处于不同相态条件下试样的应力?应变和强度特性,比较在剪切过程中孔隙水压力以及切线模量等参数变化。试验结果表明：含冰/不含冰甲烷水合物沉积物以及饱和砂土的强度比值约为 2.6∶ 1.7∶1,且均表现为应变硬化;含冰水合物沉积物的结构性较其余两者相对更强,即初始切线模量值相对更高;但是在遭受剪切后结构均破坏,切线模量迅速降低。     

可液化地基群桩基础地震反应总应力与有效应力分析的比较

可液化土体动力特性的描述方法可能对群桩基础动力反应产生显著的影响。基于Davidenkov本构模型和Byrne改进的增量孔压模型,对比分析了总应力法和有效应力法计算的可液化地基中群桩基础地震反应特性。结果表明,群桩外侧地基最易液化,自由场地基次之,群桩内地基土最不易液化;与总应力法的计算结果相比,有效应力法计算得到的地表加速度反应谱谱值的短周期过滤和长周期放大效应更加显著,卓越周期向长周期方向移动;同时,有效应力法计算得到的桩身弯矩也有所增大。     

论天然气水合物与海底地质灾害、气象灾害和生物灾害的关系

论述了天然气水合物与海底滑坡、全球变暖和海底生物灭绝等地质、气象、生物灾害的关系。海底天然气水合物的分解能够减小沉积物的胶结强度,并导致沉积层孔隙压力的过剩,进而诱发海底滑坡的发生。天然气水合物与全球变暖关系密切。从天然气水合物释放出来的甲烷可使地球温度升高4℃至8℃,升温的结果一方面可能中和全球变冷的趋势,另一方面也可能加剧全球变暖的趋势。全球天然气水合物大规模的分解,导致了海底单细胞生物大量灭亡,对海底生物多样性的保持构成巨大危害。在天然气水合物开发利用的设计阶段和实施阶段,必须有足够的防范意识和技术措施,防止或尽可能减少天然气水合物开发利用造成的各种环境灾害。     

海洋沉积物中的天然气水合物与海底滑坡

天然气水合物是一种由天然气和水形成的类似冰状的固体物质 ,主要存在于在低温高压背景下的海底沉积物和陆地永久冻土地带中。赋存于海底沉积物中的天然气水合物虽然本身能作为准稳定的胶结物对海底有建造作用 ,但由于其稳定性对特定温度和压力的严格依赖 ,海平面的下降、海底的连续沉积、地震等自然因素以及海洋钻探等人为因素造成的海底温压条件的改变会引起其分解 ,从而使海底沉积物失稳甚至导致海底滑坡。本文详细介绍了海底天然气水合物分解导致滑坡的机制、实例以及该种海底滑坡体的特征 ,并对以后的研究进行了展望     

海底沉积层内CO2水合物长期储存的地质风险评估∗

新一代南海可燃冰开采、固碳和地质修复三联技术采用 CO₂水合物置换开采法,将 CO₂注入开采完后的天然气水合物储层,并在低温高压条件下以水合物形态进行长期地质封存。此方法既可实现能源开采,又能有效缓解温室效应,但目前对于海底沉积层内 CO₂水合物长期储存的海底边坡稳定性问题研究较少。基于流固耦合方法和强度折减法,模拟得到海底边坡在不同位置、不同时期的应力、应变、位移变化情况,分析边坡在水合物全分解过程中的稳定性。依据南海可燃冰储藏区域的地形条件和土体参数,设计不同真实环境下的工况,探究各项参数的改变对边坡安全系数的影响。研究结果表明,将 CO₂水合物分解度控制在安全范围内,即可施行长期海底碳封存。 在水合物分解程度到一定程度后,斜坡的塑性应变值开始急剧增加,并逐渐形成了向上连通的塑性贯通区,此刻斜坡开始发生破坏。地形条件对斜坡稳定性的改变大于土体参数,影响程度排序为斜坡坡角＞水合物层厚度＞水合物层埋深,摩擦角＞黏聚力＞弹性模量,其中关键因素为坡角和摩擦角。     

不同应力状态下混凝土碳化耐久性试验研究

旨在研究混凝土在应力和碳化共同作用下的损伤机理。试验采用无应力、拉应力、压应力3种试件进行了快速碳化试验。测量了受力在0,0.15,0.3,0.45,0.6,0.75倍拉/压设计强度下的混凝土的碳化深度。实验结果表明,拉、压应力分别加快和减缓了混凝土碳化速率,且应力越大,对混凝土碳化的影响也越大。说明应力对混凝土碳化耐久性的影响是显著的。与此同时,在考虑应力影响系数的情况下,结合使用条件建立了大气环境中应力状态下混凝土碳化深度的预测模型。通过计算值和实验值的计算对比,证明了该模型的有效性。     

水合物分解中深水基础抗拔性能模型试验研究∗

我国正在推进天然气水合物开发的产业化进程,海域水合物大规模开采可能影响临近深水设施的基础承载性能,进而诱发工程事故和环境风险。采用室内缩尺物理模型试验,模拟海域水合物的开采分解以及临近锚板基础的承载性能变化过程,测试了基础在不同水合物分解程度下的抗拔性能。试验结果表明,邻近锚板基础的抗拔性能在水合物分解过程中变化显著,随着分解阵面的扩展,分解程度提高,基础的抗拔承载力急剧降低;水合物完全分解后抗拔力下降为未分解时的 2.89‰,水合物分解中抗拔力折减程度与分解锋面相对距离之间拟合呈现正相关函数关系,拉拔破坏由脆性转为塑性破坏。     

基于断裂力学和有限元的碾压混凝土坝劈头裂缝扩展的应力计算研究

混凝土坝的劈头裂缝属于断裂力学中描述的张开型(I型)裂缝。劈头裂缝应力计算中,强度因子KI和材料开裂韧度KIC是判断劈头裂缝扩展的关键参数。采用断裂力学的基本理论推导裂缝应力计算的基本公式,并借助有限元来确定强度因子和材料开裂韧度,对寒冷地区实际工程坝体裂缝进行计算,得出运行期4日型寒潮期和不同运行时段的温度裂缝长度和强度因子。通过对比发现,计算结果与大坝运行期不同工况裂缝的实际情况相符合,验证了方法的正确性。     

温度-应力联合作用下的不稳定岩块稳定性分析

在温差较大的区域,温度是诱发薄型不稳定岩块崩落的重要因素之一。考虑温度与应力联合作用下对不稳定岩块稳定性的影响,首先基于传热学方法,将x,y两个方向的温度传递分别进行计算,然后通过叠加原理建立了不稳定岩块内温度场和不稳定岩块主控结构面处的温度应力解析计算方法。考虑温度应力、不稳定岩块自重、地震和裂隙水压力联合作用下,基于断裂力学建立了不稳定岩块主控结构面的应力强度因子的计算方法,并根据不稳定岩块主控结构面的联合应力强度因子和断裂韧度构建了不稳定岩块稳定性分析方法。通过算例对比分析,结果表明,温度应力对薄型不稳定岩块的稳定性有着重要的影响,温度刚开始升高时不稳定岩块的稳定系数下降较快,随着温度进一步升高,不稳定岩块的稳定系数变化变缓;揭示了温度和主控结构结构面贯通长度联合作用下不稳定岩块稳定性的变化规律。所建立的不稳定岩块稳定系数计算方法可为温差较大地区的薄型不稳定岩块稳定性分析提供新的方法。     

钢桥十字形焊接细节应力强度因子的参数敏感性研究∗

焊接细节断裂参数与其疲劳裂纹扩展和疲劳性能直接相关,为探讨几何参数和裂纹参数对应力强度因子的影响规律,选取十字形焊接细节为研究对象。借助ANSYS软件建立了含半椭圆形裂纹的三维断裂力学模型,基于位移法分析了应力强度因子,讨论了几何参数（焊缝尺寸、板厚、对接焊缝参数）和裂纹参数（裂纹尺寸和裂纹形状比）对其的影响规律,拟合了裂纹形状修正系数函数。研究结果表明：（1）应力强度因子随对接焊缝余高和腹板板厚的增大而逐渐减小,而基本不受焊脚尺寸、翼缘板板厚和对接焊缝宽度的影响;（2）应力强度因子随裂纹形状比的增大而先增大后逐渐减小,但是随裂纹尺寸的增长而逐渐增大;（3）裂纹形状比和裂纹尺寸对应力强度因子影响最为显著,其影响幅度达18.0%。     

不同承台形式斜直交替群桩⁃土⁃结构地震相互作用特性分析∗

为研究不同承台形式斜直交替群桩?土?结构在地震互相作用, 利用FLAC^3D有限差分软件作为研究工具,采用El Centro地震波作为动荷载。分别建立了斜直交替群桩?土?结构的低承台、高承台数值模型。并对地震作用下可液化土体的孔压比变化、桩基的受力与位移、桥墩顶部的位移进行分析研究。研究结果表明：在地震作用下,土层中孔隙水压力分布是自上而下逐渐增大。振动加速度峰值时部分土体由于发生剪胀孔压出现瞬时负值。砂土层中桩基中部区域容易产生液化现象。同一模型中,直桩的最大弯矩小于斜桩的最大弯矩。在低承台模型中,直桩和斜桩的最大水平位移均发生在桩基顶端,直桩的竖向位移沿埋深是一恒值,而斜桩的竖向位移沿埋深是变化的。在高承台模型中,斜桩的水平位移沿埋深不再是单调变化,最大值发生在砂土层中。高承台模型中斜桩和直桩的竖向位移和水平位移均明显大于低承台模型桩体。两个模型的桥墩顶部最大水平位移出现的时刻基本相同。     

冷-热循环下能量桩热-力学特性的数值模拟

能量桩与地基土的热交换取决于建筑物的年能源需求,故能量桩每年受到冷-热循环作用。采用多场耦合有限元数值模拟方法,研究在力学荷载和随时间按正弦函数变化的温度荷载共同作用下悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,随着能量桩冷-热周期性的循环,温度荷载引起的桩身附加轴向应力、桩头附加竖向位移和桩侧附加剪应力也随时间周期性变化,且相位与温度荷载曲线的相位相同。桩升温最大时桩身轴向压应力达到最大值,桩降温最大时桩头沉降达到最大值。地基土的温度改变量随时间周期性地变化,其幅值在桩的中部深度附近最大,在桩二端深度附近较小。地基土温度的变化滞后于温度荷载。离桩越远,地基土的温度达到其最大值的时间越滞后。     

风浪流共同作用下海上风电基础与海床的动力响应分析

我国近海风资源丰富,但由于海洋环境条件的复杂性,开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约;而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。采用谐波叠加法模拟得到近海风电场的风荷载时程,利用Morison方程和非线性波浪理论推导了波浪荷载和波流荷载的计算公式,最后根据Turkstra准则将风浪流荷载进行叠加组合,建立风浪流荷载共同作用下海上风电基础与海床动力相互作用的三维有限元计算模型。基于此模型,针对不同荷载组合条件下风机塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等进行了动力分析,同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算分析,讨论了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。结果表明:风荷载对风机塔筒顶端水平位移、塔底应力影响较大,波流荷载对风机基础顶端水平位移、桩身弯矩、桩身剪力影响较大,而波浪荷载则对海床孔隙水压力影响较大。可取最大风荷载和最大波流荷载叠加波浪荷载时程的组合为最不利组合方式。     

路堤荷载下水泥土桩复合地基沉降理论计算

基于路堤荷载下桩土非等应变条件和考虑了桩土相互作用、桩间土竖向与径向位移、桩土侧面产生相对滑移以及桩侧产生负摩阻力等特点的复合地基桩间土竖向变形模式,推导了水泥土桩复合地基桩间土沉降的理论计算公式,并以桩土单元体范围内的桩间土平均沉降值作为复合地基沉降,进一步推导了水泥土桩复合地基总沉降量、下卧层压缩变形量的理论计算表达式(两者之差即为加固区压缩变形量)。理论分析表明,复合地基加固区压缩量小于同深度天然地基压缩量,复合地基下卧层压缩量小于天然地基下卧层压缩量,复合地基总沉降量小于天然地基总沉降量。同时,理论计算结果与有限元计算结果以及现场实测结果三者比较一致。     

基坑开挖与邻近地铁结构变形相关性的实测分析∗

探究开挖卸载下基坑与近邻"上浮型"地铁结构的变形机制,以天津某邻近既有地铁的基坑开挖为例,通过实测手段分析基坑多期开挖条件下既有地铁结构的变形特点。基于基坑围护结构竖向变形,考虑基坑与地铁的水平相对位置L和开挖时间t,定义表示基坑围护结构竖向变形与地铁结构竖向变形相互关系的关联系数R,并对邻近地铁结构的竖向变形进行拟合与预测。探究三维空间下基坑与地铁水平变形的关系。研究结果表明:地铁结构整体表现为上浮,开挖期间累计竖向位移与累计水平位移的比值在0.5～1.5变化;基坑围护结构竖向位移乘以系数1000R/L可很好地拟合邻近地铁的竖向位移,关联系数R在基坑开挖过程中变化不大;三维空间下地铁结构纵向水平变形呈正态分布,与近地铁侧基坑围护结构同深度处的水平变形趋势一致。     

膨胀土地基中大比例模型桩浸水试验研究

通过对埋设在膨胀土地基中的一试桩的长时间浸水试验观测，模拟了自然降雨气候条件下单桩位移、沿桩身轴力、侧摩阻力分布、地基胀缩及其时间变化等基桩一系列工作性状和桩-土共同作用规律。试验结果显示：桩顶位移呈现出先下沉后回升并最后趋于稳定的3阶段特征；桩身全长受拉，轴力沿桩身分布呈“波峰”形态。基桩的最大轴力位于桩的中下部，轴力峰值历经由小到大的过程；中性点在浸水过程中，其位置有从桩下部上移的现象；桩侧摩阻力与桩端阻力荷载分担比随时间呈现出先减小后增大并渐趋稳定的3阶段特征。研究结果对膨胀土地基中的桩基设计和施工提供了理论依据。     

回填土钻孔灌注桩-承台混凝土水化作用效应现场试验

混凝土早期水化作用释放大量热量,会引起桩身温度和桩身应力变化,从而影响桩基承载性能。通过开展现场试验,研究回填土地基中钻孔灌注桩-承台混凝土水化热对桩身及桩基周围土体的影响,实测并分析了桩身及桩基周围土体温度随时间、深度的变化规律和桩基应力随时间的变化规律。研究结果表明,试桩混凝土浇筑完成后,0.7 d时桩体不同深度处的温度均达到最大值,21.4d时其温度基本稳定;桩体温度随时间变化规律可分为快速上升、快速下降、缓慢降低和基本稳定4个阶段。承台混凝土水化热效应仅对桩基周围浅层土体温度有一定影响,当深度大于3 m时,其对土体的温度作用效应基本可以忽略。桩基约束应力变化表现为先迅速增长再缓慢下降最终趋于稳定,最大约束应力值与混凝土轴心抗拉强度十分接近。     

结合脉动测试的金刚宝座塔地震反应分析及震害预测

为了研究内蒙古呼和浩特市慈灯寺金刚宝座塔的抗震性能,测试了金刚宝座上五座小塔的动力特性,并建立数值模型计算结构的动力特性。通过动力特性比较,确定了结构整体等效弹性模量,输入调幅后的三向EL-Centro波计算古塔的地震反应,输出古塔各层应力响应、弹性位移响应、最大层间位移角以及塔底加速度时程。结果表明:中塔的水平剪应力在塔体中部最大,中塔竖向正应力、边塔水平剪应力和竖向正应力在塔体底部最大;层间位移值在塔体顶部最大,中塔和边塔的结构薄弱层分别为4层与顶层以及底层与顶层。慈灯寺塔在8度多遇地震下塔体基本完好,在8度罕遇地震下塔体上部将产生严重破坏。设置金刚宝座降低了各小塔的振动频率,加大了塔体底部的加速度幅值,不利于古塔的抗震性能。     

CFG桩复合地基加固高速公路软基的现场试验研究

CFG桩复合地基处理高速公路软基的设计参数是否合理,应看其实际发挥的承载能力及承载时变形的性状。通过对CFG桩复合地基桩、土应力和表面沉降的现场观测,研究了路堤荷载下CFG桩复合地基桩顶、桩间土的应力和沉降变化规律,根据实测数据分析了褥垫层厚度、桩间距及桩体强度等设计参数的合理性。结果表明,路堤荷载下,CFG桩、土最终可达到变形协调,桩、土应力比与桩、土沉降差有着密切的关系,疏桩形式时桩间土承担着大部分荷载;同时,CFG桩复合地基作为路堤荷载的地基时,可设计为桩间距较大的疏桩形式,桩体设计强度可以取得低一些,褥垫层厚度也应适当取大。     

非均质土层中单桩水平简谐动力响应特性的数值分析

运用土动力学和结构动力学原理,基于改进的Winkler地基梁模型,同时考虑桩侧土的弱化效应和地基土层的成层非均质性,采用数理方程方法分别求解土与桩的振动方程,建立了水平荷载作用下单桩侧向简谐动力响应特性分析的计算力学模型和方法,并将所得结果与有限元计算结果进行对比分析,验证了所提出的计算方法的合理性。通过对影响单桩水平简谐动力响应特性的各相关参数进行变动参数分析,总结出了各影响参数对单桩水平简谐动力响应特性的一般影响规律。