静载作用下埋地管道数值模拟及其力学性能分析

针对静载作用下埋地管道变形与力学性能,通过有限元数值模拟与模型试验对比分析,验证了有限元数值方法可靠性,进而综合分析了管周砂土相对密实度Dr、加载板宽度B、加载板中心距管道中心水平距离L、管道埋深H和管壁厚度t等因素对管道性能的影响。结果表明:增加Dr,管道正上方加载板极限承载力显著增加,相同荷载下管道应变和径向变形相应减小,管道应变以环向压应变为主;同等条件下随着B的增加,加载板极限承载力呈近似线性增加,管道径向变形和应变增长速率明显增加;随着管道埋深H增加,管道正上方加载板极限承载力先增加后减少,并最终趋于稳定,当埋深为3 D时管顶处竖向应力约为无管道时的50%,管顶土拱效应明显;当增加L时加载对管道径向变形和应变的影响持续减弱,二者沿管周的分布规律明显变化;增加管壁厚度可有效抑制管道环向应变,但对管道径向变形和加载板极限承载力无明显影响。     

海相结构性软黏土地基的沉降特性研究

通过室内试验获得了海相结构性软黏土的初始屈服面;考虑不同埋深处地基土的初始结构屈服面之间的相似性规律,应用结构性本构模型,结合工程实测数据,对海相软黏土地基土体屈服与地基沉降之间的关系进行了研究。结果表明,结构性本构模型能够较好地模拟海相结构性软黏土地基的沉降变形;结构性土地基的土体屈服是由浅及深逐步发展的,虽然存在低荷载时沉降小、高荷载时沉降大且呈非线性增大的现象,但这是渐变的过程,沉降量—时间—填土高度曲线上不能确定显著的转折点,通过观察沉降曲线的转折点来确定临界填土高度的方法将难以实现。     

纵向多点激励下埋地油气管道地震响应试验研究∗

为研究多点地震激励下埋地油气管道的地震响应,设计并制作缩尺埋地油气管道及周围土体模型,利用双台阵地震模拟振动台对其进行纵向一致及多点地震激励下的地震响应研究,分析纵向多点地震激励时不同地震动各加载工况下埋地油气管道土体加速度、位移及管道加速度、应变等地震响应的变化规律。结果表明：土箱内不同深度测点位移增量不同,致使土体间产生剪切效应,多点激励时土体变形及破坏程度相较于一致激励明显;土体加速度峰值随加载等级的提高呈增长状态,多点激励时箱内土体加速度峰值变化曲线一致性较差,土体加速度响应产生较大差异;随着加载等级的提高,管道与土体间加速度峰值差值逐渐增大,多点激励会造成管道加速度峰值产生滞后现象;管道顶部轴向应变随管轴表现为两侧小,中间大,多点激励时管道应变增长速率更快,产生的应变更大。     

温度影响粉质黏土固结和强度特性的试验研究

随着能源岩土工程的发展,温度对土体固结和强度特性的作用变得越来越重要。采用温控三轴仪,通过等温增压固结试验、等压升温固结试验和温控三轴剪切试验,研究温度对饱和粉质黏土固结和强度特性的影响。结果表明,温度越高,土体固结速率越快,固结体应变越大。不同温度下试样的正常固结线几乎平行。同一围压作用下,温度越高,孔隙比越低。热应力造成的固结体应变随温度升高呈线性增长。剪切过程中,轴向应变较小时,同样偏应力作用下,温度越高,轴向应变越小;而轴向应变较大时,趋势相反。试样破坏偏应力随温度升高而线性减小,且围压越大,温度效应越明显。有效粘聚力c′随温度升高而减小,而有效内摩擦角φ′则不受温度的影响。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

冲击荷载下层状饱和无粘性土动孔压发展模式研究∗

为揭示饱和无黏性土层在冲击荷载作用下动孔压发展模式及其受土层条件的影响,基于自主研制的冲击荷载加载台装置,开展了不同土层条件层状饱和土冲击试验,对动孔压发展特征及土体沉降等进行了分析。结果表明：冲击荷载作用下,无粘性饱和土体动孔压发展呈明显两阶段,即瞬态响应和稳态响应阶段,其中稳态响应阶段动孔压发展又经历缓慢下降及快速下降两过程。单层土情形下,饱和砂土在冲击荷载后动孔压发生骤增,随着粒径的增大,动孔压峰值越大,但其消散用时则随粒径的增大而减小;双层土情形下,动孔压稳态响应阶段因上下土层渗透系数变化,在其下层土动孔压下降过程产生明显变化;当含有相对弱透水夹层时,受弱透水层影响,各测点动孔压下降段几乎在同一时刻均出现明显转折平台,使其下降的速率明显变小,且该现象弱透水层以上土体较其下部土体更为显著;含夹层时,试验过程出现明显非均匀分布的“水膜”,最大厚度可达2 cm 左右。同时,每次冲击荷载下均伴随明显的土体沉降,随着冲击次数增加,土层沉降变化量逐渐减小。     

交通荷载作用下非饱和土的动力特性试验研究

通过泥浆固结法制备大量均一试样,基于改进的可控制吸力式非饱和土C.K.C循环三轴仪进行了动三轴试验,研究了非饱和粉质粘土在交通荷载长期作用下的动强度和变形特性,同时分析了在饱和条件下反复干湿循环对其动强度的影响。结果表明:基质吸力的增加提高了土体抵抗变形的能力,相同动应力及振次条件下,土体的累积塑性应变随着基质吸力的增加而减小;土体的临界循环动应力以及动强度随着基质吸力的增加而增大,但动强度随基质吸力增加而增大的速率随基质吸力的增加而减小;干湿循环对粉质粘土的动强度有显著影响,使得土体的动强度提高。     

横向通过滑坡输油气管道应变响应分析

输油气管道通过山区时不可避免地会受到滑坡灾害的威胁。为了分析管道在滑坡作用下的应变响应特点,利用ANSYS有限元分析软件建立了管道横向通过滑坡的模型,并考虑了管道与土体的相互作用。在此基础上,通过算例分析了管道轴向应变的分布特点,并分析了滑坡宽度、管道壁厚以及管道埋深对管道轴向应变的影响规律。结果表明:(1)横向滑坡作用下,管道轴向应变有沿滑坡作用中心位置呈对称分布的特点;(2)在滑坡作用中心位置、滑动区与非滑动区交界处附近的管道将会产生最大的轴向应变,是管道最为危险的截面;(3)适当增加管道壁厚和减小管道埋深可以达到降低管道应变的目的。     

侧限下地基泥岩浸水膨胀变形大尺寸模型试验∗

膨胀泥岩浸水后常常导致地基等上拱变形病害,为研究膨胀泥岩浸水膨胀变形规律,以兰新铁路第二双线一处典型膨胀地段泥岩为研究对象,对3种不同厚度的重塑泥岩分别进行不同吸水量下的大比例膨胀变形模型试验,模型尺寸为100 cm×60 cm×50 cm(长×宽×高)。试验结果表明:不同厚度膨胀时程曲线随浸水量分级增加呈"阶梯形"增长,前期浸水膨胀变形量增长迅速,随含水量增加逐渐变缓,土体膨胀速率与渗透速率密切相关;浸水初期土体含水量由浸水管向四周梯度递减,膨胀变形量与含水量具有一致性。膨胀变形量增加随吸水量增加逐渐减小,膨胀变形量与吸水量呈良好的双曲线关系。厚度越大,膨胀变形量也越大,且膨胀变形量增加随厚度增加逐渐减小,土体厚度作为上覆荷载对膨胀量起抑制作用。     

地下结构地震横向应变传递及其影响因素

以变形控制为主线,提出了横向应变传递率(STC)的概念,以研究土层向地下结构横向应变传递的影响因素和影响规律。采用二维非线性动力有限元,分析地震动不同输入(峰值和波形)、土层不同性能(剪切模量和土层厚度)以及地下结构特征(埋深、宽高比)等参数对STC的影响。结果表明,引入的横向应变传递率的概念可以反映地震荷载-地下结构-土体间相互作用问题的本质,各种参数对STC的影响具有规律性:土层软硬对应变传递率影响显著,二者间呈幂指数关系;地震动输入对应变传递率有一定影响,二者间呈抛物线关系;工程常见土层厚度内,土层厚度变化对应变传递率的影响不大,基本可以忽略;地下结构埋深、宽高比对应变传递率影响较小,应变传递率基本为一常数。     

饱和砂土地基相变桩的热力学特性试验研究

能源桩是一种新型的能源地下结构,相变材料能够改变自身状态来提供潜热。制作相变混凝土能源桩来实施室内大尺寸模型试验,将直径为0.2 m,长度为1.5 m的相变能源桩放入长宽高分别为2.45 m×2.45 m×2 m的模型箱中,模型箱中为饱和砂土地基。随后对能源桩施加三次循环温度荷载,测量桩体内部以及桩周土体温度的分布,并对相变能源桩的力学特性进行监测和分析,研究了循环温度荷载下相变能源桩的应力应变以及桩顶位移。研究结果表明:① 能源桩在循环温度荷载作用下产生的温度变化会给桩周土体带来一定的温度累积;② 沿桩身深度方向及桩体内部同一平面内都存在着不均匀的应力应变分布;③ 桩顶位移随温度循环过程变化,温度循环结束后会产生不可恢复的塑性位移。     

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。     

基于落石棚洞冲击试验的落石冲击力研究

基于落石棚洞冲击试验,考虑不同落石重量、高度和冲击角度对落石冲击力的影响,分析了落石冲击力在这三个因素影响下的变化规律,发现落石高度与棚洞顶板倾角共同变化时,随着落石高度的增加和棚洞顶板倾角的减小落石冲击力增大,增大幅度达80.02%;落石高度与重量共同变化时,当落石重量较小,落石冲击力随着落石高度增加后的变化幅度较小,反之较大,最大值较最小值的增大幅度达182.10%;棚洞顶板倾角和落石重量共同变化时,落石重量比棚洞顶板倾角对落石冲击力的影响大,增大幅度达48.99%。然后基于正交试验分析发现落石重量是影响落石冲击力最重要的因素,其次为落石高度,最后为棚洞顶板倾角。最后通过回归分析获得了棚洞落石冲击力计算公式,并通过方差分析证明了棚洞落石冲击力计算公式与各因素间的回归关系高度显著,因此该公式可用于落石棚洞设计时冲击力的计算。     

多层建筑物地基震陷的简化计算方法及其影响因素分析

简要阐述了震陷的机理,探讨了估算建筑物震陷的简化计算方法,讨论了建筑物的基底压力、地震动强度及基础埋深、尺寸、形式的改变对地基震陷量的影响,初步给出了这些因素对地基震陷量影响的基本规律:1地基震陷量随基底压力的增大、基础埋深的增加、地震动强度的增大而增加;2对于特定的多层建筑物和地基条件,当地面运动峰值加速度大于某临界加速度值时,地基震陷量急剧增大;3对于片筏基础,在基础宽度不变的情况下,震陷量随基础长度的减小而逐渐减小;在基础长度不变的情况下,震陷量随基础宽度的增大而增大;4在其它条件相同的情况下,基底压力相同时片筏基础的震陷量远大于条形基础的震陷量,且条形基础的宽度B=1.2m时,其震陷量最小。     

软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基工作状态分析

软土场地碎石桩因具备桩体侧向变形大、超孔隙水压力消散慢的问题,导致出现基础沉降大、土体固结排水速度慢等工程病害。路堤下采用加筋碎石桩复合地基是处理软土场地的主流方法。本文采用二维有限元方法,建立考虑路堤填筑过程的软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基数值模型,探讨了加筋碎石桩复合地基承载力的影响因素。基于达西定律和比奥固结理论,分析高地下水位场地条件下加筋体刚度和桩数对加筋碎石桩复合地基工作状态的影响规律。研究表明:增大褥垫层厚度和减小褥垫层模量均能够提高桩土应力比,改善桩顶应力集中的问题。与传统碎石桩相比,高地下水位条件下加筋碎石桩复合地基中超孔隙水压力消散速率快,桩数增加可以有效提高复合地基排水速率。     

基坑外设置隔离桩对土体水平位移的隔断效果分析

目前对于隔离桩是否能有效减小基坑外地下结构的变形问题仍存在争议。为研究隔离桩对基坑开挖引起的土体水平位移的隔断效果,结合二阶段分析方法及地层补偿法,提出了求解基坑开挖后隔离桩外土体位移的三阶段分析方法,并对其合理性进行了验证。结果表明:基于该方法的计算,不同基坑开挖深度和不同围护墙变形模式下,隔离桩的存在可减小坑外地坪下一定深度范围内的土体水平位移,但可能增大深层土体水平位移;隔离桩刚度越大,对土体上部水平向位移的隔离效果越好,但同时深层土层位移增大的情况也越明显;合理的隔离桩桩顶埋深可一定程度减小隔离桩对深层土体的牵引作用。为保护基坑外的地下结构而设置隔离桩时,应根据模拟计算结果、工程实际情况及当地经验综合分析其可行性。     

地铁深基坑开挖对邻近建筑物影响分析

为研究深基坑开挖对邻近建筑物的影响特征并评价其安全性,以厦门市某车站深基坑工程为例,通过构建三维有限元模型,考虑土体小应变刚度行为以及基坑-地基-基础-上部结构共同作用,计算基坑开挖引起邻近建筑物的变形值,并将柱底支座变位作为上部结构的强迫位移施加到上部结构上,然后进行结构内力分析和构件配筋验算,评价邻近建筑物的安全。研究表明:邻近建筑物越靠近基坑部分受基坑开挖影响越大,基坑开挖后,邻近建筑物结构变形主要表现为沉降和指向基坑的水平位移,结构最大水平位移为6.6 mm,自顶部向下逐渐减小,即结构发生微量倾斜;邻近建筑物地下室以沉降变形为主,主要受影响区域约为基坑围护墙后3倍的基坑开挖深度范围,沉降急剧变化区域约为1.5倍基坑开挖深度范围,地下室最大沉降为15.9 mm;受到邻近基坑开挖影响,上部结构虽然因支座变位产生内力重分布,但经检算认为整个结构仍然安全可靠。     

吹填珊瑚礁砂地基处理方法适用性与加固效果应用研究

珊瑚礁砂是珊瑚礁、贝壳等经侵蚀、破碎后沉积在近岸环境中的一种生物碎屑,吹填珊瑚礁砂作为地基土可就地取材、大幅降低工程造价、缩短施工时间。然而,吹填珊瑚礁砂地基处理工程实践中一般采用基于陆源砂的地基处理与加固效果评价方法,具有很大的不确定性。本文在苏丹、沙特、南海某试验区分别采用振动碾压、强夯、振冲法对吹填珊瑚礁砂场地进行地基加固处理,依据载荷试验、标准贯入、动力触探、静力触探等原位测试对珊瑚礁砂场地进行加固效果与有效深度评价,采用平板载荷试验获取珊瑚礁砂场地处理后的地基承载力,结果表明:(1)珊瑚礁砂场地振动碾压法的有效加固深度约1.0 m,加固深度十分有限;(2)500~3000 kN·m夯击能下强夯法的有效加固深度2.0~4.0 m,明显低于相同条件下陆源砂的有效加固深度;(3)珊瑚礁砂场地振冲后可达到中密、密实状态,132 kW振冲的最大有效加固深度为8.0~10.0 m;(4)平板载荷试验获取的珊瑚礁砂承载力特征值与动力触探击数存在良好的经验关系,地基承载力特征值多数超过500 kPa,最高可达2000 kPa,与陆源砂的承载力特性存在显著差别,珊瑚礁砂具有“珊瑚礁砂变形大、高压缩性”的特点易出现于高应力情况下,加固后的珊瑚礁砂地基在常压应力下,往往具备较高的强度与承载能力。     

光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器凭借其体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布或者准分布式测量、可实现远距离的监测与传输等优点,在土木工程健康监测中得到日益广泛的应用。本文在光纤布拉格光栅(FBG)传感器的传感原理、标定试验研究基础上,讨论了利用FBG传感系统监测钢架结构在冲击荷载作用下的应变和加速度的可行性;同时利用ANSYS有限元分析软件建立了适用于结构分析的有限元模型,对钢架结构进行了详细的仿真分析计算,最后对理论计算结果及实测结果进行了详细的对比分析,所取得的结果比较接近。研究表明,光纤布拉格光栅传感器可以很好的测量钢架结构的动态响应。     

内置钢骨形式对混凝土桥墩撞击性能影响研究

为研究内置钢骨形式对混凝土桥墩撞击性能的影响,进行了内置角钢、槽钢、钢管3种钢骨形式的混凝土桥墩模型水平撞击试验,得到撞击力时程曲线、位移时程曲线、钢材和混凝土的应变时程曲线。对内置不同钢骨形式的桥墩模型受撞各阶段的力学性能进行了对比分析,并运用力学方法计算了钢骨形式对混凝土桥墩撞击性能的影响。研究结果表明:钢骨形式对混凝土桥墩的撞击性能有一定影响;在相同撞击能量下,内置钢管混凝土桥墩的侧向变形较内置槽钢和内置角钢混凝土桥墩的侧向变形小;内置槽钢和钢管对墩底混凝土压应变增长有较大的抑制作用;内置钢管混凝土桥墩的破坏斜裂缝条数多且分布较宽,延性较好,抗撞击承载力较高。对桥墩底部斜裂缝区的混凝土主压应力和应变计算分析表明,不同钢骨形式改变了桥墩截面几何特性参数,影响了混凝土主压应力值;在相同配钢率情况下,内置钢管混凝土桥墩的墩底混凝土主压应力比内置角钢混凝土桥墩的墩底主压应力减小了24.54%;内置钢管混凝土桥墩的应变放大系数比内置角钢混凝土桥墩放大系数小。试验和计算分析均证实了内置钢管的混凝土桥墩具有较好的抗撞击性能。