霍尔锚抛锚深度模型试验研究

河床或海床中会布设光缆、管线、隧洞等结构物,如果该水域上有船只抛锚,就要考虑抛锚对结构物安全的影响。通过模型试验探究了霍尔锚在黏土中的抛锚深度,研究了贯入速度、锚重以及土强度对抛锚深度的影响。在模型试验中,用MEMS加速度传感器捕捉锚在土中运动时的加速度,并由加速度积分得到锚的下落速度及对应的下落位移。模型试验结果表明:当霍尔锚以极限速度贯入软黏土中时,17.8 t锚在强度为7.5 k Pa土中的贯入深度为4.0 m; 42 t锚在强度为8.3 k Pa的土中贯入深度为6.7 m。根据试验结果建立了霍尔锚在土中动力贯入时的运动微分方程,分析了作用在锚上的各项受力,并预测了抛锚深度。此外,根据模型试验结果,建立了抛锚深度和锚的总能量之间的经验公式。     

板翼动力锚沉贯深度模型试验研究

板翼动力锚是依靠自重完成安装并靠自重和海床土的抗力来锚固的新型动力锚。板翼动力锚高速(15~25 m/s)贯入地基过程中涉及到高应变率、流固耦合、土体软化和大变形等难题,模型试验可避免上述计算困难,能直接得出不同的贯入速度所对应的沉贯深度。本文首先推导了模型相似关系,然后在常规重力条件下,进行了两组26个工况的板翼动力锚在均质黏土中动力安装过程的模型试验,根据试验结果确定了率效应参数的取值范围,并研究了每一项受力对沉贯深度的影响。最后提出了在均质黏土中预测板翼动力锚沉贯深度的经验公式。     

新型动力安装锚水动力学特性模型试验研究

相比于已有动力锚(鱼雷锚、多向受荷锚等),新型轻质动力安装锚借助助推器安装,具有质量轻、埋深大、承载效率高、在海床中下潜容易等特点。良好的水动力学特性(较小的拖曳阻力系数及稳定的下落垂直度)是确保动力安装锚准确、有效地安装到指定地点并贯入到设计深度的前提。通过4组10个工况的模型试验,研究了轻质动力安装锚的终端速度和拖曳阻力系数,及轻质动力安装锚和助推器的组合锚在水中自由下落时的方向稳定性。试验结果表明:优化后轻质动力安装锚的拖曳阻力系数为0.51~0.55,这有助于提高组合锚在水中的下落速度,从而提升组合锚的沉贯深度;增大助推器尾翼展弦比和选用轻质材料制作尾翼能减小组合锚的下落偏角,提高组合锚的方向稳定性。     

粉土中吸力桶沉贯阻力与土塞失稳机理研究

针对粉土中吸力桶在吸力沉贯中的两个关键性问题——沉贯阻力和内部土体稳定性,在自行研制的试验平台上进行了一系列吸力桶沉贯模型试验。试验结果表明,粉土中吸力沉贯时,Andersen所提供的基于CPT锥尖强度的阻力计算公式能较好预测阻力发展趋势,但计算结果偏小;而修正的承载力公式预测结果在沉贯前期与实测值较吻合,沉贯后期预测偏大。吸力沉贯前期,贯入阻力随深度稳步增长,直到贯入深度达到某个临界值后,阻力增长缓慢甚至保持不变。桶内粉土在吸力作用下的失稳机理与黏土或砂土不同,在渗透力作用下表现为从土层表面开始的自上而下管涌或渗流侵蚀。沉贯后期,端部土体在较高水头差下发生失稳并向桶内流动,造成了桶内土体密度降低,端阻力与内壁摩阻力降低,总贯入阻力主要由外壁摩阻力提供。并结合有限元模拟对上述实验现象的内在机理进行了解释。     

海洋桩靴基础穿刺破坏实时预测研究

海上自升式钻井平台以其造价低廉、便于移动和安装的优势被广泛应用于海洋地质勘察、风电安装和油气开采等领域,其基础类型多为桩靴基础。为了保证平台能在恶劣的海洋环境中安全作业,桩靴基础需要贯入海床以下一定深度以获得足够的承载力。然而,当桩靴基础在上硬下软土层中贯入时可能发生穿刺破坏导致平台损坏甚至倾覆。已有的桩靴穿刺破坏分析方法基于预设的地层参数预测穿刺荷载,由于无法考虑海床中地层及土性的不确定性,其准确性有待提高。将桩靴基础贯入过程中的监测数据与穿刺破坏机理相结合,通过66组离心机模型试验结果表征土体不确定性的影响,发展贝叶斯预测模型,实现了峰值阻力和穿刺深度的实时预测。基于规范推荐的荷载扩展分析法和冲剪系数分析法,建立了适用于规范法的概率模型,采用该模型对上砂下黏土层中桩靴基础的穿刺行为进行了预测,结果表明所提方法的预测精度随着监测数据的增加而提高,预测得到的峰值阻力误差在10%以内。     

Analytical study on comprehensive behaviors of drag anchors in the seabed

Attributed to good performance in the seabed, drag anchors are adopted as an effective anchoring solution in deepwater mooring systems. This type of anchors is drag installed, companying with comprehensive behaviors during movement of the anchor in the seabed, which make the anchor trajectory and therefore the final embedment position difficult to be predicted. On the basis of the mechanical model and analytical procedure, an analytical method is proposed for exploring comprehensive behaviors of drag anchors in both clay and sand. The anchor behaviors are classified as keying, pulling out and diving. The bearing capacity and the trajectory of the anchor can be predicted through the combination of the three behaviors. By comparing analytical predictions with experimental data and other predictions, the efficiency and veracity of the theoretical model are validated. A parametric study is also performed to investigate the effects of different parameters, and to further understand the comprehensive anchor behaviors in the seabed. The present work provides an efficient theoretical tool for analyzing comprehensive behaviors of drag anchors in either clayey or sandy seabed.     

波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究

波浪作用下粉质土海床的液化是影响海上平台、海底管线等海洋构筑物安全的灾害之一。在进行构筑物设计中应考虑海床液化的深度问题,而液化土体对下部海床的界面波压力是计算海床孔隙水压力增长以及液化深度的重要参量。本文基于波致粉土海床自上而下的渐进液化模式,利用双层流体波动理论,推导了考虑海床土体黏性的海床界面波压力表达式,并与不考虑黏性时的界面波压力进行了比较分析。结果表明,计算液化后土体界面波压力时,是否考虑液化土体的黏性对结果影响较大,进而可能影响粉质土海床液化深度的确定。     

桶形基础及其作用下的粉质土海床失稳机制研究的试验设计

在阅读、分析以往的有关资料的基础上 ,结合实际的试验条件 ,对桶形基础及其作用下的粉质土海床失稳机制研究的试验作出了专门设计。该设计通过配土、设计模型桶基和负压沉贯的操作过程、设置孔压传感器等实验手段 ,努力从土体破坏的角度 ,寻求负压沉贯过程中沉贯负压、沉贯阻力及孔隙水压力之间的变化关系和确定桶基的上拔力。并且指出了数据处理的基本思路 ,以利于课题的深入研究。     

Self-Weight Penetration Characteristics of the Suction Foundation with Different Diameters in Sand

During the self-weight penetration process of the suction foundation on the dense sand seabed, due to the shallow penetration depth, the excess seepage seawater from the outside to the inside of the foundation may cause the negative pressure penetration process failure. Increasing the self-weight penetration depth has become an important problem for the safe construction of the suction foundation. The new suction anchor foundation has been proposed, and the self-weight penetration characteristics of the traditional suction foundation and the new suction anchor foundation are studied and compared through laboratory experiments and analysis. For the above two foundation types, by considering five foundation diameters and two bottom shapes, 20 models are tested with the same penetration energy. The effects of different foundation diameters on the penetration depth, the soil plug characteristics, and the surrounding sand layer are studied. The results show that the penetration depth of the new suction foundation is smaller than that of the traditional suction foundation. With the same penetration energy, the penetration depth of the suction foundation becomes shallower as the diameter increases. The smaller the diameter of the suction foundation, the more likely it is to be fully plugged, and the smaller the height of the soil plug will be. In the stage of self-weight penetration, the impact cavity appears around the foundation, which may affect the stability of the suction foundation.

     

海床式静力触探在黄河口海底土工程特性研究中的应用

海床式静力触探设备工作效率高,能够实现从垂向上对地层的连续探测,数据分辨率较好。通过对黄河口海域3个静力触探孔和1个地质钻孔的分析,将研究区20m以浅地层自上而下划分为粉土、粉质黏土、粉土夹粉砂或粉砂、粉质黏土、粉土五层,静力触探曲线对粉土层中的硬壳层和粉质黏土层中的贝壳夹层等特殊地质现象有很好的反映。对粉质黏土的静力触探参数与物理力学参数进行相关性分析,得到适合该区域的回归方程。采用基于CPT数据的液化判别法,对研究区表层粉土液化可能性进行评判,通过Seed简化法计算的周期应力比(CSR)与Olsen法计算的周期阻力比(CRR)的大小比较,得出当抗震设防烈度为7度时,研究区表层粉土不会液化,当抗震设防烈度为8度时,粉土层将发生液化,计算最大液化深度3.7m。     

两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m³的悬沙浓度。     

粉质土海岸微地貌形成及泥沙问题的工程地质分析

通过对渤海湾粉质土海岸中的黄河水下三角洲的塌陷凹坑地貌形成、埕岛海域海底电缆中断、黄骅港外航道泥沙骤淤、东营港航道开挖试验段淤积等问题进行原因分析,结合该类海岸粉质土在波浪作用下的动力特性,认为风暴期间在强烈的波浪循环荷载作用下,粉质土在趋于液状化过程中强度降低,被波浪剪切形成振荡滑动,导致运动泥沙的异常增量。因此,在研究粉质土海岸泥沙运动问题中,应注意考虑由于海底粉质土的工程地质特性而造成的泥沙侵蚀或淤积量的异常变化。     

粉沙海床管道在联锁排防护下的冲刷试验研究

采用当地海床的天然粉沙进行试验床面的设计,对海底管道在实际海床受到的极限波浪和最大水流作用进行试验,在管道上方铺设混凝土联锁排,对联锁排块体稳定性和其对管道防护的有效性进行研究。通过物理模型试验,研究了在极限波浪和最大水流作用下,管道在粉沙床面最大冲刷深度。通过不同水深中波流条件下研究了混凝土联锁排防护效果及其周围床面的冲刷变化,观测了联锁排的稳定性。试验结果表明:按半经验半理论简化公式得出的联锁排厚度能满足稳定性的要求,比水利部规范计算的联锁排厚度偏大的公式更加适合应用,试验期间混凝土联锁排的排面稳定,能有效保护管道,在该防护下管道没有冲刷,只在联锁排上下游与床面接触的来流段和尾端有冲刷,但该冲刷深度不影响联锁排整体的稳定性。     

Sediment movement characteristics of coast and analysis of seabed evolution

The rotary ring flume is used to study the silty sand movement in a periodic alternating current.Characteristics of sediment movement of different coasts in the tidal current are summarized.More detailed analysis of erosion-sedimentation function in a numerical simulation is made.The equilibrium sediment concentration is advanced.Based on the equilibrium sediment concentration,the seabed erosion-sedimentation index is derived and the seabed erosion-sedimentation calculation is analyzed.The seabed erosion-sedimentation index is used to calculate the seabed evolution of Yangshan sea area and a good agreement with field measurements is obtained.     

粉土地基下桶形基础沉贯试验研究及工程应用

桶形基础采用负压沉贯法施工 ,与压桩、打桩等施工方法显著不同 ,且阻力特性受地基性质影响很大。介绍了一组粉土地基条件下的模型试验情况 ,探索了桶形基础的沉贯阻力与负压、渗流等的关系 ,并与实际平台沉贯过程进行了对比。