海洋工程桩-桶基础设计及颗粒流数值模拟

提出了新型的桩 桶基础的设计概念,并进行了上拔荷载作用下的数值模拟试验。桩 桶基础是桩和桶的结合,结合了桩基础、桶基础在海洋工程中体现的各自优势。通过颗粒流理论和PFC2D程序,应用细观力学的方法对上拔荷载作用下的桩 桶基础进行了模拟试验,研究了桩 桶基础在客观存在上拔荷载过程中土颗粒的分布及变化、土颗粒的位移与变化,基础的上拔位移与时步关系,土体受上拔荷载影响区域的范围及其变化。根据土颗粒的分布、颗粒的结构、颗粒的位移及其变化,基础位移与时步曲线的凸、凹变化表明了土体的稳定与破坏,判定了基础上拔时的土中滑动破坏面为锥体,综合确定了极限上拔承载力,对基础受荷过程中土颗粒细观结构变化,针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与宏观力学响应进行了初步研究并揭示了一些规律。     

桶式基础结构土压力分布规律

桶式基础结构是一种轻型结构,适用于承载力低的淤泥质地基,其稳定计算依靠桶体与土共同作用抵抗外荷载,因此土压力是桶式基础结构稳定计算的核心内容,其分布规律和大小对计算结果起到控制作用。通过模型试验结果验证了有限元模型参数取值的合理性,从而采用有限元数值模拟的方法,探讨了波浪荷载和回填荷载作用下,不同土层产生的主被动土压力分布规律,得到位移形式对土压力大小的影响、不同土层之间相互作用引起土压力分布形态的变化、理论公式的修正系数以及施工顺序对土压力分布形态的影响。研究成果明确了不同荷载作用和土层分布对土压力的影响规律,修正了主被动土压力的传统计算公式,为桶式基础结构稳定计算奠定了一定的基础。     

黏性土宏-细观参数关系的PFC2D模拟研究

选取合理的细观参数是开展PFC2D数值模拟的前提条件,因此开展黏性土宏观-细观参数关系研究具有重要意义。本文利用数值双轴试验模拟室内平面应力应变试验研究黏性土抗剪强度指标c和ψ与细观参数颗粒摩擦系数μ、颗粒切向接触强度τ_c 、颗粒接触强度比n_b/s_b等定性、定量关系。研究结果表明:采用数值双轴试验研究黏性土宏-细观参数关系是可行的;黏性土内摩擦角主要取决于颗粒摩擦系数,颗粒切向黏结强度和颗粒接触强度比是影响黏性土粘聚力的最主要因素。     

水平荷载下桩身稳定性及土体扰动分析

通过数值模拟,对比基桩试验结果和模拟结果,验证计算模型的适用性。计算不同荷载等级下桩身的内力分布情况和位移变化,分析桩身稳定性;对桩周土体的受力状态进行分析,研究水平荷载对桩周土体的扰动情况。研究结果表明:在受到长期性的横向荷载作用时,桩身会受到持续的剪切作用,应定期进行桩身完整性检测;在水平荷载的作用下,基桩周围的土体会受到剪切和张拉作用。     

桩土作用下斜桩对高桩码头岸坡稳定性的影响

考虑船舶撞击力、堆货荷载等外荷载对码头岸坡与后方桩台的作用,利用ABAQUS有限元软件对高桩码头布置斜桩的后方桩台与岸坡土体进行模拟,并对其桩土相互作用和结构稳定性进行分析。对位移场、应力场等云图中的模拟结果进行分析,结果表明：斜桩承受水平荷载能力优于竖向荷载,与直桩可以很好地形成遮帘作用,保证岸坡土体和结构物稳定。     

堆载过程中分离卸荷式板桩码头结构变形特性

分离卸荷式板桩码头结构主要由前墙、锚碇墙、拉杆以及卸荷平台体系组成,通过卸荷平台体系承载码头上部结构荷载,以达到减小前墙荷载、加大港池开挖深度的效果。对这种新型码头结构堆载过程进行的数值模拟是码头数值模拟的基础。通过FLAC3D软件进行数值分析,探讨堆载过程中,分离卸荷式板桩码头的受力与变形特性,以及码头结构上土压力分布规律。通过与原型观测数据和离心模型试验结果对比,验证堆载模拟方法的合理性。     

桩靴贯入对邻近三桶导管架基础的附加变形影响

为避免桩靴贯入过程中邻近三桶导管架基础发生倾覆破坏，利用耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法，将桩靴在真实风电场地质条件下安装过程中周围土体的流动划分为浅层贯入、邻近桶中部-桶底深度及完全穿越桶底等3个阶段，明确在各阶段“桩靴-周围土体-邻近桶”的传力机制，模拟三桶导管架基础系统的水平、竖向和转角位移响应，结果表明，随着净间距的增加以及场地分层土强度分布的增加，三桶导管架基础将产生更大的附加倾覆量。     

箱筒型基础防波堤基础筒土压力数值模拟研究*

通过将波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤问题简化为平面应变问题,利用有限元数值模拟,分析在波浪荷载作用下防波堤基础筒壁的土压力分布和发展变化情况。数值计算表明:波浪荷载作用下港侧基础筒外土压力有显著增长,海侧基础筒外土压力有显著降低,是影响防波堤稳定的重要因素。中间隔墙内土压力变化微小,土体与防波堤位移大致相同。海侧基础筒港侧内墙和港侧基础筒靠海一侧内墙上土压力分别发生一定程度的降低和一定程度的增长。同时分析了用于稳定性简化计算的极限状态下各路径上的土压力近似分布。     

真空荷载下超软土固结试验及土颗粒移动数值模拟研究*

新近吹填超软土经真空预压浅层加固后,普遍会在排水板周围形成土体强度相对较高的小范围区域,该区域范 围内的土体较密实,抗剪强度较高,而沉降较小,即所谓的“土桩”,“土桩”范围外的土体固结效果较差,造成大面积 吹填淤泥现场加固不均匀现象。针对以上现象,首先进行了吹填土无砂真空预压室内模型试验,并研究土体在加固过程中 颗粒组成、沉降、孔压水头高度和含水量的变化情况;其次采用颗粒流数值软件PFC2D从微观角度进行模拟,探究土颗粒的 移动情况。室内模型试验结果：真空预压加固后,土体产生不均匀沉降,排水板处产生半径为20～25 cm明显的隆起,排水 板附近土体细颗粒含量和密实度明显升高,渗透系数下降,形成一个相对密实和弱透水性的“土桩”现象。数值模拟分析 表明：土颗粒在土体表面负压影响下向下移动是土体固结下沉的原因,排水板附近的土颗粒在排水板负压影响下向排水板 方向移动,是形成“土桩”的根本原因。     

大直径PHC桩竖向承载特性数值模拟研究

以珠海高栏港码头结构为工程背景,对码头的大直径PHC桩的数值模拟技术和承载特性进行研究。首先采用ABAQUS进行数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,验证了有限元分析的可行性,然后通过桩径、桩长,桩侧土和桩端土等一系列参数的变化,探讨这些参数对PHC桩Q-S曲线的影响。结果表明,有限元计算出的位移比实测结果高出2%~20%,桩长超过50 m的PHC桩属于超长桩。     

土与结构物半模直剪试验的颗粒流数值模拟*

使用自主改造的半模直剪仪进行土与钢板、石板的半模直剪试验,竖向荷载分级施加,分别为50kPa,100kPa,150 kPa,200 kPa。应用颗粒流离散元程序——PFC2D对土与结构物在不同法向应力条件下相互作用的半模直剪试验进行数值模拟,研究土与结构物相互作用时接触面土体变形及剪应力的变化情况。分析得出土与结构物相互作用时,土体会呈现出硬化现象。随着法向应力的增加,土的剪应力会升高。在土与结构物的接触面上,形成了一定厚度的剪切带,说明土与结构物的相互作用并不只局限于接触面,而对接触面以上一定厚度内的土体也有影响,但影响范围不大,约为5倍的粒径。土与结构物相互作用时,结构物的性质对土体剪应力的变化影响不大。     

基于旧码头改造的钢管板桩结构静力分析

结合国内某港区散杂货泊位改造工程,对基于高桩码头改造所产生的新建钢管板桩结构进行数值分析。首先,建立数值模型,将传统板桩码头前墙结构受土压力作用的数值计算结果与理论计算结果进行比较,验证数值方法的准确性;其次,基于此数值方法建立研究土体边界选取的三维数值模型,分析土体的边界范围对码头结构应力的影响;最后,对钢管板桩结构进行运营荷载作用下的三维数值模拟,对结构的应力及位移进行分析。通过数值模拟及理论分析发现:在钢管板桩结构数值模型中,当土体边界达到60～80 m时,可以忽略土体的边界效应;在码头面设计荷载作用下,新建结构所受土压力和产生的位移小于传统的板桩码头结构。     

循环荷载作用下黄河口海床土的动力响应数值模拟研究

针对黄河口海床典型研究区,应用plaxis有限元岩土工程数值模拟软件,采用摩尔-库伦本构模型对海床土在循环冲击荷载作用下的动力响应进行数值模拟。通过分析不同位置土体颗粒在不同级别振动能量下的位移及加速度等信息,研究海床土的动力响应及对振动能量的吸收特征,为黄河口海床土在循环荷载作用下的稳定性分析提供依据。     

海上漂浮风电吸力桶型基础的抗拔承载特性

文章开展数值模拟,研究漂浮式海上风机吸力式桶形基础在上层黏性土、下层砂土的分层土地基中的抗拔承载特性,探讨该基础的极限承载力、基础周围土体变形、基础转动点和前后侧土压力随加载位置和加载角度的变化规律。研究表明：随着加载位置沿主桶埋深方向下移,基础的抗拔承载力先增大后减小;当基础在分层土中承受倾斜荷载作用时,最佳加载位置位于3L/4桶高处（L为基础高度）;基础的极限承载力和前侧土体变形范围均与加载角度成反比;对于桶顶中心受载的工况,加载角度对转动点的影响较小,在不同的加载角度下,基础的转动点均位于基础顶面以下0.84L处。此外,探究加载位置和角度对基础侧壁土压力的影响,结果表明：基础埋深3L/4以下的前侧地基土压力随荷载作用点的下移而增大,与荷载作用角度成反比;基础埋深3L/4下的前侧地基对基础承载性能的发挥有重要影响。     

T型桩基地连墙组合式码头结构受力特性研究

为了研究T型桩基地连墙组合式新型码头结构在施工期、使用期受力和位移性状,寻求最佳施工方案,以实际工程为依托,通过FLAC 3D软件对码头结构进行三维数值模拟。论证了开挖桩间土的必要性,并分别进行了3组不同的施工方案的比选,并在最佳方案的基础上研究其施工过程中结构位移、弯矩、剪力及地连墙两侧土压力变化规律,及使用期不同荷载作用下分配情况。分析结果表明,以一定坡度开挖桩间土是有必要的,建议与前沿土同时分层开挖。     

砂-粘互层桩间土拱效应的数值分析

采用FLAC3D3．0软件,详细研究了全砂土、全粘土、砂-粘互层（包括“上砂下粘”和“上粘下砂”两种组合）中桩间土拱效应、应力、位移的变化规律,分析了土拱效应与应力、位移的相互作用,以及桩土荷载分担比与土拱效应的关系。研究结果表明,随距地表深度增大,土拱效应逐渐减弱,应力、位移减小;砂土中土拱效应明显强于粘性土;砂-粘互层中砂土应力、位移增大,土拱效应显著增强,粘性土中应力、位移减小,土拱效应减弱;粘性土中桩荷载分担比与土拱效应呈正相关,砂土中桩荷载分担比与土拱效应的关系取决于位移变化快慢。     

基于PFC的直立式加筋土挡墙数值分析

为了研究直立式加筋土挡墙的结构特性,从细观角度出发,通过颗粒流分析程序PFC2D建立直立式加筋土挡墙离散元数值模型。研究直立式加筋土挡墙的作用机理,从细观角度对挡墙位移场、应力场、接触力链在外部荷载作用下的变化规律进行分析。研究结果表明:加筋区域土体水平运动趋势比未加筋区域更加明显,但是土工格栅对土体的阻抗作用有效地减小了加筋土区域土体的水平位移。挡墙加筋区域应力水平整体低于未加筋区域,同时加筋区域强力链数量明显多于未加筋区域,说明土工格栅起到了加固土体的作用。     

水平荷载作用下钢板桩码头的桩-土耦合分析

本文采用有限元软件ANSYS对钢板桩码头在水平荷载作用下的桩-土耦合进行数值分析,得到码头的整体位移以及钢板桩的位移和等效应力,不同水平荷载下的钢板桩的等效应力变化曲线图以及回填土的刚度对码头安全性的影响,为同类码头设计与改造提供理论参考依据,并为提高码头安全性提出建议。     

水泥搅拌桩复合地基的应力应变分析

针对某矿石堆场堆取料机轨道梁下水泥搅拌桩复合地基的不同设计方案,利用PLAXIS2D数值模型分析在250 kPa荷载作用下,复合地基中水泥搅拌桩的水平位移与轴向应力和地基应变的分布规律,提出与堆场使用期加载计划有关的建议,为项目运营提供必要参考。     

大直径超长嵌岩桩承载特性分析

大直径超长嵌岩桩在工程中应用广泛,但其荷载传递机理和承载能力特性的研究仍不够深入。针对现有现场试验研究和数值分析的不足,基于马来西亚槟城二桥工程,对大直径超长嵌岩桩承载特性进行数值模拟和现场试验研究。通过对比发现,有限元计算结果与自平衡法的实测数据有较好的吻合性,但由于土动摩阻和孔隙水压力影响,静动法测试结果比自平衡法大30%左右。大直径超长嵌岩桩侧摩阻力从上而下逐步发挥,且沿深度非线性分布现象明显。实际总的桩侧摩阻力占荷载90%,远小于桩土极限侧摩阻力。