复杂地质条件下船舶落锚贯入深度影响分析

船舶落锚损伤是造成海底管道第三方破坏的主要因素,因此确定落锚贯入深度对海底管道安全运行意义重大。为此以霍尔锚为例,基于渤海海域环境条件,分别研究了不同地质特征参数对落锚贯入深度的影响,对比分析了Young公式和能量法公式计算结果的差异,并对DNV-RP-F107和DNV-RP-F114两规范中公式进行比较。结果表明:使用Young公式得到的数值较小,且不能反映落锚深度与土质特征参数的关系;能量法公式可以定性分析砂土和黏土特征参数对落锚深度的影响,且砂土的贯入深度明显小于黏土,砂土的内摩擦角越大,贯入深度越小,黏土的粘聚力越大,贯入深度越小,且使用DNV-RP-F114规范公式的计算结果较DNV-RP-F107大。     

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。     

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明：不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。     

被动桩中土拱形成机理的平面有限元分析

国内外对被动桩中土拱形成机理的研究比较少，尤其针对不同土性土体中这类问题的对比研究更是少见。借助平面有限元数值方法，对粘性土与无粘性土中被动桩间的土拱形成机理作了研究和对比分析，并讨论了土拱形成过程与土拱效应随土体参数如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、剪胀角、泊松比、桩土接触特征的变化规律。研究表明：土性不同时，土拱形成过程中桩周土体的受力和破坏形式不同；剪胀角、泊松比、桩土接触特征对桩间土拱形成机理和效应影响明显。     

基于广义SMP准则的线性软化柱形孔扩张分析

针对非脆性软化剪胀土中柱形孔扩张问题,将摩擦黏性土体损伤后的软化特性用材料的力学性能参数下降来描述,引入了损伤软化参数.同时考虑土体的剪胀与内摩擦角、黏聚力以及平均应力的相关性和软化特性对应力-剪胀关系的影响,采用了引进损伤软化参数的Rowe流动法则,并结合利用反映中间主应力效应的广义空间准滑动面理论和平面应变轴对称问题柱形孔扩张基本方程,推导并给出摩擦黏性土中大应变柱形孔扩张曲线的数值求解步骤.通过算例分析,将所得解与Mohr-Coulomb破坏准则的解答进行了比较,研究了中主应力效应的特性,并且探讨了损伤软化参数、内摩擦角及黏聚力对极限扩孔压力、塑性区半径、塑性区应力场、平均剪胀等的影响.     

基于强度折减法的边坡安全系数影响因素分析

针对分层边坡,首先探讨了网格密度和边界范围对安全系数的影响,然后研究边坡最上一层土的剪胀角、弹性模量、泊松比及抗拉强度发生变化对边坡稳定性的影响及边坡变形特征.研究结果表明:网格密度对边坡的安全系数影响较大,当网格尺寸为1.0m时,求得的精度较高;分层边坡最上层土的剪胀角变化对边坡的安全系数影响明显,同时边坡发生变形破坏时对水平位移影响较大;弹性模量和泊松比对边坡变形的影响较小,抗拉强度基本上不影响边坡的稳定性.     

平均粒径和粗糙度对砂-玻纤网格布界面剪切特性

为了探究平均粒径和粗糙度对砂-玻纤网格布界面剪切特性的影响,开展了5种平均粒径砂(D₅₀)和4种粗糙接触面(R_a)的直剪试验。根据直剪试验结果得到平均粒径和粗糙度影响下抗剪强度-位移曲线、轴向位移-剪切位移曲线,并且通过示意图分析砂体的剪缩剪胀现象及抗剪强度的变化。结果表明：在砂剪切中,多为剪缩现象,随着D₅₀的增加,抗剪强度增大,内摩擦角增大,黏聚力为0 kPa,当D₅₀大于0.54 mm时,抗剪强度增长较快;在砂-玻纤网格布界面剪切中,多为先剪胀后剪缩现象,随着D₅₀的增加,抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均增大;随着R_a的增加,抗剪强度总体增大,黏聚力和内摩擦角均增大,当R_a大于0.16 mm时,抗剪强度增长缓慢;在砂-玻纤网格布界面剪切中,砂颗粒与格栅界面咬合,使得界面上不可移动的颗粒增多,剪切面范围增加,导致抗剪强度增大。该成果以期丰富砂-结构物界面剪切特性研究。     

含水率对非饱和砂土力学特性影响的试验研究

使用WF循环单剪试验系统,对不同法向应力、不同含水率的非饱和砂土在单向剪切作用下的力学特性进行了系统的试验研究.砂土含水率为5.4%~25.4%,法向应力为25~300kPa,主要考察含水率、法向应力对非饱和砂土力学特性的影响规律.试验结果表明:存在一个临界含水率,当非饱和砂土含水率大于该临界含水率时,其剪切应力-剪切位移关系将由双曲线函数变为双折线函数.当非饱和砂土含水率小于临界含水率时,非饱和砂土的抗剪强度随含水率增大变化幅度较小.当含水率高于该点后,抗剪强度随含水率增大急剧降低.含水率对土的黏聚力、内摩擦角、剪胀性等力学特性具有重要影响.     

黄河二级阶地洪积碎石土原位直剪试验

给出了黄河二级阶地洪积碎石土的抗剪强度指标c,φ值,并结合残余剪试验给出了黄河二级阶地洪积碎石土的残余抗剪强度指标．结果表明：该洪积碎石土的抗剪强度主要由内摩擦角提供,粘聚力很小,峰值破坏后粘聚力完全消失且内磨擦角减小．对竖向位移记录的分析表明：该洪积碎石土具有明显的剪胀现象,并且剪胀形变随着进一步的剪滑变形而消失．所得抗剪强度指标对黄河两岸建筑工程边坡支护及基础设计具有重要的参考价值．     

水泥改良泥质板岩粗粒土的静力特性

针对泥质板岩粗粒土,通过大型静三轴压缩试验研究未改良土样和水泥改良土样的轴向应力-轴向应变关系、体积应变-轴向应变关系、抗压强度、内摩擦角、黏聚力和弹性模量等,根据试验结果对水泥改良土和未改良土的力学性质进行比较。研究结果表明:水泥改良土和未改良土均具有应变软化性和剪胀性,改良土的应变软化性和剪胀性均比未改良土的显著;水泥改良土的最大体积压缩应变、与最大体积压缩应变对应的轴向应变均比未改良土的小,而残余体积膨胀变形比未改良土的大;水泥改良土破坏时变形比未改良土的小;与未改良土相比,水泥改良土的抗压强度、黏聚力和弹性模量均显著提高,线弹性变形范围也显著扩大,但内摩擦角的变化不大;水泥改良效果良好,水泥改良提高了泥质板岩粗粒土的力学性能。     

波浪条件下海底管线与沙质海床间的相互作用

海底管线的稳定性问题是海底管线设计的关键问题之一.通过大型通用有限元软件ABAQUS,应用较为简单的线弹性模型,对海床采用平衡地应力、简化渗流力的方法,建立海底管线模型,初步模拟近海埋置管道与海床之间的相互作用,分别计算了管道在自重和简谐波浪荷载作用下的管道变形及受力状况.计算结果显示,管道自重造成的屈曲对管道的稳定性影响不大,但管道屈曲是破坏海底管道稳定性的最直接的重要原因之一,由于管道自身的屈曲,沿管道截面圆周上各点的位移差比管线整体位移小2个数量级.在自重和波浪荷载两者的共同作用下,管道受土体的挤压,产生较大的弯曲和较小的侧向扭曲,最大弯曲变形比自重作用下的管道最大变形小1个数量级,侧向扭曲位移较弯曲位移小2～3个数量级.     

全强风化砂页岩地层压密加固效果试验

全强风化砂页岩地层注浆加固工程中常常伴随着地层压密现象,压密加固后地层的物理力学性能得到显著提升。为了研究全强风化砂页岩地层的注浆压密效果,以压缩模量、粘聚力、内摩擦角、渗透系数作为表征地层物理力学性能的主要指标,通过开展室内试验,获得了不同注浆压力与含水率条件下地层力学性能的提升规律,建立了可定量化描述不同含水率条件下注浆压力与地层物理力学参数的关系模型。研究结果表明：通过提高注浆压力可显著提高全强风化砂页岩地层压缩模量,高注浆压力作用下,地层压缩模量最大增长近10倍。当注浆压力处于较低水平时,加固后地层粘聚力的提升受含水率和注浆压力影响明显。当注浆压力处于较高水平时,加固后不同含水率情况下地层土体粘聚力基本趋于一致,地层粘聚力的提升不再受含水率的影响。地层内摩擦角在注浆压密后的提升程度始终受自身含水率的影响。注浆压力的提升可进一步提高地层的抗渗能力。采用建立的注浆压力-地层物理力学参数关系模型对某工程实例进行计算分析,给出了满足地层加固要求的注浆压力设计值,注浆治理后开挖揭露浆脉清晰、地层稳定,所提出的模型可为全强风化砂页岩地层注浆治理参数设计提供参考。     

考虑人工边界的海底管线地震应力分析

海床动力响应分析一般将管线假定为刚性,没有考虑地震荷载作用下海床边界的等效处理,亦不能合理地考虑海床与管线的相互作用效应.基于Biot动力固结理论建立了海床-管线相互作用的计算模型,利用粘弹性人工边界,以大型有限元软件ADINA为平台对El-Centro地震波作用下的海底管线的动力响应进行分析,重点讨论了成层海床土对海床中孔隙水压力和海底管线内应力的影响.结果表明:海床土性的变化对海底管线的内应力影响不大,而对海底管线周围孔隙水压力的影响很重要.     

高含水原油集输管道内腐蚀预测及监测方法

针对高含水原油集输管道内腐蚀穿孔事故日趋严重的工程实际问题,对高含水原油集输管道内腐蚀高风险点预测及内腐蚀缺陷监测方法进行了综合研究。基于原油集输管道管内介质的液滴携带机理,给出了该类管道内腐蚀高风险点的预测和判定方法;基于场指纹腐蚀监测原理,研究了代表腐蚀缺陷深度的指纹系数的空间分布规律,给出了其与管道壁厚减薄量的对应关系曲线,建立了高含水原油集输管道内腐蚀状况的评估模型。研究可为高含水原油集输管道科学管理及保障原油集输管道安全运营提供技术支撑。     

逆断层作用下埋地管道局部屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道的局部压溃和起皱行为,以黄土地层埋地管道为例,建立了管土耦合数值计算模型,分析了逆断层作用下埋地管道的变形及局部屈曲过程,研究了内压、径厚比及地层位错量对管道局部屈曲模式的影响规律。结果表明,随着地层位错量增大,断层面两侧管道出现应力集中,并逐渐演化为局部屈曲,埋地管道变形曲线由S形变为Z形,断层面两侧的管道变形并非呈对称或反对称分布,上盘区的管道屈曲现象较下盘区更为严重;地层位错量大于3倍管径时,管道轴向应变迅速增大;无压管道和低压管道的局部屈曲模式为压溃,而随着内压的增大,管壁屈曲模式由压溃变为起皱,且管道起皱幅度随着内压的增大而增大;上盘区管段屈曲部位与断层面之间距离受内压、径厚比影响较小,而压溃模式下下盘区屈曲部位与断层面之间的距离随着内压的增大而减小,起皱模式下二者之间的距离随着内压的增大而增大;不同地层位错量作用下,管道最大轴向应变随径厚比的变化呈现出不同变化规律。     

砾砂与混凝土管界面剪切力学特性试验

基于数字图像相关技术,通过自主研制的可视化直剪容器,对砾砂与混凝土管接触面在常法向应力作用下的剪切力学特性进行较系统的试验研究.试验结果表明:砾砂-混凝土管界面初始剪切模量随法向应力的增大而增大;D_r=0.8的砾砂土样与混凝土接触面的摩擦系数较D_r=0.4时增大约17.5%,相对密实度每增大0.2,摩擦角平均增大2°;砾砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线软化程度随法向应力增大逐渐减小,硬化程度逐渐明显;土体剪切位移随着与接触面距离的增加而增大,剪切变形主要发生在剪切错动带内,剪切错动带厚度约为3D₅₀.     

采坑区冲沟演变影响下管道埋深预测

管道埋深是水毁灾害风险评价、防治决策的关键指标之一。基于洪积扇采坑区冲沟发育特征、几何形态及其对油气管道的影响方式,将冲沟演变过程简化为溯源侵蚀和沟床回淤两个阶段,在此基础上构建管道埋深预测模型。利用15处水毁点管道埋深实测值对模型预测值进行验证,偏差小于15%的比例达73%,预测结果基本可信。模型中管道埋深与冲刷比降、回淤比降、设计埋深、水平距离、沉积厚度呈线性正相关,与采坑深度、原始坡面坡降、采坑边坡坡降呈负相关。该模型能快速预测出不同沟床比降下的管道埋深,可为采坑区穿越段管道风险评价、灾害防治、选线等提供技术支撑。     

基于灰关联分析的加筋土挡墙频率敏感因子

加筋土挡墙振动频率反映其抗震性能,基于ABAQUS建立了加筋挡土墙频率计算有限元模型,计算5种工况下结构体系的前三阶频率,发现墙后土体弹性模量对结构体系的振动特性影响较明显.引入灰关联分析法,以填土弹性模量、泊松比、重度等5个参数为影响因素,分析其与振动频率之间的关联度,得到加筋挡土墙振动特性敏感因子.通过算例分析得到:加筋挡土墙振动特性对土体的弹性模量变化最敏感,其次为内摩擦角,对填土泊松比、重度、黏聚力敏感度较低;土体弹性模量与振动频率呈线性关系,而内摩擦角与振动频率呈二次函数关系,内摩擦角为32°时频率变化最为敏感;两个敏感因子对三阶振动影响趋势是一致的,即先增加后减小,再增加.泊松比、填土重度、黏聚力对振动频率的影响不规律.