宽级配砾质土应力路径试验研究

对某土石坝工程的宽级配砾质土进行了三轴等应力比应力路径试验,试验分别模拟了土石坝施工填筑期及蓄水期可能的应力路径,研究了宽级配砾质土在复杂应力状态下的应力应变特性。研究表明,砾质土心墙料在等主应力比和等主应力增量比应力路径作用下,应力应变表现出较好的线性关系;在竣工期,其平均主应力p(或剪应力q)与体应变ε_v及剪应变ε_s的曲线关系都为幂函数形式,ε_v—ε_1、ε_3—ε_1关系均可用线性函数来表示,而在蓄水期,各应力与应变之间的曲线关系则基本上都可以用线性关系来表示。本文研究明确了复杂应力路径下宽级配砾质土的应力应变关系,为建立宽级配砾质土的应力应变本构模型提供了一个重要线索。     

爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟

土石坝在爆炸荷载下的力学响应是一个非常复杂的力学问题,相关研究甚少。在LS-DYNA软件框架内,以两河口土石坝为研究对象,把坝体材料简化为混凝土、心墙、反滤层与堆石体等4种,用500 kg TNT在坝顶接触爆炸时的瞬态荷载作为荷载源,针对不同材料建立适合于爆炸高加载率特征的本构模型,用数值方法分析了土石坝在潜在爆炸荷载下的破坏与损伤演化规律。结果表明,在爆炸荷载作用下,由于土石坝材料组成的多样性,应力波传播规律异常复杂,土石坝的力学响应呈现出显著的分区特征。     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明:地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。     

库水降落作用下无基坑振冲土石坝的渗流安全分析

无基坑振冲加密施工是一种比较先进的土石坝建筑方法。以海南省三亚市西部的宁远河中下游河段的大隆水利枢纽工程土石坝为研究对象,对其进行准确分区,以饱和-非饱和渗流理论为基础,通过三维有限元数值方法,模拟库水下降作用下的土石坝渗流场,并对各级水位下的孔压、流速及流向进行分析,评价大坝的渗流安全。研究结果表明:采用无基坑振冲加密施工方法后,坝体内填砂砾振冲层形成上游排水通道,在坝前水位骤降工况下,防渗土料内有效流速方向和渗透压力的方向由近水平的指向坝面变为竖直向下指向填砂砾振冲层,而且有效流速明显变大,利于渗透水通过填砂砾振冲层排到下游,有利于上游坝体稳定。     

土石坝振动台模型试验颗粒流数值模拟分析

目前一般采用振动台试验、离心振动台试验和有限元动力分析来获得土石坝在设计地震荷载作用下的形态和抗震性能。本文结合孔宪京等的土石坝振动台试验结果开展了颗粒流细观数值模拟研究,克服了传统连续介质力学的宏观连续性假设,形象而直观地表现出坝体在动力荷载作用下的破坏特征。数值模拟规律与振动台试验规律基本一致。同时还分析了坝体颗粒粘结强度和地震峰值加速度变化对坝体破坏特征的影响。数值结果表明,当颗粒间粘结强度较低时,表现为坝体表面颗粒的滑动破坏,粘结强度稍大时,会出现局部的小块颗粒团整体滑动破坏;随着峰值加速度的增大,坝顶沉降量在增大,坝体破坏特征不变。     

高土石坝抗震性态分析与灾害对策研究

首先介绍了中国目前高土石坝建设现状,然后回顾了循环加荷动三轴测试技术、堆石料动力性质的研究、高土石坝动力反应分析方法和土石坝地震永久变形的研究进展,最后讨论了高土石坝抗震措施和土石坝地震安全评价及防灾对策专家系统的基本思路。     

高土石坝地震响应特性振动台模型试验与数值模拟

通过大型振动台模型试验,研究了不同幅值、不同频率和不同持时的地震动作用下高土石坝的地震响应特性,分析了高土石坝的地震破坏模式和破坏机理,并采用有限差分程序结合模型试验进行了动力数值模拟。研究结果表明:加速度响应沿坝高存在明显的顶部放大效应;坝坡加速度响应相对于同高程坝体内部呈现表层放大效应;当输入地震波的卓越频率与坝体自振频率接近时,坝体加速度响应更为强烈;坝体地震永久变形需要一定的时间累积,地震动持时对永久变形有较大影响。在振动台模型试验中,坝体破坏首先从坝顶部开始,破坏模式主要表现为坝顶部堆石松动、滚落、坍塌,甚至局部浅层滑动,其主要原因是加速度响应在坝顶部和坝坡表层存在放大效应,以及坝顶堆石围压低、抗剪强度低三个因素的叠加作用,因此,坝顶部是高土石坝抗震设计的关键部位,研究结果可为高土石坝的抗震设计提供参考。     

考虑上游洪水因素下土石坝溃决流量研究

当土石坝坝体上游遭遇超标准洪水时,坝体往往会发生漫顶溃决灾害。为了预测溃口溃决流量,采用逐渐溃决方式和水量平衡原理的方法,对宁夏市旗眼山水库进行模拟。计算结果表明:当溃口扩展到第84 min时,溃口流量达到最大值,为3 284. 75 m3/s,对应的坝前水位1 189. 76 m,总的下泄流量亦达到最大值,为3 404. 75 m3/s;计算得出的土石坝溃口处流量值处于二分之一溃坝和全溃理论计算值之间,较符合土石坝的溃决情况,可以为水库下游防洪预警方案的制定提供参考。适当的增加溢洪道和泄洪洞的泄流能力,可以有效地消减溃坝洪水的峰值流量,并且减少洪峰流量对下游城市的淹没风险。     

土石坝动力分析人工边界处理方法

我国很多在建或拟建土石坝工程位于地震高烈度区,土石坝的动力反应特性和抗震性能成为工程界关注的焦点。在坝体-地基系统动力分析中,可以通过在截断边界上施加人工边界,解决外行散射地震波无法透过固定边界、在坝体内反复反射、显著增大坝体结构反应的问题。介绍了目前结构动力分析中广泛采用的几种人工边界条件(主要包括透射边界、粘性边界和粘弹性边界),评述了各自的优缺点,着重分析了粘弹性人工边界应用于覆盖层上土石坝动力分析所面临的问题和解决对策。结果表明,粘弹性边界条件能够吸收外行散射地震波能量、模拟人工边界外无限地基介质的弹性恢复性能,可以应用于深厚覆盖层上土石坝动力分析边界处理研究。     

加筋土石坝小型振动台模型试验分析

土石坝振动台模型试验是认识坝体地震破坏过程和检验抗震措施效果的重要手段之一。针对2种坝体材料,利用小型振动台,开展了一系列不同加载工况、不同加筋方式的土石坝小型振动台模型试验。试验结果表明:①2种坝体材料的初始破坏都首先从坝顶开始,表明坝顶是抗震的关键部位,与已有研究成果基本一致;②相同加载条件下,级配较差的碎石料模型坝的抗震性能优于砂砾石料,表明相对于级配,堆石料自身的性质对土石坝抗震性能的影响更大;③由细铁丝网和纱布组成并在坝坡采取包裹处理的复合加筋的抗震措施,抗震效果优于平铺纱布、平铺纱布且在坝坡包裹处理、平铺细铁丝网等的抗震措施。研究成果可供进一步开展土石坝大型振动台模型试验的材料选择、抗震措施设计等参考。     

上海环球金融中心大厦弹塑性时程分析

在材料应力-应变关系的层次上，进行了高层钢筋混凝土结构的弹塑性时程分析。采用两种非线性宏观单元——梁柱单元和墙单元，单元截面分析采用纤维模型。在计算单元刚度矩阵时，采用子结构技术，从而实现了一根柱或一根梁采用一个非线性梁柱单元来模拟。编制了高层钢筋混凝土结构弹塑性时程分析程序，且用该程序对上海环球金融中心大厦振动台模型结构进行了分析，并与试验数据进行了对比。最后对该大厦原型结构进行了弹塑性时程分析和抗震性能评价。     

土石坝管涌溃坝过程数学模型及应用

通过国内外土石坝管涌溃坝模型试验发现,管涌通道断面在溃坝过程中呈现城门洞形,并不断发展扩大直至坝顶发生坍塌。而目前常用的管涌溃坝过程数学模型大多假设管涌通道为圆形或矩形,与实际情况不符。基于土石坝管涌破坏机理,提出一个土石坝管涌溃坝过程数学模型,模型假设初始管涌通道断面为底部正方形顶部半圆形的城门洞形,采用基于水流剪应力的冲蚀公式模拟冲蚀过程管涌通道两侧边向外的发展,采用普罗托季亚科诺夫压力拱理论模拟管涌通道顶拱的发展;通过比较管涌通道上部坝体的重力与管涌通道两侧土体的抗剪强度判断管涌通道的垮塌,分别选择孔流和堰流公式模拟管涌通道坍塌前后的溃口流量;当管涌通道坍塌后,假设坍塌的土体立刻被溃坝水流带走,随后发生漫顶破坏,使用极限平衡法模拟漫顶溃坝过程中的溃口边坡稳定性。模型采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃口的水土耦合过程,选择国内外25个具有实测资料的土石坝管涌溃坝案例对模型进行验证,比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性。     

采动过程中下被保护层煤体变形渗流规律研究

为得到采动过程中被保护层煤体的变形、渗流规律,进行了煤样在加卸载应力作用下的变形与渗流实验研究。以红阳三矿上保护层开采为工程背景,采用数值模拟得到保护层采动过程中下被保护层煤体的加卸载路径,依据该加卸载路径对被保护层煤体试样进行加卸载,得到应力—应变及应力—渗透率关系曲线。研究结果表明:加卸载过程中,轴向应变随加卸载表现为线性向非线性转变,且卸载过程中轴向应变未能恢复至初始值;环向应变随加卸载表现为非线性变化。相同应力值对应的加卸载渗透性变化规律为:一次卸载阶段渗透率小于一次加载阶段渗透率小于二次加载阶段渗透率。     

滨海高水位下渗透性风化岩的损伤模型研究

滨海地区风化岩层中高地下水位对地下工程的影响是长期被关注的热点问题。从岩土材料应力-渗流-损伤完全耦合作用下的弹塑性特点出发,提出一种适用于风化岩层的流固耦合弹塑性损伤本构模型。考虑岩土材料抗拉性能和抗压性能的差异,选取修正的Mohr-Coulomb破坏准则作为岩土介质的塑性理论模型,采用有效应力空间进行应力-应变计算,把塑性计算与损伤计算进行解耦,并对有效应力进行谱分解,分析了拉、压不同状态应力下岩土体材料损伤演化的不同规律,利用得到的应力、应变和损伤变量,与介质的渗流参数建立相应的关系,实现了应力-渗流-损伤的完全耦合。此外,基于Abaqus软件平台及回映算法编制了相应的非线性程序,结合算例将所得计算结果进行了系统分析,初步验证了该理论的可靠与合理性。研究成果可为滨海城市中深基坑开挖诱发地层渗透破坏等灾害的控制提供理论依据。     

能源隧道的温度应力有限元计算

基于ABAQUS通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分析程序(TTS-FEP),分析能源隧道能量传输过程中的温度应力。建立平面应变算例,分别进行线性弹性、非线性弹性和非线性粘弹塑性分析。计算结果表明:通过瞬态传热计算分析,ABAQUS通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分析程序计算结果接近。由于环向方向较径向方向受到更大约束作用,计算所得环向应力变化较为明显。将衬砌材料分别设定为线性弹性模型、非线性弹性模型与非线性粘弹塑性模型,所得能源隧道应力计算结果较接近。关于温度应力的计算,3种模型计算所得衬砌与围岩界面处温度应力逐渐减小。     

热弹塑性土体本构模型及在多场耦合数值模拟中的应用

采用热等效应力的概念,提出一种新的热弹塑性饱和/非饱和土本构模型,其在正常屈服面以内仍然会发生塑性应变。该模型通过以饱和度和土骨架应力为状态变量,能够统一描述饱和、非饱和土体的热力学特性;还采用上下负荷面概念,考虑了土的结构和超固结发展特性。所提出的本构模型可以很好地展现饱和/非饱和土体在不同温度条件下固结压缩实验和三轴实验中的压缩和应力应变特性。将该模型导入土-水-气-热多场耦合有限元分析中,利用有限单元一有限差分法模拟了深层软岩加热高温试验。计算结果与试验结果吻合得很好,验证了所提出的本构模型与多相场耦合有限元方法的准确性,可尝试将其用于地热能开发与土体热力学特性的研究和模拟。     

膨胀土非线性蠕变模型研究

通过对南宁膨胀土的三轴压缩蠕变试验,研究了该膨胀土的非线性蠕变特性。基于流变力学和分数阶微积分理论的蠕变模型,构建了可反映膨胀土非线性流变特性的本构方程和蠕变方程。为了更好地描述膨胀土的非线性流变行为,通过引入考虑应力水平影响的类粘滞系数,进一步改进了软体元件。研究发现,膨胀土的非线性蠕变过程可以通过调整分数阶次β1和β2进行有效地模拟。研究结果表明,所建立的模型能完整地描述膨胀土的粘-弹-塑性变形,且模型分析结果与试验结果非常吻合,为计算膨胀土地基在长期荷载作用下的变形提供了理论依据,也对进一步探索膨胀土的应力松弛和长期强度等流变特性具有理论意义。     

土石坝震损机理及震害影响因素研究

汶川8.0级地震造成主震区四川省境内1997座水库的坝体、溢洪道、输水管、管理房等水利设施不同程度的损毁,不仅无法实现水利功能,而且面临洪水威胁.汶川地震中土石坝典型震害包括裂缝、滑坡、渗漏以及坝体沉陷等.在调查主震区土石坝地震损毁特点的基础上,分析了均质土坝、面板堆石坝、心墙坝等坝型主要震害产生的原因,阐述了影响土石坝震害程度的诸多因素及其作用方式,控制性因素主要有外部因素如场地类别、地震动参数,坝体内部因素如坝料特性、坝型及坝高、坝坡坡率等.     

考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥非线性地震反应分析

运用大型有限元通用软件ANSYS/LS-DYNA及其并行运算功能,进行了考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥地震反应分析。考虑混凝土、土介质和悬索材料的非线性与考虑材料线弹性的计算结果比较表明,考虑材料非线性情况时,由于进入塑性阶段后的能量耗散,内力比考虑线性情况时小;而进入塑性阶段后,结构刚度变小,运动量要比考虑线性情况时大。     

下穿式箱涵顶进施工过程土体受力规律研究

为了研究下穿式箱涵顶进过程中土体应力变化规律,以新长铁路丁溪河中桥的疏浚拓宽工程为背景,实时监测了箱涵顶进开始到就位过程中桥台处土体的应力变化。基于ABAQUS建立了箱涵与土的三维有限元模型,定义了箱涵底板、侧墙与土之间的法向接触对和切向接触对,从而将实际箱涵顶进施工的过程等效为给定箱涵初始位移的接触分析问题。根据实际施工中土层切土高度的变化情况,模拟了切土高度分别为4.51 m和6.51 m的两种箱涵顶进工况。计算结果表明,数值模拟得到的侧向土压力整体要大于实测土体的压应力,这主要是由于数值模拟中采用的是接触压应力,而顶进过程中可能出现箱涵侧墙与土体分离而导致的空顶。切土高度为6.51 m时数值模拟得到的箱涵摩阻力与箱涵的实际顶力非常接近,实现了二者的近似平衡,而切土高度为4.51 m时计算的摩阻力要小于实际顶力。