冻融作用下非饱和土热水力耦合数值模拟

基于多孔介质力学建立非饱和土在冻结过程中的耦合方程并进行单向冻融过程的数值求解及模拟分析。把非饱和冻土当作固体土颗粒、未冻水、冰晶及孔隙气组成的多孔多相介质,在小变形假定下建立了考虑冰?水、水?水汽相变的非饱和冻土的质量守恒、动量守恒方程,以及能量方程、耗散不等式、热平衡方程。结合冻融过程中的渗透特性以及应力应变关系,对单向冻融条件下的非饱和土柱封闭系统进行了数值求解,计算结果表明冷端冻结温度的数值对非饱和土柱的顶部位移影响较大,而对温度场的分布规律以及冻结区的含水率分布影响较小。研究结果可为寒区非饱和土工程的设计和施工提供指导。     

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。     

复合填料一维冻胀量数值模拟分析

复合填料是以废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯颗粒(EPS)、水泥和水为原料,拌合后形成的一种轻质填筑材料。其中,EPS颗粒含量适当时,能减少或消除复合填料的冻胀和融沉,可作为季节性冻土区的路基填料。假设复合填料中除EPS颗粒外的骨料颗粒、孔隙冰为刚性介质,同时考虑EPS颗粒变形和填料孔隙变形对复合填料冻结过程的影响,在已有的冻土水热耦合分离冰模型的基础上,得到考虑EPS颗粒变形影响的饱和填料一维冻结水热耦合控制方程,进而预测填料的冻胀量。与室内模型试验结果对比表明,本文模型可用于该种具有弹性颗粒复合填料的冻胀量模拟,为工程中冻胀量预测提供依据。     

冻土随机性研究现状及展望

基于国内外近些年对土体随机性问题所取得的研究成果,分别从影响冻土随机性的内外因素、冻土参数的概率分布规律和随机场计算模型等几个方面总结了随机性的研究现状及进展,取得了如下认识:(1)由于内外因素的影响,冻土物理力学参数、水分场参数等均存在很强的变异性;(2)分析总结了随机变量的概率函数推断方法,相比而言,正态信息扩散法能够有效地描述随机变量的波动性;(3)总结了随机性描述方法,发现随机场方法不仅能考虑随机变量的空间性,而且具有较好的应用前景;(4)总结分析了冻土随机场的计算方法,其中,随机有限元法能够充分考虑材料参数的随机性,具有较好的应用前景。基于以上对冻土中随机性研究现状的认识,笔者认为今后还需展开更深入的研究:对冻土中涉及的参数分布规律进行充分的研究;对冻土冰水相变过程中的随机过程进行深入分析;开展冻土水、热、力及水、热、力、盐等多耦合场、多尺度随机场的研究。     

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。     

自适应时间步长法在土体冻结水热耦合模型中的应用

由于相变的存在,土体冻结过程中的温度传导与水分迁移是一个复杂的物理过程。为了更好地描述冻结过程中水分与温度的变化规律,通过对不饱和土体水分传导方程的研究,考虑冻结过程中的相变,建立了一维冻土水热耦合模型。给出了相应的差分与有限元程序,并对室内冻结实验进行了模拟。提出误差因子的概念,通过对程序计算中时间步长与计算用时、误差关系的分析,论证了进行时间步长优化的必要性。在两种不同数值方法的对比中,体现了有限元计算的稳定性。提出了调整后的自适应时间步长计算方法。计算结果表明,优化时间步的自适应步长法,在不影响模型计算准确度的前提下,可以大幅减少计算用时,提高计算效率。     

液化侧扩流场地桩基动力反应振动台试验数值模拟

针对已完成的振动台试验,采用OpenSees数值模拟计算平台,建立液化侧扩流场地群桩振动台试验数值模型。该模型中,采用线弹性梁柱单元模拟桩和挡墙,采用刚性连接单元和零长度单元模拟桩-土界面。自由水体通过施加节点孔压和节点力模拟。引入多屈服面塑性本构模拟饱和砂层,采用两相完全耦合的u—p形式模拟土体位移和孔压。通过对比振动台试验结果表明,建立的有限元数值模型能够可靠地再现砂层和桩基的动力响应,进而验证数值模型的可靠性。同时,针对两个代表性时刻,分析了桩-土体系的侧向变形响应。所采用的分析方法和相关结论也为同类桩-土体系数值模拟提供一般性分析方法和思路。     

考虑Weibull分布的饱和风积土统计损伤硬化模型研究

为能更好地揭示复杂应力状态下饱和风积土变形过程的损伤本构关系,引入服从Weibull随机分布的饱和风积土微元强度统计损伤理论,基于饱和风积土常规三轴全应力—应变试验曲线,构建能够模拟特定围压环境下饱和风积土变形全过程的统计损伤硬化本构模型。通过拟合分析基于Weibull分布的饱和风积土统计损伤本构模型参数m、F0与围压σ3之间的关系,对其参数进行科学修正,从而构建出能够更客观地描述在复杂应力环境中的饱和风积土统计损伤硬化模型。理论与试验对比研究结果表明该模型具有一定的可靠性,不仅能客观地描述饱和风积土变形的全过程,更能真实地描述孔隙水压力对饱和风积土工程特性的影响。     

考虑水-土-桥梁动力相互作用的大跨桥梁地震反应分析

为了研究地震动作用下动水压力对深水桥梁的影响,基于局部动力人工边界、流体边界及流固耦合理论方法建立了水-土-单桩整体模型,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,同简化的Morison方程法模拟方式及无水模型进行对比分析,研究考虑桩土作用前提下工程简化方法和考虑流固耦合的整体方法的差异,以及桩土作用下动水压力对单桩结构动力反应的影响。在此基础上,以某跨海大跨连续刚构桥为背景,首次建立了水-土-桥梁系统的整体动力有限元模型,研究水-土-桥梁系统的地震动力反应,分析了桥梁各构件的内力幅值和分布规律,并与未考虑动水作用下的桥梁结构进行对比,分析了动水压力对深水桥梁的地震反应的影响规律。结果表明,动水作用受地震波频率影响较大,但规律相近,相同外部环境下,由于上部结构和桩土相互作用的不同,动水压力对单桩的影响大于大跨桥梁桩基础的影响。对于大跨桥梁,动水作用对处于水中桩基础的影响较大,水中部分的桩基础内力增幅最大,对水位以上的桥墩影响稍小,考虑动水作用后主梁轴力增加,弯矩减小。     

中俄原油管道漠河至大庆线典型区域热融灾害评价研究

根据高温、高含冰量、高油温等冻土区埋地管道热融灾害易发性条件,选取自然环境、冻土特征、管道扰动3个方面10个指标,建立了冻土区输油管线热融灾害评价指标体系。基于漠大线364km处研究区域水文、冻土工程地质的复杂性和指标评价等级界线的模糊性,采用模糊互补判断矩阵排序原理确定指标权重,应用模糊综合评判法建立模型,并对该研究区域管线热融灾害进行了评价。结果表明,研究区域内管线诱发热融病害的主导因素为:年平均油温、冻土含冰量、年平均地温,且其潜在风险处于较差等级,其中,自然环境因子、冻土特征因子、管道扰动因子潜在风险皆处于较差等级,这与管道全年正温运行、地表扰动、热融沟积水下渗等引起管-土融化圈逐年扩大的病害问题相符。依不同病害区显著特征修正部分评价指标后,该模型可以推广应用到漠大线管线病害综合评价中。     

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。     

动水压力和PSI对深水高墩桥梁抗震性能的影响∗

以我国西部地区某库区一深水高墩大跨连续刚构桥梁为工程背景,考虑动水压力、桩-土相互作用以及二者联合作用的影响,确定了六类不同的分析工况,利用OpenSEES源代码分析平台分别建立有限元模型,通过输入两组空间地震波进行非线性时程分析,讨论了动水压力和桩-土相互作用对深水高墩大跨桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究结果表明,考虑动水压力和桩-土相互作用会降低高墩大跨桥梁的振动频率,且二者的影响主要体现在下部结构振型参与率较高的高阶模态;动水压力效应会增加高墩在地震作用下的动力响应,但桩-土相互作用对非线性分析结果的影响没有明显的规律;同时考虑动水压力和桩-土相互作用时,深水高墩桥梁的地震响应并不是简单的相互促进或相互抵消,而与地震动的大小、频谱特性等相关;强地震作用下桥梁结构的桩顶水平位移较大时,抗震设计中更适合采用"p—y曲线"法模拟桩-土相互作用效应。     

滑坡灾害孕育-激发过程中的水-岩相互作用

降雨造成的地下水与斜城岩土体之间的复杂作用--水-岩相互作用不仅是滑城灾害的主要激发因素,它的滑坡孕育过程中也发挥着重要作用.以往的相关研究主要集中在滑城激发有关的突隙水压力效应的滑城临界降雨量、地下水富集斜坡的稳定性评价、水-力耦合及地下水对岩石的软化效应等方面.孕育过程在滑城研究中居于重要的基础性地位.以流-固耦合等理论为基础对岩体进行时效变形预测,对于斜坡研究中居于重要的,但是,由于大多数滑城的孕育都是在近地表的侵蚀性地球化学环境中进行的,与深埋地下空间的开挖问题存在明显区别.作为水-岩相互作用主要类型之一的水-岩化学作用是造成这种差别的主要因素.深入开展滑城灾害孕育过程中的水-岩化学作用研究不仅对斜城维护、加固及滑城预报是重要的，而且可以促进水-力双重耦合、水-热-力及水-热-力-化学多重耦合等复杂理论的发展.     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

季冻区典型土类冻胀特性试验研究

冻胀是季冻区工程常见灾害,为了研究季冻区不同土类的冻胀特性,本文选取3种季冻土—黏土、粉质黏土和分散土,基于单向冻结封闭系统,考虑含水率、干密度和土质3个因素,采用单因素冻胀试验设计方法,给出了3种土类冻胀的特性。结果表明:随含水率的增大,3种土的冻胀率随之增大而后波动较小,粉质黏土的冻胀效应最强,黏土次之,分散土冻胀率最小;随干密度的增大,黏土和粉质黏土的冻胀率先增大后减小,分散土的冻胀率则不断增大;多数情况下,3种土类冻胀率均在冻结温度-10℃左右达到最大值。     

基于粒间接触关系的饱和砂土液化特性研究∗

为了研究饱和砂土的液化机理,通过等体积加载的方式建立了循环荷载下饱和砂土动力响应的颗粒流计算模型,研究了饱和砂土在不同围压和加载幅值下的动力响应,探讨了颗粒间力链的发展特性,并从Shannon 熵、Boltzmann 熵以及Clausius 熵的基本关系入手,建立基于粒间接触力链的饱和砂土颗粒熵计算方法,分析了颗粒熵发展特性。结果表明：饱和砂土初始总力链主要受围压的影响,围压越大,初始总力链越多;循环荷载下饱和砂土颗粒间力链总数逐渐降低,且强力链持续向中、弱力链转换;循环荷载下饱和砂土颗粒熵表现出先升高后降低的二阶段特性,围压和加载幅值对颗粒熵峰值无明显影响,各工况的颗粒熵峰值均为0.92;定义颗粒熵峰值为相变颗粒熵,相变颗粒熵时的饱和砂土表现出固液临界态的力学特征,指示了饱和砂土由固态向往返液化状态转变的临界点。     

季冻区路基冻胀影响因素分析及权重判别

路基冻胀是季冻区常见的道路工程灾害,影响因素复杂且相互耦合。本文针对现行冻胀规范仅考虑土质条件和含水率两种影响因素的局限性,基于以往研究成果和综合判别,明确了含水率、温度、压实度和土质条件是路基冻胀的主要影响因素。以哈尔滨周边有代表性的季冻区道路为例,构建了上述四种因素耦合下的季冻区路基冻胀率计算公式,并采用层次分析法得到土质条件、含水率、温度及压实度对冻胀的影响权重分别为:0.47、0.21、0.18和0.14。新的计算公式能够反映多因素耦合下季冻区路基土的冻胀特性,为季冻区道路工程防灾减灾及相关规范完善提供了借鉴。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

土-结构相互作用振动台试验模型简化方法探讨

考虑到地震模拟振动台本身的承载能力限制、土体及边界条件模拟的复杂性、模型缩尺比例不能过小等因素,提出了一种在地震模拟振动台试验中简化考虑土-结构相互作用的方法,并以某海上高耸塔结构为例说明了该方法的可行性。利用有限元软件ETABS9.0.0建立了两个三维有限元模型:考虑土-结构相互作用模型(模型A)和简化模型(模型B)。其中,模型B上部结构与模型A相同,通过模态分析、反应谱分析和时程分析反复调整基础结构形式,使两个模型的上部结构地震反应相同。调整得到的模型B,即为考虑土-结构相互作用的简化模型,可为土-结构相互作用地震模拟振动台试验提供参考。     

复杂应力路径下饱和粉土孔压与变形试验研究

为了研究均等固结条件下复杂应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土孔压和变形的影响,利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验。采用累积广义剪应变γg来描述粉土在复杂应力路径下的变形,并以γg=5%为液化破坏标准。研究表明:(1)未液化粉土γg的发展趋势可以通过修正Monismith模型较好地表示,模型得到的预测值与测量值的误差大致在10%以内。(2)当CSR≤0. 05时,CSR和δ对于粉土γg随孔压比ru增大而增大的影响不明显,此时粉土γg几乎不发展且ru远小于1. 0。(3)粉土在不同应力路径下的临界循环应力比CSRth有所不同,当δ=1时,0. 05 CSRth≤0. 065;δ=2时,0. 065 CSRth≤0. 08;δ=4时,试验粉土均不会液化。