波流共同作用下海底管线周围海床的动力响应分析

针对埋设有海底管线的多孔介质海床,基于Biot动力固结理论,采用Pastor-Zienkiewicz III的动力弹塑性本构模型,建立了一个多孔介质的弹塑性海床模型,分析了波浪-海流共同作用下海底管线周围海床的动力响应规律,计算了波浪-海流共同作用下海床中超孔隙水压力的分布和表面波压力的分布规律,以及不同的海流速度对海床中超孔隙水压力分布的影响。结果表明:海流的存在对海床表面的波压力的波长和周期都有显著影响;海底管线等结构物的存在,减缓了管线以下海床中超孔隙水压力的累积。     

海底管线周围海床瞬时液化的数值分析

地震荷载作用下,海床液化是海底管线失稳的主要原因之一。本文采用Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型,基于饱和多孔介质的Biot动力固结方程,进行了有效应力分析;利用大型有限元计算软件ADINA,计算得到了海底管线周围海床土体中的超孔隙水压力及其变化规律,并在此基础上进行了瞬时液化分析。在数值计算的过程中,引入粘弹性人工边界的方法模拟地震波由有限域到无限域的传播,从而更为实际地反映了在地震作用下,海底管线周围土体的动力响应问题。     

风浪流共同作用下海上风电基础与海床的动力响应分析

我国近海风资源丰富,但由于海洋环境条件的复杂性,开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约;而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。采用谐波叠加法模拟得到近海风电场的风荷载时程,利用Morison方程和非线性波浪理论推导了波浪荷载和波流荷载的计算公式,最后根据Turkstra准则将风浪流荷载进行叠加组合,建立风浪流荷载共同作用下海上风电基础与海床动力相互作用的三维有限元计算模型。基于此模型,针对不同荷载组合条件下风机塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等进行了动力分析,同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算分析,讨论了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。结果表明:风荷载对风机塔筒顶端水平位移、塔底应力影响较大,波流荷载对风机基础顶端水平位移、桩身弯矩、桩身剪力影响较大,而波浪荷载则对海床孔隙水压力影响较大。可取最大风荷载和最大波流荷载叠加波浪荷载时程的组合为最不利组合方式。     

地基液化导致沉箱码头破坏及地基加固方法的非线性数值分析

地震作用引发的地基液化,往往导致沉箱基础的破坏。本文基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用FE-FD耦合数值分析方法,对液化海床沉箱基础的地震反应进行非线性有效应力分析。在数值分析过程中,建立了以土骨架位移和超静孔隙水压力表达的us-pw动力固结方程和循环弹塑性本构模型,该方法能够很好地模拟地震作用下沉箱码头的动力特性及液化破坏的影响。通过数值模拟计算,分析了采用碎石桩进行置换砂区域的防液化加固方法,并就碎石桩处理区域的选择提出了建议。     

地下管线的有效应力地震反应分析

地下管线的地震反应与管线周围土体的动力特性以及管土之间的相互作用密切相关。在地震作用下,孔隙水压力的发展会导致土体有效应力的降低,并且影响土体的动力特性。根据有效应力方法以及土体的非线性动力本构模型,可以研究孔隙水压力的增长与消散、有效应力的降低以及土动力特性的变化。在地下管线与周围土体之间引入接触单元,来模拟管土之间的接触传递问题;通过有限单元法,对地下管线的地震反应进行了全过程地震反应分析的数值模拟。计算结果表明:在地震作用下,孔隙水压力的增长造成了土体的软化,使得土体的动力特性发生变化,因此管线的地震响应也发生了相应的变化。     

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%。     

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。     

软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基工作状态分析

软土场地碎石桩因具备桩体侧向变形大、超孔隙水压力消散慢的问题,导致出现基础沉降大、土体固结排水速度慢等工程病害。路堤下采用加筋碎石桩复合地基是处理软土场地的主流方法。本文采用二维有限元方法,建立考虑路堤填筑过程的软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基数值模型,探讨了加筋碎石桩复合地基承载力的影响因素。基于达西定律和比奥固结理论,分析高地下水位场地条件下加筋体刚度和桩数对加筋碎石桩复合地基工作状态的影响规律。研究表明:增大褥垫层厚度和减小褥垫层模量均能够提高桩土应力比,改善桩顶应力集中的问题。与传统碎石桩相比,高地下水位条件下加筋碎石桩复合地基中超孔隙水压力消散速率快,桩数增加可以有效提高复合地基排水速率。     

钙质砂动力液化特性的试验研究

我国南海分布有大量的钙质砂,在波浪或地震等动荷载作用下会发生液化。利用土工动力三轴仪进行了南海钙质砂的动力液化特性试验。试验表明,在等压固结条件下,不同围压下饱和钙质砂试样的变形模式基本相同,加载初期试样抵抗变形的能力较强,试样的应变幅值较小,孔隙水压力几乎呈单调上升,该阶段孔压仅有很小的波动,且动应变幅值几乎不发生变化。随后孔压发展进入加速阶段,试样软化明显。在循环加载过程中,剪缩与剪胀交替出现,孔隙水压力产生较大的波动,试样软化会使得剪应变持续增加,同时试样的剪胀反应又使每一循环中试样的液化趋势减弱,变形发展受到抑制。     

渗流作用下岩溶陷落柱侧壁突水的临界水压解析解

在陷落柱侧壁突水研究中引入厚壁筒力学模型,将陷落柱侧壁煤柱视为多孔介质,考虑地下水的渗流体积力,应用摩尔库伦强度理论和弹塑性力学模型,推导出煤柱弹塑性状态应力解析式,以及煤柱内塑性区半径与水压力的关系表达式,同时编程试算出陷落柱侧壁突水的临界水压力。在此基础上,分析了煤柱孔隙率、煤柱抗剪强度参数以及煤柱宽度等因素对陷落柱侧壁突水的临界水压力的影响规律。研究结果表明:1煤柱能够承受的临界水压随着煤柱孔隙率的增加而降低,故当煤柱裂隙发育时,不考虑渗流力的结果将偏于安全;2煤柱宽度越大、抗剪强度越高,则临界水压越大,陷落柱侧壁突水的危险性越低;3可通过注入水泥浆液减小煤柱孔隙率和提高煤柱强度来防止陷落柱侧壁突水,同时可减少煤柱的留设宽度,对减少煤炭损失有着重要意义。     

基于有效应力原理的溃坝分析

依据前人的研究分析得知,天然坝的溃决主要是受坝体内部孔隙水压力的影响。因此,基于有效应力原理提出了溢流侵蚀溃决型坝的数学模型,该模型为溃坝时的临界孔隙水压力计算公式。通过对坝体孔隙水压力进行监测,可对该类型坝进行实时预报。为了检验该模型的正确性,设计并进行了大型野外溃坝模拟试验。经试验检验得知,该模型的可靠度较高;同时,该试验还得出了孔隙水压力在坝体内部的分布规律。所得成果对溢流侵蚀溃决型坝的预警预报具有参考价值。     

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。     

准饱和砂土中平面压缩波传播

准饱和砂土与完全饱和砂土不同之处在于前者含有少量封闭气体,在爆炸荷载作用下,准饱和砂土中气体含量的微小变化对波的传播特性将会产生巨大影响。本文基于有效应力分析法,在有效应力弹塑性模型的基础上考虑了少量气体的影响,将该模型编制成模块并与通用岩土分析软件FLAC接口。进而采用多组分介质模型模拟分析了准饱和砂土在爆炸平面压缩荷载作用下的波传播特性,以及气体含量改变对波传播的影响。通过数值模拟得出了一些定性的结论：饱和土体中气态组份含量的变化对土体压缩机制、坡在不动刚性上的反射、超孔隙水压力都产生重要影响;随气体含量的增加,波阵面传播速度、声速会急剧下降,但在相同压力下,质点运动速度反而随气体含量的增加而增加。     

波浪荷载作用下非均等固结饱和粉土孔压特性研究

选用近海地区分布广泛的粉土作为研究对象,利用空心圆柱仪进行了模拟波浪荷载作用下的循环三轴-扭剪耦合试验,探寻非均等固结条件下饱和粉土孔隙水压力的发展特性。试验结果表明:非均等固结条件下,饱和粉土孔压比与广义剪应变之间的关系符合双曲线发展形式,孔压比与振次比之间的关系可以用幂函数来较好地拟合。根据极限状态的摩尔—库仑定律,推导了少粘性粉土孔隙水压力极限值计算方法,并将计算值与试验值进行了比较。孔压比和固结比的计算值与试验值之间均符合直线型关系,且固结比越小,计算值与试验值之间的差异越小。     

水‑力作用下黏土孔隙结构演化规律研究进展∗

黏土的微结构直接决定宏观水?力学特性，然而现阶段绝大多数模型都是基于宏观参数所建立，由于缺乏微观机制的支撑，己经难以满足科研和工程需求。因此开展孔隙结构演化研究可以加深对非饱和土复杂水?力学特性的认识。在详细阐述黏土的孔径分布特征及双孔模型的基础上，全面回顾和总结了近年来水?力作用下黏土孔隙结构演化规律的研究成果与最新进展，并进行了相关讨论。结果表明：考虑颗粒集聚体的双孔模型（集聚体间孔隙与集聚体内孔隙）可以更好地解释黏土复杂的水?力学特性。水?力作用对黏土孔隙结构的影响机制不同，根据文献试验数据和理论分析初步总结出水?力作用下土孔隙结构的演化规律。外力荷载只显著影响集聚体间孔隙，对集聚体内孔隙基本不影响；含水率变化会改变土颗粒相对位置，继而影响这两类孔隙结构，但是土水相互作用复杂，导致含水率变化对土孔隙结构影响机制仍不清晰，并且没有统一认识。鉴于此，在研究土水相互作用对微观孔隙影响时应充分考虑物理?化学作用，并构建微观孔隙结构演化与宏观变形的定量关系，这也是今后需要深入研究的方向。     

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。     

考虑随机腐蚀的多龄期埋地钢管地震响应规律∗

埋地管线作为城市水、气等的重要传输载体,对城市正常功能的运行发挥着不可或缺的作用,由于土壤环境腐蚀的影响,在突发地震作用下极易发生破坏,造成环境污染及资源的浪费。基于随机腐蚀过程,针对多龄期埋地钢管的地震响应规律展开了系统深入的研究:考虑埋地管线腐蚀发生的随机性,建立了基于齐次马尔可夫过程的随机腐蚀发生模型;考虑不同腐蚀环境的影响,建立了酸性环境下的全面腐蚀模型与近中性及碱性环境下的局部腐蚀模型;基于钢材标准试件的加速腐蚀模拟及拉伸破坏试验,建立了考虑随机腐蚀作用的钢材力学性能退化模型及埋地钢管的时变本构模型;采用有限元软件ANSYS进行非线性动力时程分析,揭示了不同土壤环境下多龄期埋地钢管的地震响应规律,为埋地钢管的震前加固及震后破坏评价提供理论依据。     

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。     

真空联合堆载预压加固长江漫滩相软基孔压测试分析

结合长江江苏镇江段某码头堆场地基采用真空联合堆载预压法加固处理工程,通过现场钻孔埋设孔隙水压力计,对长江漫滩相软土地基加固过程中孔隙水压力的发展变化过程进行了测试分析。结果表明:真空预压区,加固30d后地基中孔隙水压力变化基本稳定,且土中超静孔隙水压力的消散受该深度排水板中真空荷载的影响十分显著;排水板中真空荷载随深度衰减,衰减速率与排水板周围土层性质密切相关;通过现场测试得到排水板周围为长江漫滩相淤泥质粉质黏土时,真空荷载沿排水板深度衰减速率约为3kPa/m。     

Parkfield地震预报试验概况和弹性多孔介质变形—流体扩散的研究现状——Roeloffs博士学术报告综述

本篇简要综述了美国加州Parkfield地震预报试验,水文前兆观测中的布井原则,影响因素排除,水文前兆的特点和前兆模型.着重介绍了弹性多孔介质变形—流体扩散的研究现状,如水库蓄水造成的应力与孔隙压力的计算和断层稳定性变化,同震水位变化和断层蠕动造成水位变化的模拟.