端承桩‑土动力相互作用的频域子结构分析方法∗

对动力荷载作用下桩‐土相互作用问题,将桩和结构等效为一维杆、土体假定为黏弹性介质,提出了一种桩‐土动力相互作用的频域子结构分析方法。首先,基于连续介质力学方法,通过引入势函数对土体振动方程进行解耦, 根据边界条件推导桩周土体位移和应力的表达式,并结合桩‐土耦合连续性条件推导出均质土体中水平抗力表达式。之后,基于有限元方法将桩和结构采用梁单元离散,进一步通过有限元离散得到土体水平抗力与桩位移之间的动力刚度矩阵,并将其与桩和结构的动力刚度矩阵耦合形成耦合有限元方程,从而建立了结构‐桩‐土体系动力响应的频域子结构模型。最后,通过 Abaqus 软件中的三维有限元模型对该方法进行了验证;利用提出的模型分析了土体动力刚度、土体阻尼和土体模型等对结构动力响应的影响,并分析了地震动一致和非一致激励对结构地震响应的影响。     

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。     

基于拟动力法抗滑桩加固非饱和土边坡稳定性分析∗

基于极限分析上限原理和拟动力法,提出一种半解析改进水平片分法,计算具有非线性分布特征的非饱和土重力和地震惯性力所做外功率,将传统塑性理论扩展至非饱和土中以考虑基质吸力对桩侧阻力的提升作用,与解析解对比验证了该方法的合理性。通过算例分析,揭示了吸力对非饱和土边坡稳定性及抗滑桩加固效果的强化作用,探究了非饱和土边坡的地震响应规律,研究了抗滑桩布设参数对支挡结构边坡稳定性的影响规律。研究结果表明：吸力对边坡稳定性的提升效果可达 20% ~ 50%,吸力效应与地震动特性密切相关,在地震波达到峰值时显著增强;水平和竖向加速度系数以及土剪切模量对边坡地震稳定性影响较大;桩距 D₁/d_p ≤ 4 时,抗滑桩加固效果较为显著并随摩擦角的增加得到强化,抗滑桩最佳桩位位于边坡中上部,且随摩擦角的增加逐渐减小,对应的加固效果也有所降低。     

降雨入渗条件下双层非饱和土边坡渐进性破坏数值分析

为了研究降雨入渗引起的双层非饱和土边坡的破坏机理,提出了渗透变形水-土-气三相耦合的有限元数值分析方法。计算程序中通过采用合理的非饱和土弹塑性本构模型,使其可描述双层非饱和土边坡在降雨入渗时的渗透-变形耦合力学特性变化,进而更加清晰明了地阐述非饱和土边坡的破坏机理。以2层不同湿密度的非饱和砂土边坡的模型实验作为研究对象,采用所提出的数值计算方法对不同降雨强度(50、100 mm/h)与双层坡角(59°和68.3°)等4个工况进行了数值模拟分析。与试验结果对比可知,数值模拟结果可以很好地再现试验观测现象,包括不同工况下的孔隙水压力变化、破坏时间。计算结果表明：1)由于2个土层的透水系数有所差异,水在2个土层之间的水分迁移较为缓慢。2)坡角越小(59°)或者降雨强度越小(50 mm/h),边坡破坏所需要的时间越长。3)在降雨过程中塑性破坏是从边坡左侧的坡趾附近开始,逐渐延伸至坡顶,最后形成一条贯穿整个边坡的塑性剪切带。4)边坡左侧的土体整体沿着滑动带向下滑动。在降雨强度较大(100 mm/h)的情况下,边坡滑动的规模相对较小。     

大气作用下膨胀土地基的水分迁移与胀缩变形分析

运用土体渗流和蒸发理论,建立了大气-非饱和土相互作用模型;以现场观测的气象数据作为边界条件,进行了地基土中水分迁移的数值模拟,得到了大气作用下地基土体含水量的动态分布规律.计算结果表明,地基土中含水量变化幅度随深度增加而递减,3.5m深度以下土体的体积含水量基本不变,从而确定了南宁地区膨胀土地基的大气影响层深度为3.5...     

考虑非达西渗流的天然结构性软土大应变非线性固结

天然软黏土的结构特性、大应变特性及低水力坡降下软黏土中的非达西渗流已渐被熟知。但同时考虑天然软黏土结构特性和非达西渗流的软黏土大应变固结理论仍鲜有报道。考虑非达西渗流和天然软黏土的结构特性对固结性状的影响,在拉格朗日坐标系中建立变荷载下软土一维大应变固结模型,并获得其有限差分数值解。在此基础上,与非达西定律下不考虑结构特性影响的软黏土大应变固结解对比,分析验证本文解的可靠性。最后,着重分析了非达西渗流、天然软土结构特性及外荷载对软黏土大、小应变固结性状影响的特征。结果表明:非达西渗流下土的固结速率相对于达西渗流延后,且非达西渗流参数越大固结速率延缓越明显,但其对土层最终沉降值无影响。相同非达西渗流参数下大应变固结速率快于小应变固结速率,但非达西渗流参数并不影响大、小应变固结速率的差异。当外荷载小于天然软黏土结构屈服应力时,土层在荷载作用下应变值较小,大、小应变固结速率的差异可忽略;随着外荷载的增加或结构屈服压力的减小,土层应变值逐渐增大,大、小应变固结速率的差异越明显。     

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。     

桩‑土相互作用下的桥梁高墩地震易损性复合参数分析∗

为更准确地预估桥梁高墩在地震作用下的损伤情况以及桩?土相互作用对高墩地震易损性的影响,以考虑高阶振型贡献的复合参数作为地震动强度参数,以综合位移延性比和弹塑性耗能差率的复合指标作为高墩的损伤指标,建立了墩柱、承台及桩?土结构体系模型,基于增量动力分析方法对上述体系进行非线性动力时程分析,绘制基于复合指标的桩?土相互作用下的桥梁高墩地震易损性曲线。结果表明：以所选复合参数作为指标进行地震易损性分析,可有效评估高墩抗震性能和损伤状态;考虑桩?土相互作用可更准确捕捉地震作用下结构损伤概率变化情况; 桩?土相互作用对较强地震动作用更为敏感。可为较高烈度地区的高墩桥梁抗震设计施工提供参考。     

浅埋富水软岩隧道大变形机理与控制研究∗

针对洞口段富水浅埋软弱围岩隧道易发生挤压性大变形的特点,依托某隧道,通过监控量测、室内试验、数值模拟等手段分析隧道的变形特征、影响因素及其致灾机制与力学破坏模式。结果表明,隧洞开挖后变形具有流变特性,且持续时间长、变形量大;此外,上、中台阶开挖造成的拱顶沉降、围岩收敛分别占总变形的 61.16%、63.34%, 是大变形产生的主要阶段;洞内大变形是在多种影响因素的耦合作用下产生的,地下水是造成该软岩隧道大变形的主要控制因素,地下水的软化、渗流是大变形的主要变形机理,破坏力学模式主要有软岩塑流和累进性松脱扩展两种,软岩塑流造成侧墙鼓出、顶压以及钢拱架扭曲等现象,累进性松脱扩展造成垮塌、地表裂缝等现象。数值模拟验证了大变形力学机理的正确性并反演了大变形发展趋势。最终针对该隧道大变形产生的主要原因,提出并实践形成了“内外结合”的主动控制技术：洞外掌子面动态跟进超前降水,洞内“中管棚+小导管”超前支护、上台阶 “核心土+扩大拱脚”、中台阶“临时仰拱+大锁脚”、下台阶“短进短衬,快速支护”,成功穿越 300 m 浅埋富水极软岩段,研究成果可为类似工程提供借鉴。     

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。     

软土等向固结与K_0固结条件下的三轴试验研究

对某软土重塑样分别进行等向固结和K0固结条件下的三轴试验,研究了不同固结条件、不同围压下软土的强度和应力应变特性,并对试验结果进行了分析和对比。结果表明:低围压下,等向固结三轴压缩试验和K0固结三轴压缩试验土样破坏时的主应力差差别不大,随着围压增大,K0固结条件下试验土体的主应力差要明显大于等向固结条件下的试验土体;与等向固结相比,K0固结条件下的土体粘聚力c值减小,而内摩擦角增大;土体呈现剪缩特性。运用等向固结三轴压缩试验确定的邓肯模型参数模拟K0固结条件下土体的试验曲线,吻合较好,初步验证了邓肯模型参数对K0固结土体的适用性。     

太阳能热排水固结模型试验研究

太阳能热排水固结技术是利用太阳能对软土地基进行加热,再结合竖井排水固结,由此达到提升软基处理效果的目标。为检验该技术加固效果,开展竖井地基排水固结模型试验,对比测试常规堆载预压和太阳能热排水固结加固软基的沉降和孔压发展规律,结果发现:太阳能在模型地基中形成温度场,使地基土温度平均上升了15℃;太阳能循环变温引起土中孔压波动,其幅度达10 kPa;太阳能加快了软土地基排水固结过程,使模型地基土体固结系数提升了1.54倍,土层固结度达到90%所需时间减少34%;太阳能加热还使模型地基最终沉降增大12%,这对于加速软基沉降稳定、减小工后沉降有积极意义。     

基于柱形孔扩张大应变理论的劈裂灌浆压力研究

用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性,是非常有效的加固堤坝的方法。基于柱形孔扩张理论,考虑大变形分析,假定灌浆孔周围土体服从广义SMP准则,通过理论计算得到劈裂灌浆压力的解析解,进而分析了土体内摩擦角和粘聚力对灌浆压力的影响。结果表明,内摩擦角对灌浆压力的影响较小,而粘聚力的影响则较为明显。所得结论为劈裂灌浆加固工程提供了理论依据。     

基于光纤光栅的地基土瞬态应变响应试验研究

为掌握冲击荷载下一定范围内地基土的应变发展、分布和变化规律,采用光纤布拉格光栅(FBG)技术,通过在级配连续的均匀密砂地基中水平埋设三层传感光纤,获得了不同落球高度条件下土体内部应变的动态响应。试验结果表明,各组试验中土体应变经历了幂律增长、线性增长、幂律减小(回弹)和残余应变(稳定)的四个阶段。土体达到峰值应变的时刻存在高度一致性,试验中测得约为100 ms;冲击荷载的影响深度在20 cm左右,为钢球直径的4~5倍。在相同FBG埋深条件下,土体应变随钢球落高增加呈近线性增长;在相同钢球落高条件下,土体应变随FBG埋深增加呈指数减小。研究成果对揭示土体应变发展机理、估算地基土体强度参数和快速测定含水率的进一步探索具有一定的指导意义。     

厚软场地上大跨径桥梁设计反应谱研究

大跨径桥梁塔高、跨径大、自振周期长,深厚、软弱场地的长周期地震动对桥体结构影响较大。我国《公路工程抗震设计规范(JT J004-89)》也只适用主跨不超过150 m的梁桥和拱桥,国内长期以来没有一个适用于大跨径桥梁的抗震设计规范或指南。本文结合大跨径桥梁工程实例,根据场地土层静、动力性能参数的原位测试和动三轴试验结果,进行厚软场地土层地震反应分析,研究厚软场地的地震动效应,讨论了不同地震动强度时厚软场地的设计反应谱特征,分析了现行规范设计反应谱应用的局限性,成果对相关工程有重要指导意义,对大跨径桥梁抗震设计规范的制定也有借鉴作用。     

条形基础砂土地基的破坏模型试验

为了研究条形基础砂土地基的剪切破坏形式和承载机理,在相似理论的指导下,进行了一组条形基础砂土地基的模型试验,模拟了砂土地基受荷后产生变形、扩展直到破坏的全过程;测量并分析了地基中不同点处的土压力大小及其分布规律,观测了剪切带的形成和发展过程。结果表明,模型试验能够很好地体现砂土地基变形、破坏的整个过程及其沉降变形特性、地基中各点的真实应力状态及其变化规律,对于研究深基坑变形过程和破坏形态具有应用价值。     

PCC桩水平承载特性足尺模型试验与数值模拟

通过进行大型模型槽足尺模型试验,根据桩身变形和桩身弯矩的试验结果,分析了水平荷载作用下现浇混凝土大直径管桩(以下简称PCC桩)的水平承载特性和桩-土共同作用性状。采用大型通用有限元软件ABAQUS对PCC桩的水平承载特性进行了数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好,并进一步探讨了PCC桩水平承载特性的主要影响因素。结果表明:表层土体的弹性模量对水平受力性状影响较大,表层土体的厚度对桩身水平位移也有较大影响,因此可以通过改良表层土体来控制桩身水平位移,以达到工程设计要求;土体强度参数对水平承载特性也有影响,尤其是内摩擦角和粘聚力较小时更为明显。     

场地土-群桩基础-结构体系动力响应研究——大型振动台系列试验方案设计

以饱和砂土液化后场地失效模式特征与场地失效时群桩基础地震反应破坏机理为研究目的,依托中国建筑科学研究院大型模拟地震振动台系统,开展可液化场地、非液化场地在水平地震动激励下桩-土-结构动力相互作用动力体系大型振动台系列试验。基于本次系列试验研究对象以及试验目的,阐述了系列试验中动力模型体系相似比设计的基本原则、地基的制备、模型结构制作、各个种类传感器的选择与布设、输入地震记录的选取与工况安排等内容,介绍了阵列式位移计、非接触式位移动态采集系统等新型传感测试设备,并对所采用的层状单向剪切模型土箱设计合理性与科学性进行了验证。由之后的试验结果可知,本次系列试验设计方案是合理、可靠的,层状剪切模型箱的"模型箱效应"很小。     

登陆中国台风灾害损失预评估模型研究

整理了2000-2008年登陆中国且灾情记录完整的34个台风案例,建立案例集;基于模糊数学法建立了台风灾害损失预评估模型。选择8项影响因子作为模型输入指标,利用层次分析法确定影响因子权重,计算案例集中每个台风的综合评价指数;通过对综合评价指数与受灾人口、农作物受灾面积及直接经济损失等典型灾情指标进行拟合;通过适当调整影响因子权重,拟合得出最优幂函数回归方程,从而实现对台风灾情的定量预评估。