基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

超高层建筑上部结构—群桩—筏板—土共同作用下筏板性状风振响应计算与分析

风荷载是控制超高层建筑结构设计的主要因素。借助流体动力学采用大涡模拟方法,通过FLUENT和ABAQUS软件建立考虑风场和结构的流固耦合分析模型,运用MpCCI软件进行流固耦合面上的数据传递,以实现流体、固体相互作用。以国际上通用的风工程CAARC标准模型为对象,进行了考虑刚性基础和上部结构—群桩—筏板—土共同作用的风—结构流固耦合数值模拟计算和分析。结果表明:(1)本文方法计算结果与解析解基本一致,与前人的风洞试验和数值模拟结果基本一致;(2)流固耦合分析下,地下室侧面土体可抵抗一半以上风荷载在筏板处引起的附加弯矩,风荷载引起的筏板平均附加弯矩远小于自重产生的弯矩。计算方法和计算结果可以为风荷载作用下对地基基础的研究和流固耦合问题分析提供参考。     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。     

基于动强度试验确定饱和砂土弱化参数的方法∗

对于可液化土层,若土体发生液化则认为土体强度完全丧失;而对于没有发生液化的土层,一般不考虑超孔隙水压力对土体强度的影响。实际情况下,具有超孔隙水压力的饱和砂土在地震荷载作用下强度会发生弱化,以往对于可液化土层中桩土相互作用问题的研究都是针对土体完全液化的情况展开的,忽略了液化过程中超孔隙水压力对其强度的影响。通过竖向-扭转双向耦合剪切仪对福建标准砂进行循环扭剪动强度试验,结合MohrCoulomb强度理论,计算得到不同孔压比下饱和砂土的弱化参数,并根据有效应力原理建立了弱化状态下土体弱化参数与孔压比之间的数学关系。结果表明:液化过程中超孔隙水压力对土体强度弱化的影响可以用土体弱化参数来表示;孔压比越大,土体强度弱化越严重,相应的弱化参数也越小,反之则越大。     

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。     

冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性∗

建立了热-渗流-力(T-H-M)三场耦合能量桩有限元数值分析模型,研究了力学荷载组合不同热聚集度(桩的放热量与吸热量之比)温度荷载下黏土地基中能量桩的长期热-力学特性,包括桩身温度、桩头沉降、桩身轴向应力、 地基土温度和超孔隙水压力特性等。计算结果表明：冷-热平衡时桩头沉降随温度荷载循环的增加逐渐增大,桩头发生沉降累积,桩身轴向应力和地基土温度变化的幅值不随温度荷载循环而变化。当桩的放热量大于吸热量时, 桩身温度随温度荷载循环的增加而升高,桩头沉降随之减小,但热荷载循环对桩身轴向应力没有影响。桩周土温度随热循环的增加而逐渐增大,产生热聚集现象。温度荷载的热聚集度数值越大,桩身和桩周土的温度越高,桩身最小压应力越大,桩头沉降越小。温度荷载引起的超静孔隙水压力数值很小。     

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。     

土体强度分区各向异性对边坡稳定性影响研究

土体强度各向异性的空间分布会随边坡受力状态变化出现一定程度的重新调整。文中以石人足成层土边坡工程为研究对象,首先,根据土体最大主应力方向角以及土层几何特征进行初始分区划分,并结合数值分析结果确立各向异性强度参数方程,计算各分区土体强度参数;其次,根据计算结果对初始分区进行即时调整,确定调整后的耦合分区并再次计算其土体强度参数;最后,考虑土体强度各向同性和分区各向异性,建立了流固耦合数值计算模型,研究了边坡体渗流、位移和应力的演化特点,确定了加固前后边坡稳定性系数,分析了该边坡工程采用挡土墙和抗滑桩联合加固的效果。结果表明：考虑分区各向异性计算所得边坡平均应力最大值大于各向同性,但其渗流域和流速均小于后者;考虑分区各向异性时,坡体位移理论计算结果与现场监测结果更吻合。     

面板砂砾石坝异常状态渗流计算及稳定分析

运用非饱和土渗流与强度理论,把渗流计算的水力条件用于边坡稳定分析之中,对沟后面板砂砾石坝进行了渗流场分析与边坡稳定计算,得到一些新的结论,可补充以前相关的研究结果。计算结果表明:坝料填筑分离造成的渗透各向异性尽管使浸润线升高,但是由于水平排水能力的提高反而使坝体的孔隙水压力总体上降低,从而也就提高了边坡的抗滑稳定安全性;当顶部面板与坝体脱开并导致异常状态渗流时,坝体顶部有一饱和区并且渗流出逸点很高,但坝体中部仍未饱和,异常状态渗流增加的孔隙水压力有限,对坝坡的抗滑稳定影响也很小,因此,按照最高浸润线的位置确定孔隙水压力进行抗滑稳定计算会导致错误的结果;坝顶异常状态渗流增加的孔隙水压力并不会导致下游坝坡滑动失稳,而坝体顶部渗透破坏会导致局部坍塌,最终发生溃坝事故。     

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日-欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier-Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明:流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

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。     

液化对砂土场地地表加速度响应的影响

在饱和砂土场地振动过程中,孔隙水的发展会影响土体的有效应力和土骨架对地震波的传播。采用离心机动力试验和数值分析手段对不同强度振动作用下的砂土场地响应进行了研究,并利用观测和计算结果对现行液化评估简化方法进行了分析验证。结果表明:当振动强度较大时,土体的液化将导致加速度急剧衰减;采用完全耦合分析能再现超静孔压的发展和液化对加速度传播的影响,但总应力分析严重高估了地表的加速度;应用简化方法进行液化评估时,确定地表处水平加速度峰值应考虑场地对地震波的放大效应,但应忽略超静孔压的影响。     

不同掘进工艺煤与瓦斯流固耦合数值模拟研究

井下瓦斯事故严重威胁着煤矿的安全,研究煤与瓦斯耦合作用规律并采取相应措施可以有效地防止事故发生.考虑瓦斯气体的可压缩性和吸附、解吸特性,假设瓦斯气体在煤体孔隙中的流动遵循Darcy定律,建立了考虑爆破因素的煤与瓦斯流固耦合数学模型,并利用comsol对其求解.结果表明:炮掘对煤体的破坏能力大于机掘;炮掘工艺下,爆破应力...     

基坑开挖过程坑侧土体应力路径试验研究北大核心CSCD

随着基坑的开挖,基坑侧壁土体的竖向应力不变而侧向应力减小,侧壁土压力由静止土压力逐步向主动土压力变化。基于基坑开挖前、开挖过程及支护结构作用后坑侧土体的应力变化情况,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K0固结不排水剪切试验、K0固结侧向卸荷试验和不等压固结侧向卸荷不排水剪切试验等多种室内试验,对比分析了不同应力路径条件下土体的应力应变曲线、抗剪强度及孔隙水压力变化特征,总结了基坑开挖过程复杂应力路径下土体的应力应变特征及强度特性。     

面板砂砾石坝异常渗流及破坏机制探讨

利用非饱和土渗流理论,对沟后面板砂砾石坝进行了三维渗流场分析.通过渗流计算表明:渗注场受面板纵向缝止水失效的影响不大,仅仅呈现垂直人渗的特征.面板顶部与防浪墙接缝止水失效单独作用时仅能饱和坝体顶部小范围土体.面板在一定范围与坝体脱开、坝体填料渗流性质各向异性、库水位漫过防浪墙底板,这些异常情况的组合导致了坝体渗透破坏.异常状态渗流发生时,坝体顶部区域饱和,而坝体中部仍存在非饱和区,坝体下部饱和区相应点处孔隙水压力值则无明显提高.     

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%。     

基于流固耦合的坡度对TBM斜井围岩的影响研究

以内蒙古新街台格庙矿区的TBM斜井工程为背景,运用FLAC3D软件建立TBM斜井施工的三维模型,基于流固耦合理论,从孔隙水压力、应力及变形3个方面对TBM隧道和TBM斜井进行对比分析,并研究了坡度对TBM斜井围岩力学特性的影响。研究结果表明:流固耦合条件下,随着施工进度的发展,TBM斜井在拱腰和拱底处的应力和变形值要大于TBM隧道的值。坡度对富水条件下的TBM隧道围岩变形和应力的影响较明显,坡度越大,围岩越易失稳,拱腰处的应力、变形及孔隙水压力变化较大,大坡度TBM斜井施工应重点注意拱腰部位的支护及防排水。研究结果可为富水大坡度的TBM斜井工程设计施工提供理论参考。     

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。     

墙后填土液化前后对挡土结构物的总压力分析

针对墙后填土液化前后对挡土结构物总压力的变化情况进行了分析。墙后填土液化后孔隙水压力升高、有效应力降低,土颗粒处于悬浮状态,此时不存在土压力。由于液化后墙后填土呈现出粘性流体的性质,其对挡土结构物的作用力等同于以土体饱和重度γsat为重度的粘性流体以各方向相同的力作用在挡土结构物上,因此液化后挡土结构物上的总压力明显增大,工程中应予以重视。计算结果表明:随着地下水位的下降,墙后填土液化前、后对挡土结构物的总压力均逐渐减小,但液化后与液化前的总压力比值呈先增大后减小的变化趋势;随着静止土压力系数K0的增大,墙后填土液化前后对挡土结构物的总压力逐渐增大(完全浸水情况下,液化后的总压力不随静止土压力系数K0的变化而变化),但液化前的总压力增长更快,故液化后与液化前总压力的比值呈减小的趋势。