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。     

能源地下储存中地质材料开裂过程的相场模型与验证分析

介绍一种脆性断裂的连续介质相场模型的开发。相场模型使用一种连续的扩散式拓扑结构来处理离散的低维裂纹界面处的不连续性。使用整体耦合的Newton-Raphson迭代增量求解策略对方程系统进行数值处理,并通过一种用于科学研究的开源有限元软件OpenGeoSys实现。在线弹性小变形框架下提供详细的相场模型控制方程推导,以及基于多孔介质理论的热流固耦合相场模型控制方程。此外,提供了用于模型验证的算例,探讨模型应用的前景。     

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。     

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。     

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%。     

冻融循环作用下西宁地区黄土动力特性试验研究∗

黄土作为一种广泛分布在青海省境内的特殊土,长期承受冻融循环与地震荷载的双重影响,其地震易损性和水敏性的问题一直被广泛讨论。为寻求黄土在冻融循环和动荷载耦合作用下动力特性的变化规律,以西宁地区黄土为研究对象,施加正弦波形式的循环动荷载,开展动三轴试验,分析了围压、冻融循环次数和动剪应变幅值 γ_d对黄土的骨干曲线、动剪切模量 G_d、动剪切模量比 G_d/G_{d max}及阻尼比 λ 的演变规律。结果表明：黄土的骨干曲线在经历 6 次冻融循环后趋于稳定,可将骨干曲线的发展过程分为弹性阶段和弹塑性阶段;分别采用 Hardin?Drnevich 模型和改进的 Hardin?Drnevich 模型对动剪切模量曲线进行拟合,发现用改进的 Hardin?Drnevich 模型拟合动力参数效果较好;随着围压的降低,G_d/G_{d max}?γ_d关系曲线分布更为分散且有逐渐减小的变化趋势;随着 γ_d的增大,λ 不断增大,且土体在各围压条件下,经历不同冻融循环次数后,G_d/G_{d max}和 λ 存在最大值和最小值。该研究初步掌握了青海地区黄土在冻融循环作用下的动力学参数,研究成果可为寒区抗震设计提供设计参考。     

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。     

流-固耦合波动模拟及Scholte波特性研究

基于流-固耦合波动勒让德谱元模拟方案,通过数值算例研究了流-固界面上方震源作用下Scholte波的形成机理和特性。数值结果表明,当流体中P波波速大于固体S波速时,沿流-固界面法线方向,Scholte波的幅值在流体中的衰减速率大于固体,反之则小于固体。在此基础上,初步讨论了流体震源到流-固界面的距离与Scholte波波长比值这一参数对Scholte波幅值的影响,Scholte波幅值随该比值增加呈指数衰减,对该比值大于1. 5的情形,流体震源激发的Scholte波基本可以忽略不计。上述结果对深入分析海底地震动震相具有一定意义。     

饱和砂土场地‑地铁车站地震响应参数敏感性分析∗

为进一步研究饱和砂土场地?地铁车站结构体系地震动响应的参数敏感性问题,以某单层双跨地铁车站为研究对象,采用 u-p 格式饱和两相介质有效应力动力求解方法,建立了饱和砂土场地?地铁车站结构体系耦合动力数值分析模型,选取土体剪切模量、渗透系数、内摩擦角和地震动强度作为敏感性影响参数,在基准值误差分析的基础上进一步开展灰色关联分析,得到了地震动响应影响因素的灰色关联度序列。计算分析结果表明：近场特征点动孔压比峰值对地震动强度和土体剪切模量的变化更为敏感,而加速度峰值对地震动强度和内摩擦角变化更为敏感,中柱上下端动剪力与动弯矩对内摩擦角和地震动强度的变化更为敏感。此参数敏感性分析流程方法,可为地铁车站抗震设计和减灾预测评估提供参考。     

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。