高面板坝三维真非线性地震反应分析方法及模型试验验证

基于所建立的土石料三维黏弹塑性动力本构模型,并采用新型三维各向异性有厚度薄单元来模拟面板和堆石的接触面特性,结合考虑孔隙水压力的消散和扩散的有效应力分析方法,开发了高面板堆石坝地震反应分析的三维真非线性有效应力分析方法。通过典型坝例分析,比较了真非线性分析与等效线性分析结果的差异,表明真非线性方法较真实地反应了结构的地震反应,而且能够直接计算出坝体的残余变形,在理论上更为合理。采用模型坝土石料低应力状态下实测的静力和动力特性参数,对三维模型坝进行了地震反应分析,并与相应的大型振动台模型试验结果进行了对比分析,两者结果相当一致,验证了研究所提出的计算方法的可靠性。     

液化场地堤坝地震响应动态土工离心试验及模拟

基于动态土工离心机试验和多重剪切机构模型的有效应力分析方法,研究了不同地震强度下,液化场地堤坝的地震响应和大变形特征。动态土工离心机试验的液化场地模型,由相对密度为30%的饱和砂土构成,输入正弦波峰值分别为0.8056、1.7903和3.133m/s2。并采用有效应力分析有限元程序对堤坝的动点响应进行数值模拟,计算结果与模型试验结果相吻合。在此基础上研究了堤坝的加速度、变形以及下卧液化场地中的超孔隙水压力分布规律,分析了液化场地不同位置土层中的有效应力路径变化规律。研究得出,液化场地堤坝顶和坝趾在地震作用下会发生较大的沉降和侧向扩展,且随地震强度加大而增大。堤坝下卧浅层液化土的超孔隙应力比相对较小但其体积变形较大,坝顶的残余沉降可达1.4m,地震中堤坝底部土体同自由场地土体的有效应力路径和应力-应变特征不同。土工离心机试验结果同数值解析结果基本吻合。     

强震区面板坝大型振动台模型试验及动力分析

强震区面板坝大型振动台模型试验及动力分析专题进行了大量面板坝振动模型试验,研究了模型设计中多项因素对试验结果的影响,得到了模糊坝的各项地震反应性状,研制了面板坝三维有效应力非线形动力分析方法和计算程序;采用割线模量的概念统一静,动力反应和地震残余变形分析,开发了等效线性动,静力耦合计算方法和程序;采有等效线性方法对不同模型坝和不同试验方案进行了地震动力反应分析;根据试验结果探讨了小变形下高,低应力状态土石料动,静应力应变关系存在相似性,并探索推导了一套大型振动台模型试验的相似律,将经过模型试验验证和改进的方法及程序用于依托工程的抗震设计,并提出了有效的抗震工程措施。     

面板堆石坝振动模型试验及动力分析研究

本文对混凝土面板堆石坝振动台模型试验及动力分析研究的有关成果及存在问题进行了分析和评述, 报导了我国"九五"国家重点科技攻关专题"强震区面板坝大型振动台模型试验及动力分析"研究中所取得的主要成果和进展; (1)进行了大量面板坝振动模型试验, 考虑了模型设计中的多项影响因素, 研究了各项因素对试验结果的影响, 得到了模型坝的各项地震反应性状: (2)研制了面板坝三维有效应力非线性动力分析方法和计算程序, 并通过模型试验进行了验证; (3)采用割线模量的概念统一静、动力反应和地震残余变形分析, 开发了等效线性动、静力耦合计算方法和程序; (4)采用等效线性方法对不同模型坝和不同试验方案进行了地震动力反应分析, 将计算结果与模型试验结果相对,比验证和改进了等效线性分析方法: (5)根据静、动力特性试验结果, 探讨了小变开下高、低应力状态土石料应力-应变关系存在相似性, 并推导了大型振动台模型试验的相似律;(6)将经过模型试验验证和改方法及程序用于具体工程的抗震设计, 得出了一些有理论和实际使用价值的结论, 并提出了有效的抗震工程措施.     

结构性土模型及固液耦合弹塑性损伤动力分析

提出了结构性土的次塑性扰动状态模型和异步交叉迭代显式差分有限元解法，利用弹塑性损伤比奥动力固结有限元计算程序，对一简单饱和砂土地基进行了固液耦合的弹塑性损伤动力反应计算。     

地震荷载作用下大坝系统的非线性动力损伤分析

本文在连续损伤力学理论基础上，把非线性动力损伤的概念引入岩石类介质的本构模型，分别提出岩石类材料的脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤破坏模型。同时，将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，用于分析在渗流压力、损伤发展、孔隙率演化和动应力共同作用下堤坝及岩基系统的非线性地震动力损伤，建立了相应的二维有限元动力损伤数值分析模型，并应用于地震荷载作用下的龙滩混凝土重力坝及其岩基的破坏过程分析，分析结果可作为大坝的安全性评估的依据。     

渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型及试验验证

本文提出了渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型，该模型集渡槽薄壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体，并充分考虑了薄壁结构截面两向弯矩和轴向变形对单元的动力特性影响，应用多弹簧等效关系模拟结构塑性铰区的非线性滞回特性。通过预应力钢筋混凝土渡槽槽身以及高强混凝土渡槽支架模型的低周反复荷载拟静力试验，研究了渡槽槽身以及支架的非线性荷载-位移滞回特性。应用本文提出的弹塑性动力分析模型对拟静力试验过程中的荷载-位移滞回曲线进行了数值模拟计算。计算结果表明，模拟数值解与模型试验所得滞回曲线符合良好，从而验证了本文渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型的正确性。     

地基液化离心机试验的数值分析及验证

地震液化数值分析方法的可靠性验证研究是开展实际工程液化安全评价的前提条件。采用基于u-p形式的Biot动力固结方程的非线性有限元程序GEODYNA,对液化试验和分析项目(LEAP)中的饱和斜坡地基离心机模型试验进行了动力弹塑性有效应力数值分析,其中土体采用改进的广义塑性模型。结果表明:数值模拟的加速度反应谱和加速度时程与试验数据基本吻合;数值模拟再现了试验中孔隙水压力的累积、发展和消散规律,并再现了循环剪切作用下土体应力路径的发展规律和土体的剪胀现象;数值模拟合理地反映了残余变形的累积发展过程,并且数值模拟得到的地基变形分布规律与试验规律相符,变形量值也基本在试验的包线内。研究成果验证了该地震液化分析方法的可靠性,可以为工程液化安全评价提供有效的数值分析方法。     

液化场地堤坝地震响应的自适应步长法数值模拟

土体在地震液化过程中表现为较强的材料非线性,此时动力数值分析中时间步长过大必然导致较大的误差。本文在水土耦合弹塑性有限元法和Newmark时域离散法的显式动力液化数值分析平台上,引入时域离散后验误差评估方法,并基于误差评估结果进行了时间步长的自适应调整,建立了基于自适应时间步长的液化动力数值分析方法,并将此方法应用于液化场地堤坝的地震响应数值模拟。通过分析堤坝算例,对比了自适应时间步长法和固定时间步长法计算的堤坝变形、超孔隙水压力比和平均相对误差等的变化规律。结果表明自适应时间步长法在土体动力液化显式数值分析中可以获得较高的计算精度,同时也可以提高计算效率、节省计算时间。     

液化场地堤坝地震响应的自适应步长法数值模拟

土体在地震液化过程中表现为较强的材料非线性,此时动力数值分析中时间步长过大必然导致较大的误差。本文在水土耦合弹塑性有限元法和Newmark时域离散法的显式动力液化数值分析平台上,引入时域离散后验误差评估方法,并基于误差评估结果进行了时间步长的自适应调整,建立了基于自适应时间步长的液化动力数值分析方法,并将此方法应用于液化场地堤坝的地震响应数值模拟。通过分析堤坝算例,对比了自适应时间步长法和固定时间步长法计算的堤坝变形、超孔隙水压力比和平均相对误差等的变化规律。结果表明自适应时间步长法在土体动力液化显式数值分析中可以获得较高的计算精度,同时也可以提高计算效率、节省计算时间。     

饱和砂卵石地层袖阀管注浆技术及其效果

以在建的世界最大跨径(575 m)钢管混凝土拱桥平南三桥北岸拱座基础工程为依托,采用袖阀管注浆技术对拱座基础持力层——饱和砂卵石层进行加固处治,并采用浅层平板载荷试验及现场大型直剪试验对处治后的砂卵石层地基的地基承载力和混凝土与砂卵石层注浆固结土体接触面的摩擦系数进行检测,以验证袖阀管注浆技术用于饱和砂卵石地层加固处治效果。研究结果表明,工程所采用的袖阀管注浆工艺显著提高了卵石层承载性能和摩擦性能。相关经验及成果可为西江流域或相似地质条件下修建大跨桥梁基础提供重要的参考资料,并对此类基础形式的优化设计施工工作提供依据。     

砂卵石土强度变形特性综合试验及力学模型参数研究

砂卵石土是一种特殊性质粗粒土,其强度变形特性是工程界重点关注的问题之一。针对某工程砂卵石土地基系统开展三轴剪切试验、界面剪切试验及流变试验等综合研究其强度变形特性,选取合适的力学模型描述砂卵石土的应力-应变关系并整理相应模型参数。试验结果表明:砂卵石土非饱和样的抗剪强度指标明显大于饱和样,在低围压下砂卵石土饱和样和非饱和样分别呈现出剪缩特性和剪胀特性,而在高围压下则均表现出明显的剪缩特性;砂卵石土与混凝土面板间的接触面剪应力与剪切位移基本呈双曲线关系,抗剪强度随法向应力的增大线性增大;在双对数坐标系下砂卵石土流变变形随着时间线性增长,基于试验规律提出了砂卵石土11参数流变模型,该模型可较好地反映砂卵石土的流变特性。研究成果为砂卵石土强度变形特性研究及地基沉降分析提供理论支撑。     

饱和砂土振冲加固的振动液化机理研究

地震剪应力理论对饱和砂土振冲加固的振动压密作用机理进行研究,根据砂土水平剪应变的大小,对振冲加固深度范围内砂土的液化状态来确定最佳振冲间距。在工程实践中,通过在饱和砂土地基现场振冲试验剪应变大小的监测分析,确定最佳振冲间距,与传统孔隙水压力监测等方法确定最佳振冲间距相比,更经济快捷、方便可行。     

Simultaneous one-dimensional water flow and mass transport of conservative solutes in porous media

Three variations of the Galerkin finite element method are used for the numerical solution of the one-dimensional, vertical water flow and mass transport equations in variably saturated porous media. The final result is a system of differential equations with derivatives depending only on time, which are approximated by a relationship leading to a second-order accuracy. Examples of two different soil types (clay loam and sandy) are presented to verify the accuracy of the numerical schemes. In these examples, saltwater is allowed to be infiltrated into the soil profile with different boundary conditions on the soil surface (Neuman or Dirichlet type). In some cases, the infiltration of saltwater is followed immediately by salt-free water.     

防渗墙作用下堤防保护区地下水动态数值模拟分析Ⅰ：模型、参数及分析方法

 介绍了能够考虑水文气象过程的饱和-非饱和非稳定地下水流运动数学模型。以全封闭和半封闭式防渗墙为重点研究对象，以长江重要堤防为背景概化得到典型二元和多元结构堤基、堤身断面及土层的饱和非饱和渗流参数；以实测资料为基础概化得到较典型的水文气象过程，提出降雨入渗和蒸发排泄边界处理方式以及初始条件确定方法；提出根据二维模型模拟结果用有无对比法分析防渗墙对地下水动态的影响，根据三维模型模拟结果分析防渗墙端部绕渗对地下水流场动态的影响。模型和参数具有典型性，研究方法合理、有效。     

地下连续墙与止水帷幕共同作用下富水砂层深基坑变形性状

研究富水砂层地下连续墙深基坑变形特性对深基坑工程实践具有重要指导意义。以某车站地下连续墙深基坑工程为依托,通过数值模拟和现场实测方法研究降水渗流作用下富水砂层地下连续墙深基坑施工变形性状及其影响因素。研究结果表明:地下连续墙水平位移曲线分布随开挖深度加深由“斜线”形—“弓”形—倒“V”形演变,墙体最大水平位移U_x,max及其位置深度H_x,max与开挖深度h_e符合线性关系,最大水平位移约为(0.048%～0.082%)h_e,其深度位置约为(0.60～1.20)h_e;地表竖向位移曲线分布沿横向水平距离呈凹槽形,沉降槽随开挖深度增加而变宽、加深,沉降变形显著影响区为(1.0~1.5)h_e,距坑边(1/3~1/2)h_e处地表沉降最大;考虑地下连续墙与止水帷幕共同作用的富水砂层深基坑变形与实测结果更为吻合,且帷幕隔水和挡土作用对基坑变形影响显著;地下水位上升、砂层厚度加深均引起墙体水平位移和地表竖向位移增大,当风化砂岩层渗透系数较大时,渗透系数增加对坑外地表竖向位移的影响较墙体水平位移显著,合理的止水帷幕深度及间距参数有利于控制基坑变形和保持稳定性。     

超固结因素影响下桩柱结构地震响应

地震荷载作用下饱和地基的循环加载响应以及动力液化问题成为地震工程研究中的重要课题。为更好研究饱和地基在考虑超固结因素下的影响及其在循环加载下的演化规律, 在下负荷面剑桥模型理论框架下分别通过排水和非排水三轴压缩试验对循环加载下土体的加载响应进行数值模拟研究。在以上研究基础上, 基于ADINA81平台开发负荷面剑桥模型本构关系模块, 建立两相饱和地基下的桩-土耦合体系的动力非线性有限元数值模型, 对不同模型下桩柱结构的地震响应进行了数值模拟对比研究。研究发现在下负荷面剑桥模型下结构的动力响应数值模拟结果介于弹性模型与经典剑桥模型之间, 考虑超固结因素影响后, 地基表现出更好的抗液化特性与更高的承载能力, 能改善结构的动力响应与受力状况。     

防渗墙作用下堤防保护区地下水动态数值模拟分析工：模型、参数及分析方法

介绍了能够考虑水文气象过程的饱和非饱和非稳定地下水流运动数学模型。以全封闭和半封闭式防渗墙为重点研究埘象，以长江重要堤防为背景概化得到典型二元和多元结构堤基、堤身断面及土层的饱和非饱和渗流参数；以实测资料为基础概化得到较典型的水文气象过程，提出降雨入渗和蒸发排泄边界处理方式以及初始条件确定方法；提出根据二维模型模拟结果用有无对比法分析防渗墙对地下水动态的影响，根据三维模型模拟结果分析防渗墙端部绕渗对地下水流场动态的影响。模型和参数具有典型性，研究方法合理、有效。     

基于离散元的颗粒材料三维临界状态与剪胀特性研究

临界状态通常作为砂土等颗粒材料本构模型中的一种参考状态,是经典土力学框架的一个重要组成部分。根据砂土的细观结构特性,一些学者提出了描述砂土内部结构特性的状态参量,建立了状态相关的剪胀模型。然而受试验条件的限制,目前多采用常规三轴试验研究颗粒材料的临界状态和剪胀特性,未考虑中主应力因素。已有研究表明加载路径对颗粒材料的力学特性有一定影响,本文采用离散单元法模拟了颗粒材料真三轴应力路径试验,分析了加载过程中颗粒材料的应力应变特性及中主应力对临界状态的影响。结果表明:颗粒材料的临界状态线(CSL)在e-lg p平面内是唯一的,与中主应力系数无关。临界状态应力比与应力罗德角的关系可以采用角隅函数近似表达。基于状态相关的剪胀理论,采用Lode角的函数(角隅函数)表示模型参数,提出一个新的应力-剪胀模型。数值试验结果表明,本文采用的三维剪胀模型能够较好地反映了离散元数值模拟中颗粒材料在三维应力路径下的剪胀特性,然而公式的适用性需要更多的试验验证和理论研究。