滚石作用下钢质管道动力响应分析及其应用

落石是导致埋地输气管道破坏的主要载荷形式之一,工程中需要解决落石对管道的动态响应问题,落石对埋地输气管道动力响应问题的本质是落石-土-埋地管道组成的体系在冲击荷载下的动力响应。利用LS-DYNA有限元软件,从管道内压、落石水平距离、管道厚度等方面对落石冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟研究,得出了管道应力等变化规律。其计算结果对埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值。     

冲击荷载作用下土体动力特性有限元分析

运用有限元软件ABAQUS,模拟了冲击荷载作用下土体动力响应特性,探索了夯锤运动动力特性和土体动态响应特征与规律,有助于进一步认识强夯加固机理,提高地基处理质量。     

天津滨海新区典型软土地基强夯法有限元分析

针对中国天津滨海新区典型软土地基强夯法适用效果进行了有限元分析。采用有限元计算分析软件ABAQUS的显式分析模块,建立夯锤对土体冲击作用分析模型,计算分析获得冲击过程地基表面的接触力时程,将其作为强夯数值模拟的荷载输入模型,运用有限差分软件FLAC 3D对天津滨海新区典型软土地基土体进行了单点多次夯击分析。结果表明:随着夯击次数的增加,单点夯击沉降量不断减小而累计夯击沉降量逐渐增大,8次夯击后累计夯击沉降量趋于一个稳定值;强夯作用后土体的孔隙水压和土体竖向应力呈半球状分布,在埋深方向上先增大后减小,在埋深5 m处孔隙水压和竖向应力已很小,单点多次夯击最有效影响埋深大致在5 m范围内;该研究结论对相关的强夯工程具有一定的参考价值。     

基于能量法的强夯频域分析

强夯分析一般基于时域,利用能量方法,在频域中对强夯作用下地基动力响应进行研究与计算。由于地基模态密集,提出以能量响应信息的收敛作为模态截断的判断指标,建立能量范数和能量判据,计算强夯动力响应的模态截断阶数。根据能量方程研究强夯过程中地基应变能和动能的响应规律,研究结果表明大量的夯击能都转变为波动能量,可以认为除了表层土直接受夯锤的冲击力作用外,深层土主要是受波动影响。     

高压输气管道在落石冲击作用下热点应力确定的数值方法研究

崩塌落石是高压埋地输气管道破坏的重要原因之一,对管道在落石冲击作用下的强度校核和安全评定意义重大。文章研究高压输气管道在崩塌落石冲击作用下的动态响应,建立了落石—土—管道相互作用的物理和有限元模型,利用LS-DYNA有限元软件进行数值模拟。采用控制变量法分别考虑落石冲击速度与水平地面夹角α、落地点与管道中心距离d、管道外径D、壁厚t、管道内压P、管道埋深h、落石密度ρ、落石半径r和落石冲击速度v这几个因素对高压输气管道动态响应过程中出现的最大有效Von-Mises应力（热点应力）的影响。提出的计算方法和结果对长距离埋地输气管道设计、施工、防护和风险评估具有一定的参考价值。     

强夯作用下土体加固效果研究

强夯法具有操作简单、施工周期短、工艺简单等特点，已在国内外得到广泛应用。为进一步研究强夯法加固地基土效果，利用有限元软件模拟强夯施工过程，考虑夯锤及地基土弹塑性本构关系，分析了在不同的夯击能下，土体的竖向位移、动应力、速度、土体塑性区域变化规律。得出如下结论：(1)在冲击荷载下，土体发生弹塑性变形，土体塑性变形主要从夯锤向下呈一定角度扩散，呈苹果形分布，随着夯击时间增加，塑性变形区域也在逐渐增大；(2)土体竖向位移及动应力随深度逐渐衰减且在空间上呈椭圆形分布；(3)随着夯击能增加，土体加固效果也越好。     

动力排水固结法加固吹填黏性土的机制研究

 以天津吹填黏性土为研究对象,利用自主研发的大比例尺试验装置进行室内模型试验,重点观察和分析夯击过程中孔隙水压力(简称“孔压”)的动态响应。室内模型试验表明,经过加固后土体的含水量降低,密度增大,抗剪强度明显增强。为弥补模型试验的不足,借助FLAC3D进行数值模拟,探讨冲击荷载下吹填土地基土体的动力响应特征,重点对夯击瞬间锤土接触应力、孔压长消和土体位移进行研究。室内模型试验和数值计算结果都发现,夯击瞬间孔压急剧增长,在夯击过程中孔压分为增长、稳定、下降3个阶段。数值计算还发现夯锤与土接触瞬间,锤土接触力并未达到最大,接触力在夯击过程中有多次弹跳;土体的孔压峰值和位移峰值随土层深度和距锤底中心径向距离的增大而逐渐滞后。     

强夯法加固煤矸石地基动应力模型试验研究

通过强夯法加固煤矸石地基物理模型试验,用 DH5939 动态应变仪完整地记录了强夯每一击作用下煤矸石地基中的 动应力 ,系统地研究了不同夯击能和夯击次数作用下不同深度煤矸石地基动应力的分布特征及其衰减规律。结果表明,在强夯冲击荷载作用下,动应力为单一的波峰,沿夯锤不同深度的动应力达到峰值具有明显的时滞性。强夯动应力在水平方向的衰减速度比竖直方向快,竖直方向的影响范围比平方向大。在相同的夯击能作用下,动应力峰值随深度衰减很快,近似呈负幂指数规律衰减。另外,对不同的测点,在夯击能一定的条件下,随着夯击次数的增加,有效加固范围内的动应力增加明显,但在 3 ～ 6 击后基本稳定。研究为精确模拟分析强夯加固机理提供了有效途径。     

砂性土宏细观强夯加固机制的试验研究

 通过自行设计的可视室内强夯模型试验仪,借助于图像跟踪拍摄和数字处理技术,对夯击作用下砂性土密实的宏细观机制进行试验研究,得到不同夯击次数下砂土位移等值线图和动接触应力时程曲线等宏观力学响应;分析夯击后砂土颗粒的定向性和平均配位数等细观特征变化。试验结果表明,砂性土强夯加固的单遍最佳夯击次数宜为8击左右,其加固机制宏观上表现为地面变形不断发展,细观上是一个颗粒从无序排列到定向排列、颗粒与颗粒之间接触数不断增加的过程。研究结果对强夯法的设计与施工具有一定指导意义,也为研究冲击荷载作用下土体宏细观力学响应特性提供一条新的思路。     

强夯置换中碎石运动机制和成墩过程的数值模拟

关于强夯置换碎石墩形成机理（特别是碎石运动和动态成墩过程）的数值模拟研究较少。之前的数值模拟研究往往将碎石垫层视为均匀的连续介质进行分析,偏离了碎石体的物理实质。将碎石分为个体分散接触进行了建模,对单次夯击和连续多次夯击过程中碎石体的变形成墩过程进行了数值模拟。分析结果表明：将碎石垫层视为分离的碎石个体进行模拟可展现强夯置换中碎石墩的形成过程及其变形机制;强夯置换过程按时间顺序可分为夯锤与碎石的能量传递和碎石垫层之间的应力波传播过程、碎石垫层接触软土后的整体变形、夯锤二次冲击碎石结构重分布、稳定结构的碎石与夯锤共同运动4个阶段,并分别阐述了各阶段的具体原因和作用;从铅垂方向排列碎石的水平运动分析了整体成墩的原因。通过对连续夯击过程的数值模拟,获得了夯锤运动状态、能量释放时间变化规律,数值模拟得到的夯锤运动位移、速度、加速度与试验观测结果比较吻合。     

土–结构动力相互作用分析打桩引起相邻隧道振动

某集装箱码头打桩施工紧邻拟建的大直径越江隧道,桩身长度达到50 m,隧道直径约18 m。为了分析打桩对该隧道可能产生的振动影响,采用有限元模拟打桩引起的隧道振动。该问题的本质是桩–土–隧道三者组成的体系在冲击荷载下的整体动力响应。桩与土、土与隧道之间的力学关系是这类问题的重点和难点。这种力学关系实质上是动荷载作用下的动力接触关系。利用ANSYS的瞬态分析和接触单元,通过对动力参数和接触参数进行合理设置,在验证了某工程实例的基础上,对该问题进行了有效的数值模拟,从而分析出隧道在打桩冲击荷载下的振动规律,为确定打桩间距、打桩深度以及打桩能量等重要参数提供参考。     

地铁荷载作用下地裂缝邻近土体受力数值分析

利用有限元分析法,对西安穿越地裂缝带的地铁隧道与土体在地铁荷载下的动力相互作用进行了三维模拟,分析了整体式隧道和分段式隧道两种情况下衬砌与土接触压力的分布规律和衬砌下部土中动应力的传递规律及影响范围,并将地铁列车荷载引起的动应力与初始静应力进行了比较,得出了地铁动荷载与重力荷载之间的强度差异。分析表明,列车从上盘往下盘运行过程中,在地裂缝附近,下盘拱底与土附加接触压力较正常值大,上盘则较正常值小,下盘拱顶与土附加接触拉应力较正常值大,上盘拱顶与土之间则产生附加接触压应力;土中竖向动应力从衬砌底传递至下部11 m过程迅速减小,动应力对此范围以外的土体影响较小;地裂缝附近分段式隧道条件下土中竖向动应力较大;就本次模拟工况而言,地铁动荷载产生的动应力比初始静应力要小很多,初始应力与动应力的最小倍数在60倍以上。     

车辆荷载下上覆无限大薄板加筋路堤的三维动力响应

利用半解析的方法研究了车辆荷载作用下加筋路堤上覆薄板的动力响应问题。基于Biot多孔弹性介质的波动理论,建立了加筋路堤-道路系统模型。采用上覆Kirchhoff小变形无限大薄板模拟路面板,车辆荷载用4个均布矩形荷载来模拟。在忽略土颗粒自重的情况下,半空间土体引入Biot方程,通过Fourier变换以及边界条件求得变换域里的加筋路堤层位移表达式,采用快速Fourier变换求出时域里的位移。通过数值计算,给出了移动荷载速度、加筋路堤层厚度、板刚度以及加筋率对道路系统位移响应的影响。     

交通荷载下城市路面塌陷问题的试验研究

地下管线渗漏与交通荷载是引起城市道路塌陷的重要原因。本文采用8组室内缩尺模型试验,考虑了荷载类型、管线埋深、管线与流失通道间距、管线与流失通道相对位置和流失通道形成时间等因素,研究了管线渗漏引起的路面坍塌问题。试验结果表明:当流失通道形成较晚时下伏侵蚀空洞呈球形,其余情况下侵蚀空洞形状皆为漏斗形;仅有静荷载作用时,达到最终破坏的时间比仅有动荷载作用时要长;较小的动荷载,能增加渗漏管线上方土体的稳定性,而较大的动荷载则加快了路面塌陷过程;随着流失通道形成时间的增加,形成侵蚀空洞尺寸就越大,地表越容易塌陷;随着流失通道与管线的间距增加,最终路面破坏时长也增加;位于管线上方的土层厚度越大,地下空洞尺寸和地表沉降就越小。     

冲击作用下地基内部动应力研究——强夯冲击的动应力研究之二

强夯时锤-土接触面和地基内的应力受到众多因素影响,精确求解较为困难,可行的途径是采用近似和简化方法来估算。本文在系统总结既有地基内冲击应力计算公式的基础上,对冲击时地基内部动应力的数值分析和实测结果进行了拟合,并对理论公式进行了比较。结果表明,强夯冲击动应力沿深度的衰减略快于静载下的应力分布,且不同方法得到的值差别较大。     

动、静荷载作用下细粒土的冻胀特性实验研究

随着列车速度的不断提高,季节冻土区路基工程的冻胀问题也越来越突出。为研究细颗粒土在动荷载作用下的冻胀特性,进行了无荷载、静荷载和动荷载条件下室内开敞系统的冻胀实验,对比分析了无荷载、静荷载和动荷载条件下细粒土的冻胀变形、水分迁移速率及土中含水量的分布。实验结果表明：静荷载、列车动荷载对土的冻胀都具有一定的抑制作用,随着外荷载值的增大,该细颗粒土的冻胀率逐渐减小;且当静荷载值等于动荷载幅值的二分之一时,动、静荷载对细颗粒土冻胀的影响基本相同;土冻结过程中水分迁移速率随着冷却温度的降低而逐渐增大,而随列车动荷载值的增大而相应降低;土的冻胀特性基本不受列车动荷载频率变化的影响。     

基于温度变化的路基盐渍土动强度参数试验研究

基于英国GDS动三轴试验系统,对青海西部地区的路基盐渍土进行动三轴试验,在温度变化条件下探讨其破坏动应力、动黏聚力及动内摩擦角等相关参数随围压、频率的变化规律,建立了不同动载频率下破坏动应力-围压-温度关系曲面,得到了与温度相关的曲面拟合方程。试验结果表明：土-冰-盐的胶结作用对温度变化极其敏感,随着温度降低,盐渍土的破坏动应力明显增大;动黏聚力和动内摩擦角随温度的降低而增大。     

埋地管线有限元抗震分析

利用接触单元对埋地管线及土体进行三维实体建模,并对地震荷载作用下的管线进行了应力计算,给出了最大轴向应力;对比了规范方法、理论方法、梁-土弹簧模型以及管土接触模型的四种计算结果,表明现有简化模型的计算结果偏小,偏于不安全.     

移动荷载下正交各向异性地基无限大板的动力响应

以薄板理论和弹性动力学理论为前提,以位移分量为基本未知量,建立了直角坐标系下的移动谐振荷载作用下正交各向异性地基上覆无限大弹性板的力学模型和动力微分方程;然后用坐标变换和Fourier积分变换,且引入边界条件,推导了移动荷载作用下无限大板的挠度和薄板与地基之间的接触应力的积分形式解。基于推导的理论方法,编制了相应的计算程序,并对薄板表面作用线性谐振荷载问题进行了算例分析,验证了方法的正确性。最后,对移动谐振荷载作用下公路路面板的动力响应进行了参数分析,研究了土体参数、板参数、荷载速度、荷载频率对其影响规律。结果表明:土体的各向异性、板厚、板的弹性模量、荷载移动的速度和振动频率对板动力响应影响很大。