非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。     

高进水塔地震波斜波入射有限元分析

在水工结构抗震动力分析中,反应谱和时程分析都是基于地震波垂直入射来考虑地震荷载的影响,而实际地震波的传播方向往往是斜波入射。斜入射地震波会引起地面运动的非一致变化,从而对结构产生很大的影响。基于波动理论和黏弹性人工边界波动输入方法,采用有限元模拟地震波斜波入射,并比较在45°斜波入射情况下进水塔与基岩接触的上游建基面、塔背回填混凝土与塔身接触位置等关键部位的顺水流向和竖向加速度、位移、应力时程曲线,结果表明,采用黏弹性人工边界等效荷载方法可以实现地震波斜入射的输入,计算结果与理论分析结果一致。     

平面SV波斜入射下重力坝动力响应分析

为了研究地震动斜入射情况对重力坝的影响,在考虑无限地基辐射阻尼效应的前提下,基于隐式有限元结合应力型黏弹性人工边界的方法,通过大型有限元软件ANSYS APDL实现地震波等效荷载的转换,并从无限地基中截取三维地基验证了地震波等效输入的正确性,建立了重力坝-库水-地基-黏弹性人工边界的有限元动力分析模型,重点研究了平面SV波斜入射对重力坝坝体地震反应的影响。结果表明:随着平面SV波斜入射角度的增大,坝体关键部位的竖直向位移呈现出逐渐增加的趋势,顺河向位移呈现出逐渐降低的趋势,其中坝顶竖直向位移最大增加幅度达到52%,最大降低幅度达到34.9%;坝体关键部位的应力对平面SV波入射角度的改变敏感程度不太一致,其中坝踵处第一主应力呈现出逐渐降低的趋势,入射角度为30°时第一主应力最小值达到2.045 27 MPa,坝趾处的第三主应力呈现出逐渐增加的趋势,入射角度为30°时第三主应力最大值达到8.228 54 MPa,在同类工程设计中应重点关注。     

考虑建筑物刚度和自重的地层位移解析解

为更准确计算隧道施工时既有建筑下的地层位移,以西安地铁工程为依托,通过当层法和太沙基理论,推导出考虑建筑物刚度和自重的地层位移计算公式。结果表明,与只考虑建筑物刚度的地层位移计算结果相比,考虑建筑物刚度和自重计算的地层竖向位移较大,沉降曲线为塞形,水平位移较小;随着深度增大,地层竖向位移与水平位移幅值增大,水平位移曲线逐渐变陡,竖向位移的分布曲线由塞形变为高斯曲线。考虑建筑物刚度和自重的地层位移与实际情况更为符合。     

流体――固体介质中Stoneley波特性

本文利用解析法建立了两半无限流体――固体介质中Stoneley波的特征方程及其位移计算公式，利用有限元――解析法建立流体――固体成层介质中Stoneley波的特征方程。并利用这些特征方程分析研究了流体――固体介质中Stoneley波的特性和位移分布规律。     

非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析

地震波场的构建与输入是高坝抗震分析的关键。本文提出了一种适用于三维成层场地的自由波场时域化求解方法,并在此基础上建立了远置层界面模型以分离上行和下行波场,以解决不规则场地和断层分布等复杂地质条件;进而结合不同波型的连续性特征与振动特性,利用几何推导将单列节点位移推广至整个空间场地,以提高计算效率;并采用改进的波动输入方法将复杂波场转换为地基边界上的等效节点力。本文重点研究了精细化的三维高坝-地基体系在垂直和倾斜入射SV波作用下的动力响应,并与均质地基条件下的结果进行对比。结果表明：非一致地震波作用下坝体结构动力响应的空间差异性显著,坝顶不同位置的位移极值响应可相差至80%;SV波倾斜入射时坝体振动响应远大于垂直入射的情况,位移极值可相差2~3倍,高应力区时段相差较大,且整个体系的拉裂破坏范围更广;复杂地质条件会加剧坝体的损伤情况,且对较大应力区的产生时间与分布情况有显著影响。研究结果证实了综合考虑地震波的非一致特性与场地地质条件的必要性,可为其他大型工程结构抗震响应分析提供参考。     

流体--固体介质中Stoneley波特性

本文利用解析法建立了两半无限流体———固体介质中Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波的特征方程及其位移计算公式，利用有限元———解析法建立流体———固体成层介质中Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波的特征方程．并利用这些特征方程分析研究了流体———固体介质中Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波的特性和位移分布规律．     

台阶形陆架上孤立波传播的数值模拟

为了研究孤立波在带有陡升台地的陆架上的传播,用MAC方法求解了二维纳维尔-斯托克斯方程。本文在以下几点,改进了东京大学提出的修正的网格标记法:1.给出交错网格的新的标号系统;2.推导出自由表面上非规则星的新的压力迭代公式;3.对流函数、压力和速度使用了三值悬旗;4.把一维Burgers方程的部分守恒形式扩展用于二维N-S方程。这些使得程序更简单和精确。计算结果证卖,物理上很好地解释了孤立波的传播,入射波分成了反射波和透射波,然后开始分裂、破碎。 本文计算结果与线性波理论的结果很一致,但后者不能给出波运动的过程。     

基于颗粒离散元法的涵洞式水闸上覆填土应力位移场变化特征分析研究

为分析粤北水资源调度枢纽工程中涵洞式水闸上覆填土层应力、位移场特征,引入离散单元法求解填土层颗粒模型状态下应力位移仿真解。以填土层厚度0.59 m为竖向位移变化拐点,其分布形态由V形至倒V形,竖向位移在该拐点前后的增长速度由快至缓。填土高度由1.5 h递增至4 h,竖向位移分布由W形至U形分布,等位移线降低并趋于稳定状态,稳定在1 h左右。填土层厚度增加,土压力水平愈小,且相对土压力递减至稳定状态,A-D测点填土高度内,相同测点中涵洞内外侧土体压应力具有显著差异,其中B测点高度下的外侧土压力相比涵洞中点处降低17.5%和37%,而在D-H测点填土高度内,相同测点上的土压力无显著差异。研究结果可为水利工程中研究涵洞式水闸填土料应力位移状态提供参考。     

用无穷元研究土层特性对场地地震反应的影响

本文根据文献中提出的求解一维波动问题的有限元与无穷无耦合模型,导出了一种从无穷元与有限元交界面上进行地震波输入的方法。这一方法可以方便地求解均匀或成层地基在地震时的场地反应。文中首先通过数值实例验证了这一模型的精确性,进而利用这一模型求解了均匀土层场地的地震反应问题。计算结果表明:(1)土层的场地地震反应与土层特性及输入地震波的特性均有密切关系。当土层的自振周期与从基岩输入的地震波的周期一致时,土层的场地地震反应明显放大,是属于最不利的情况。(2)土中的粘性阻尼对降低地表加速度反应最大值有着明显的作用。(3)土层与基岩交界面上的反应与输入波有明显差异,表明土层与基岩具有—定的相互作用影响。     

等效黏性边界单元及黏性边界波动输入方法

为更好的利用大型通用软件进行结构-地基动力相互作用分析,本文在黏性边界的基础上提出黏性边界单元的概念,通过构造相同阻尼矩阵的方式提出了能够实现黏性边界功效的特殊有限单元-等效黏性边界单元.等效黏性边界单元能够较好的模拟地基的辐射阻尼效应,使黏性边界的实现更加方便.同时,为简化大型通用软件中地震波的输入,提出了适合于黏性边界条件下水平成层地基中垂直入射地震波的输入方法.该方法不需要借助其它辅助计算就可直接在各种大型通用有限元软件中用一个数值模型实现地震波动输入,具有很强的通用性.此输入方法极大的减少了地震波动输入的数据准备工作,降低了操作的复杂程度.数值算例表明,等效黏性边界单元及文中提出的地震波动输入是简单可靠的.     

TIME-DOMAIN RESPONSES OF IMMERSING TUNNEL ELEMENT UNDER WAVE ACTIONS

The time domain responses of the tunnel element under wave actions during its immersion are investigated based on the linear wave diffraction theory. The integral equation is derived by using the time-domain Green function that satisfies the free water surface condition in the finite water depth, and is solved by the boundary element method. The motion equations of the tunnel element are solved by the fourth order Runge-Kutta method. A comparison between the computed and measured results reveals that the numerical model can effectively simulate the motion responses of the tunnel element and the cable tensions when the motions of the tunnel element are within some limit. Taking the tunnel element of 100 m in length, 15 m in width and 10 m in height as an example, the computational results of the motion responses of the tunnel element and the cable tensions in different immersing depths are obtained under different incident wave conditions.     

不同填筑方法对水库弃渣场边坡稳定性影响

基于颗粒流离散元理论,以某水库弃渣场为例,利用颗粒流软件PFC2D,设置3种不同颗粒粒径范围以及水平与竖向2种不同的分层填筑方式,分析其对弃渣场边坡稳定性的影响.结果表明,弃渣场土体颗粒的位移主要受颗粒粒径及分层填筑方式的影响,与颗粒数量关系不明显;竖向分层填筑方式比水平分层填筑土体颗粒产生的位移要小,对边坡稳定性更为...     

含地下水的回填砂土中重力式岸墙地震残余角位移的拟静力计算

地震残余角位移的预测是重力式岸墙地震工程设计中的关键问题。引用液化度指标考虑含地下水的回填砂土地震过程中的超静孔隙水压力对墙体运动的影响,基于Mononobe-Okabe拟静力法修正考虑液化度的动主动土压力,基于静力水压力理论近似计算土颗粒里的动水压力。同时考虑了水平与竖向地震载荷,根据力矩极限平衡确定旋转门槛加速度系数,采用旋转块体方法初步推导出岸墙主动旋转运动下的地震残余角位移的简单计算法。选用一理想的地震运动特征,应用该简单预测位移的方法对一算例进行了推算;并对回填砂土内摩擦角、墙体与土间摩擦角、水平与竖向地震加速度系数、回填土地下水位、墙前自由水位和码头墙宽高比多种参数下对旋转角位移的影响作了详细的定性分析。     

邻近斜坡沉桩挤土效应颗粒流数值模拟

邻近斜坡沉桩问题近年来在工程实践中经常遇到,由此引发的工程事故时有发生。由于沉桩边界条件的非轴对称特性,理论分析方法精确求解会遇到较多困难。本文采用离散单元法二维颗粒流程序(PFC2D),克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,研究沉桩过程中斜坡土体的挤土位移场变化规律。结果表明:随着桩体的不断沉入,斜坡挤土位移影响范围越来越大,斜坡土体的位移模式也不断发生变化;紧邻桩身以及靠近桩端范围内的土体,在桩体径向挤压以及桩侧摩擦的共同作用下,产生了向下的位移,而桩身一定距离以外的土体,受地表及倾斜自由边界的影响,表现为竖向隆起位移;当沉桩至斜坡底面以下深度时,后续沉桩对斜坡的挤土位移影响不大。     

考虑成层地基的黏弹性人工边界模型

为了将黏弹性人工边界条件用于成层地基模型的计算中,基于波动理论,推导了不同类型地震波的波幅比计算公式,采用延迟法考虑行波效应,完成了成层地基的自由场求解,得到了考虑地震波一次反射透射的等效荷载计算公式,最终建立了考虑成层地基的黏弹性人工边界模型。以SV波垂直入射为例,采用所建立的模型进行了重力坝的动力计算。结果表明,该模型满足工程抗震分析的精度要求,可以解决成层地基条件下,地震波垂直入射时考虑土-结构相互作用的结构动力分析问题。     

土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用研究

在我国西部强震区拟建的土石坝多坐落于覆盖层上,覆盖层土体具有动力非线性和饱和特性,土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用复杂。为研究土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用特性,分别采用地震动一致输入方法(联合地震惯性力和约束边界)和非线性波动输入方法(联合自由场非线性动力响应和非线性人工边界),对覆盖层上土石坝进行有限元动力反应分析,考虑了覆盖层厚度、土体动力特性、地震强度及地震波频谱特性的影响效应,着重讨论了大坝的加速度反应峰值。结果表明:在覆盖层土体饱和特性的影响下,一致输入方法不能合理模拟大坝体系动力的相互作用,所获得的坝体竖向加速度反应误差显著。非线性波动输入方法理论上更为严密,其所获得的坝顶竖向加速度峰值较一致输入方法降低明显,降低率为20%～62%,且当输入地震动以高频成分为主时一致输入方法的误差较大。对于坝顶水平向加速度峰值,非线性波动输入方法较一致输入方法的降低率为5%～32%。当土体材料阻尼效应明显时一致输入方法的误差较小,当输入地震动以低频成分为主时其误差较大。一致输入方法会明显低估覆盖层上土石坝的极限抗震能力。当土石坝可能遭受竖向分量较大的近场地震时,有必要采用非线性波动输入方法评价大坝抗震性能。     

渗流条件下山体土质边坡的蠕变分析

运用改进西原蠕变模型,建立了能反映蠕变全过程的非线性粘弹塑性蠕变模型,结合渗流力学理论得出了平面应变情况下的流固耦合方程。通过算例数值计算对降雨条件下土质坡体特征点的水平和垂直位移进行了分析,结果与现场调查相符。计算结果表明,土质边坡在降雨入渗初期位移变化较大,且水平位移比垂直位移大;降雨入渗具有迟滞效应,雨水渗流主要集中在坡体浅层,加强坡面防护很关键。