基于两相介质理论之土层弹塑性大变形地震反应分析

基于土–水两相混合体完全耦合场方程及土体静–动统一本构,构建了新型普适性土层弹塑性大变形地震反应分析方法。考虑强震中土体大变形动力特性描述的困难,基于客观性张量推导,给出了严格的土–水两相混合体平衡方程式和连续方程式,分别进行空间和时间离散,编制了显式有限元–有限差分程序。通过超固结、结构性和应力诱导各向异性状态变量的引入,建立了物理意义明确的土体静–动统一本构,能够合理的表征土体的各类力学特性。数值计算中采用转换应力法,实现了试验应力状态向一般应力状态的拓展,满足复杂三维地层的动力计算需求。通过局部透射人工边界的设置,形成了辐射边界条件,构建了完备的土层反应程序。将分析结果与等效线性化方法和单相介质时域非线性分析结果进行对比,指出饱水砂土层的存在对地震波传播和地表地震动反应特性的影响。     

考虑土-结构相互作用的桥墩动力分析

采用通用有限元程序ANSYS,对某一桥墩与地基土层的相互作用进行了二维有限元分析,土体的本构模型采用ANSYS程序中的Drucker-Prager模型,土体边界采用粘—弹性边界人工边界,通过计算,得到了土结构相互作用对结构动力分析的影响以及土体性质、上部结构刚度不同时相互作用体系的动力特性。     

双剪统一边界面塑性本构模型的有限差分算法及其数值验证

双剪统一边界面塑性本构模型(BUST模型)能反映低偏应力水平下岩土材料的塑性应变累积行为,这不同于经典双剪统一弹塑性本构模型。为了将BUST模型应用于滑坡或边坡的静、动力响应分析,构建并编译了BUST模型的有限差分算法,且通过数值模拟分析验证了该算法的可靠性。首先,推导BUST模型在一般应力空间和主应力空间的有限差分计算格式,给出了边界面、加载面、映射变量、塑性乘子、塑性修正、角点奇异性处理等的具体数学形式;其次,编写BUST模型的C++程序,并在FLAC^3D软件平台开展一系列数值计算,比较BUST模型与双剪统一弹塑性本构模型结果差异性,预测软岩三轴剪切应力–应变关系,模拟黄土–泥岩边坡坡体内部加速度响应。结果表明所构建的双剪统一边界面塑性本构模型有限差分算法计算结果可靠,可用于分析边坡或滑坡的静、动力响应。     

考虑时间效应边界面模型在地铁工程中的应用

 为了真实刻画地铁移动荷载低振幅、高振次特征,准确计算软土地铁地基在运营期的长期沉降,需要提出能描述低应力水平下土体动蠕变特性的本构模型。据此,基于边界面本构模型,结合Mesri蠕变模型,建立考虑时间效应的边界面本构模型。随后,为了开发ABAQUS材料子程序,采用应力积分算法对本构模型进行推导,借鉴阻止应变法进行算法的优化,可以使计算间隔缩短,总迭代次数增多,更易收敛。采用提出的本构模型和南京软土GDS动三轴试验获得的相关参数进行数值模拟计算,并进行试验对比,验证本构模型的有效性。同时,将开发的本构模型嵌入数值模拟计算中,设置黏弹性人工边界,进行三维地铁有限元数值模拟分析。结果表明：(1) 基于阻止应变法的优化算法可以进行推广使用;(2) 考虑时间效应的边界面本构模型适合描述软土动蠕变特性,能有效预测软土在低振幅地铁移动荷载作用下的累积沉降。研究对理论研究和实际工程具有重要的指导意义。     

土-结构相互作用中侧向人工边界的影响

采用通用有限元程序ANSYS,针对某一桥墩与地基土层相互作用进行了二维有限元计算,并分析4种侧向人工边界时的影响。计算中均匀地基土体的本构模型采用ANSYS程序里的D rucker-Prager模型,通过地震波输入,对土体4种人工边界进行计算讨论,并确立粘-弹性人工边界作为土体的侧向边界。     

基于FLAC3D的斜入射地震波作用的数值模拟方法研究

地震动输入是进行土层场地或土-结构相互作用体系地震反应分析的重要一步。通过波场分解,将人工边界上的波动场分解为自由波场和散射波场,其中人工边界上的自由波场根据波在自由表面的反射理论求得,散射波场由黏性人工边界直接吸收,进而在人工边界上施加等效荷载实现斜入射地震波作用的输入。借助MATLAB辅助计算程序和FLAC3D的前后处理功能,进行不同角度(0°和30°)入射条件下SV波作用的时域数值模拟计算,数值解和理论解吻合较好。算例表明,采用黏性人工边界和等效荷载输入方法具有较高的计算精度,建立的数值模拟方法为土层场地和土-结构动力相互作用在地震波斜入射下的反应分析提供了简单易行的计算途径。     

刚性挡土墙主动土压力数值分析

采用有限单元法对作用于刚性挡土墙上的主动土压力进行数值分析，土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型，在土与结构接触面间引入无厚度的Goodman接触单元，接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型，研究了不同挡土墙的变位模式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。     

两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析

基于增量形式的流体饱和两相多孔介质弹塑性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行计算和分析,从而揭示流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应的规律.计算结果表明:两相介质弹塑性位移反应峰值要大于相应的弹性位移反应的峰值,并且弹塑性位移反应峰值出现的时刻滞后于弹性位移反应峰值出现的时刻;两相介质弹塑性速度反应与相应的弹性速度反应的差别并不显著.数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的一种有效的方法.     

深厚覆盖层上高土石坝的动力稳定分析

在高地震烈度区修建深厚覆盖层上的高土石坝面临许多新问题,如大坝的动力稳定、坝基液化问题等。以直粘土心墙及坝基截渗墙土石坝为例,采用三维动力固结有限元方法,研究强震区深厚覆盖层上的高土石坝的动力稳定问题。三维动力固结有限元程序以动力固结方程为基础,采用能够反应土体非线性、滞后性以及不可恢复性动变形特性的拟等效弹塑性本构模型,放弃了动孔压上升模式,在震动全过程中跟踪孔隙水压力产生、扩散和消散的发展变化,实现了动力渗流与动力反应分析的真正耦合,可较好地反映土体在地震过程中的实际性态,避免了动本构模型与动孔压模型有时难以合理搭配的问题。计算结果表明,深厚覆盖层上修筑的直心墙土石坝的静应力和静位移均较大,但它的动应力、动位移及加速度的反应值却均较小,且坝底的孔压比也较小,可满足稳定性要求。     

地基-基础-支护结构-上部结构动力相互作用体系的计算分析研究

利用通用有限元程序ANSYS针对地基-基础-支护结构-上部结构动力相互作用体系进行了计算分析，探讨了支护结构的存在对高层建筑抗震性能的影响，计算中土体的本构模型采用等效线性模型，利用粘-弹性人工边界作为土体的侧向边界，并研究了支护排桩长度和刚度、上部结构刚度以及基础型式等参数对动力相互作用体系的动力特性及地震反应的影响。     

基于阻尼的边界面模型

阻尼比反映了土消耗能量的能力,土的动力本构模型真实地体现土的阻尼比具有必要性与重要性。在基于阻尼的滞回模型的基础上,通过在应力偏平面上引入相应的硬化准则,将其推广至弹塑性领域,建立了基于阻尼的边界面模型。给出了详细的推导过程,以及对相应的硬化准则的说明。理论预测结果与循环单剪试验结果的比较,说明了模型的可靠性。与基于曼辛准则的模型的比较,说明了其先进性,能够真实地反映阻尼比对土动力反应的影响。     

Constitutive model for monotonic and cyclic responses of loosely cemented sand formations

This paper presents a model to simulate the monotonic and cyclic behaviours of weakly cemented sands. An elastoplastic constitutive model within the framework of bounding surface plasticity theory is adopted to predict the mechanical behaviour of soft sandstone under monotonic and cyclic loadings. In this model, the loading surface always passes through the current stress state regardless of the type of loading. Destruction of the cementation bonds by plastic deformation in the model is considered as the primary mechanism responsible for the mechanical degradation of loosely cemented sands/weak rock. To model cyclic response, the unloading plastic and elastic moduli are formulated based on the loading/reloading plastic and elastic moduli. The proposed model was implemented in FLAC2D and evaluated against laboratory triaxial tests under monotonic and cyclic loadings, and the model results agreed well with the experimental observations. For cyclic tests, hysteresis loops are captured with reasonable accuracy.     

考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。     

砂土三维多重机构边界面模型

以土的临界状态和边界面塑性理论为基础,引入状态参数,考虑砂土的剪胀特性,提出一个新型三维多重机构边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布的虚拟一维微观剪切机构。每个微观剪切机构包含一个微观剪应力–应变关系和一个微观应力–剪胀关系。利用三轴压缩试验中的应力条件,建立典型宏微观参数之间的关系。模型包含13个参数,多数可通过具有明确物理意义的土性参数来确定。通过对砂土三轴压缩试验和空心圆柱扭剪试验结果的数值模拟,表明模型不但能够合理反映在排水或不排水条件下砂土的硬化及软化特性,而且能在不增加任何参数条件下预测应力主轴旋转产生的变形累积特性和应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴特性。     

胶凝砂砾石料弹塑性本构模型研究

为了建立合理的胶凝砂砾石料弹塑性本构模型,对胶凝掺量60 kg/m3的胶凝砂砾石料进行了三轴剪切排水与加卸载试验研究,结果可描述不同围压下的胶凝砂砾石料的应力–应变特性。基于试验数据及一些专家的研究,确定模型的弹性部分,提出了胶凝砂砾石料的剪切屈服与体积屈服方程,引入广义塑性理论,建立了适用于胶凝砂砾石料的弹塑性本构模型。模型共有9个参数,参数较少且确定简单。利用三轴剪切排水试验数据验证该模型计算结果,表明其能够较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。     

基于扰动状态概念硬化参量的结构性黏土边界面模型

在临界状态理论和边界面模型的框架内,引入结构性扰动对弹性变形、结构性屈服面大小、胶结吸力和屈服面各向异性的影响,建立一个基于扰动状态概念硬化参量的结构性黏土边界面模型。首先,通过定义3个结构扰动度R_c,R_b和R_a来定量反映塑性变形对结构性黏土的结构性屈服面、胶结吸力和屈服面各向异性的扰动程度,并对弹性特性进行各向异性和结构性影响的修正。然后,通过对天然沉积上海黏土和Vallericca硬黏土的三轴不排水剪切试验和一维固结压缩试验的模拟验证模型的预测能力。最后,通过模型与有限差分法相结合,以简单的平面应变试验模拟为例,展示模型能够描述结构扰动度的变化及其在土体中分布的模拟能力。     

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。     

球面网壳阶跃荷载作用动力稳定性

分析不同跨度和矢跨比的单层球面网壳,当材料本构关系为弹性和弹塑性,考虑阻尼影响与忽略阻尼,分别计算结构的动力稳定临界力,得到动静比的分布规律。分析材料非线性、阻尼、初始几何缺陷、初始静荷载等因素对结构动力稳定性的影响。提出估算结构动力稳定临界力的简化计算公式。     

考虑温度影响的饱和软黏土累积变形特性研究

通过开展饱和软黏土温控动三轴试验,研究了不同温度作用下土的不排水累积变形、孔压、阻尼比及动弹性模量变化规律,建立了考虑温度、初始静偏应力、围压、超固结比等影响的应变模型,并获得了模型参数与温度的关系。结果表明:温度对土的累积塑性变形、孔压、阻尼比及动弹性模量有较大影响,土体的累积塑性应变、孔压、阻尼比均随着温度升高而减小,动弹性模量则随着温度升高而增大,土体表现出热硬化特征;在不同温度作用下,考虑温度影响的应变模型计算结果与试验结果较为吻合,验证了模型的合理性,可用于预测同一试验工况下任意温度时土的累积塑性应变结果。