深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法

当覆盖层地基深度相对其上土石坝坝高较大时,大坝动力分析计算中常将覆盖层地基截断,只取临近坝体部分覆盖层地基连同坝体一起作为计算分析对象。用黏弹性边界条件代替固定边界条件,可以消除或有效降低由于截断边界造成外行波无法透过边界而引起的计算误差。本文采用施加等效地震惯性力的方法实现黏弹性边界条件下的地震动输入、采用等效线性化方法反映覆盖层地基边界上黏弹性边界条件的非线性特性,建立了基于黏弹性边界条件的深厚覆盖层上土石坝动力反应分析方法。研究表明:施加等效地震惯性力的方法可以简单而有效地解决黏弹性边界条件下的地震动输入问题;固定边界条件大幅提高了坝体在地震作用下的动力反应水平,使得计算的结果偏于安全。     

考虑结构—地基相互作用的水闸动力特性及地震反应分析

在进行水闸动力特性及地震反应分析时,考虑了结构—地基的相互作用。分析了地基弹性模量、地基范围和地基质量对水闸体系动力特性的影响,且对地震波作用下,水闸地基为线性及非线性时的动力反应作了比较。认为,水闸体系的抗震分析宜考虑结构—地基的相互作用以及水闸体系的空间性。     

考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的动强度参数

深厚覆盖层土体原位结构性强,原状样取样困难,且由于粒径、级配的改变,室内重塑样试验确定的力学参数不能反映原位土体的实际性质,如何考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的力学参数是工程建设中的难题。本文探索了联合现场原位试验和室内重塑样动力特性试验,考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体动强度参数的方法:(1)基于现场试验确定原位土体的动强度基准值;(2)基于室内重塑样试验确定动强度在不同振动强度和固结应力条件下的变化规律;(3)结合室内动力试验确定的动强度参数变化规律,将基于现场试验确定的动强度基准值推延至多种震级和应力条件。以某实际深厚覆盖层深埋砂土为研究对象,联合现场标贯试验和室内动三轴试验结果,综合确定了能考虑深厚覆盖层土体原位结构效应的砂土动强度参数,并与室内试验结果进行了对比。研究成果可为该工程坝体—覆盖层地基系统抗震安全评价提供依据,也可供类似工程参考。     

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。     

非线性接触深覆盖层水闸沉降分析

我国西南地区修建闸坝大多面临深厚覆盖层的问题,由于深厚覆盖层具有沉降不均匀、沉降量大的特点,给工程的安全运行带来很大的隐患。本文以某电站首部枢纽拦河闸为工程背景,利用大型商业软件ANSYS对工程结构进行模拟与计算,计算中考虑基础与地基的接触非线性,以对水闸运行期工况的沉降给予分析,结果表明:覆盖层的存在对工程结构的沉降变形有很大的影响,其不均匀性将大大增加了结构稳定性的危险,因此有必要对地基进行加固;研究成果直接应用于工程实际,并为类似工程设计提供了借鉴。     

察汗乌苏水电站坝基覆盖层土料残余变形特性

通过大型和中型动三轴试验，对新疆察汗乌苏水电站混凝土面板堆石坝坝基覆盖层土料动力残余变形特性进行了试验研究工作。根据试验研究结果和以往成果中坝基动剪应力比分布规律，初步估计，在该工程给定的地震设计烈度条件下，该坝基覆盖层不会因地震变形而发生破坏。研究成果可为深厚覆盖层地基上高土石坝的动力变形分析和安全性评价提供科学依据，为深厚覆盖层工程特性的进一步研究提供参考。     

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。     

阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板堆石坝抗震工程措施及静、动力有限元计算分析

鉴于强震区200 m级超高混凝土面板堆石坝所面临的变形控制难、坝体抗震等级高、砂砾石覆盖层深厚等诸多设计难点,结合阿尔塔什混凝土面板堆石坝坝体结构、坝壳料设计,借鉴已建工程经验提出抗震工程措施。通过建立坝体、覆盖层的三维有限元模型,堆石料静力本构分析采用邓肯张E-B模型,动力本构分析采用等效黏弹性模型,分析了考虑抗震工程措施的坝体抗震能力。结果表明:坝体在竣工期、正常运行期、正常运行+地震三个工况下的变形规律合理。混凝土防渗墙和面板结构中最大拉、压应力均可满足所选混凝土材料的规范要求。坝顶下游坝坡设置浆砌块石护坡后可有效减弱该区域局部动力剪切破坏和浅层滑移。坝顶上、下游边坡布置阻滑钢筋网以及适当提高填筑料的相对紧密度、孔隙率,可以有效提高大坝坝坡的抗震稳定性和坝体抗震能力。研究成果以期为今后300 m级面板堆石坝工程设计上提供借鉴。     

非线性土层平稳随机地震反应分析的等价线性化法

近年来,地震动的概率描述方法已逐渐引起研究人员的广泛重视,有些方法已为美国、加拿大等国家抗震规范所采用,我国目前也正在编制具有概率意义的地震危险性区划图。地震动的概率描述导致并促进了结构抗震设计向动力可靠性设计方向发展。目前在工民建结构抗震设计中已开始采用动力可靠性设计方法,但在地基及土石坝中应用还很少,受限制的一个重要原因是缺乏简便有效地计算大体积强非线性的地基或土石坝随机地震反应方法。以往为数不多的地基、土石坝随机地震反应计算,主要采用的线性分析模型,有的虽然采用等价线性化法进行近似计算,也不得不引入许多限制条     

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝抗震设计

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝最大坝高240 m,坝基为深厚覆盖层,大坝抗震设防烈度为Ⅸ度。众所周知:高地震烈度区深厚覆盖层上修建高土石坝的抗震安全是工程的关键技术问题之一。为解决长河坝水电站大坝抗震设计难题,对强震区深厚覆盖层上修建高土石坝抗震设计关键技术问题开展了大量深入的研究。介绍了长河坝水电站大坝-坝基体系动力反应数值分析和离心机振动台模型试验等研究成果及所采取的抗震措施,可为类似高土石坝工程的抗震设计提供借鉴和参考。     

土基上闸室抗滑稳定承载能力极限状态与分项系数套改研究

目前水闸工程结构设计所采用的设计准则仍为单一安全系数法,该方法不能定量、科学地反映水闸工程的可靠性。遵照《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199-94),在查阅了国内外大量相关文献资料基础上,主要进行了土基上水闸抗力参数统计特征,闸室抗滑稳定承载力极限状态表达式的提炼以及分项系数的研究,首次较系统地提出了土基上闸室抗滑稳定的承载能力极限状态表达式及分项系数(套改),并以四川省七座水闸工程予以检验其合理性。     

基于有限元法的闸室抗震安全评价

由于我国建设初期的水闸工程设计经验有限,未充分考虑到闸室抗震的实际需要,设计标准偏低,需要进行抗震安全复核。以某水闸为例,由于其初设时未考虑抗震因素,但水闸位于地震基本烈度Ⅷ度区,运用有限元软件ANSYS建立模拟水闸基础及上部结构的三维模型,采用模态分析反应谱法进行了地震动力计算分析。结果表明:地震荷载作用下闸室最大沉降为31.43 mm,闸底板平均沉降26.18 mm,处于安全范围之内;地基土层最大沉降变形集中发生于闸室地板边缘向下、土层Ⅰ、土层Ⅱ、土层Ⅲ上部,土层Ⅱ部分沉降变形30 mm左右,在8级地震下有可能发生液化。闸室最大压应力为0.465 MPa,最大拉应力为-76.76 k Pa,满足规范要求。闸室抗滑稳定性不满足要求,地震条件下闸室带阻滑板抗滑稳定安全系数为0.944,不带阻滑板抗滑稳定安全系数为0.708,均小于允许抗滑稳定安全系数1.05的要求,建议闸室拆除重建。     

近海风电筒型基础风机结构地震 动力响应分析

为研究近海风电筒型基础风机结构的地震动力响应,基于ABAQUS软件的UMAT平台嵌入了能够反映土体非线性与滞后性的等效线性动本构模型,考虑土—结构相互作用（soil-structure interaction, SSI）,针对国内某近海风力发电系统构建“桨叶—塔架—筒型基础—土体”的有限元—无限元耦合分析模型,在静力分析的基础上采用时域分析法对其进行动力响应分析。研究表明,SSI效应会降低结构的自振频率;在地震动作用下,该风机高塔结构水平向加速度响应在塔架2/3高度附近处最大,竖向加速度响应则沿塔架高程一直增大,且其放大效应强于水平向。     

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。     

自振式水工闸门整体体系动力特性研究

为更好地分析自振式闸门利用振冲液化减阻的相关机理和技术，开发了一套利用振冲液化开启泥沙淤堵闸门的数值分析方法，并利用开发的方法进行了动力特性和反应分析研究。针对自振式水工闸门结构的特点，引入土料的三维真非线性动力本构模型，并通过比奥固结理论来考虑土体振动过程中孔压的消散和扩散过程，同时采用新开发的三维有厚度薄单元来模拟土与闸门的接触面特性，建立了适用于自振式水工闸门结构体系的三维真非线性有效应力动力反应分析方法，对自振式闸门结构整体体系进行了动力特性分析，给出了振动频率和振型，可作为动力分析的基础。     

Slide软件在水闸渗流计算中的应用及分析

土质地基上水闸基底渗透压力计算对水闸的防渗排水设计较为关键,改进阻力系数法作为一种近似计算方法,由于精度较好已被推广采用,但地下轮廓复杂时计算过程十分繁琐,技术规范要求复杂土质地基上的重要水闸采用数值计算法求解。结合工程实例,采用Rocsciencee公司研发的Slide有限元软件对闸基渗流问题进行计算,并与改进阻力系数法和Autobank有限元分析法的计算成果进行对比,相同工况下3种计算结果表明:Slide软件可较好的解决水闸渗流计算问题,成果可靠、计算高效;数值计算法得到的渗透坡降较改进阻力系数法偏安全,获得的渗流要素更为全面、直观。     

土体结构性数值模拟及应用研究

随着现代地基原位取土技术的发展以及对土体微观结构认识的提高,越来越多的研究认识到未扰动状态下的自然原状土与重塑土相比其力学特性存在显著差异。为研究土体结构性的影响,在剑桥模型基础上考虑超固结与结构性状态变量因素的影响,在上下负荷面剑桥模型理论框架下,通过三轴压缩试验对结构性土的受力响应特性进行了模拟试验研究,对受结构性因素影响下土体的屈服过程、可压缩性、在循环加载作用下超孔隙水压的发展以及相应状态变量演化规律进行了详细对比分析。试验研究结果表明:与重塑土相比,结构性土的加载响应存在明显的屈服软化过程,加载过程中伴随着结构性的破坏表现出更高的可压缩性且更容易导致动力液化的发生。在对土体结构性详细研究的基础上,通过数值模拟桩柱结构在自然地基环境下的地震响应,对结构性因素对结构动力响应的影响进行了研究分析。研究结果表明:由于更高的非线性以及可压缩性特征,自然原状土地基在地震作用下能够引起更高的超孔隙水压,加速土体力学强度的衰减进程,进而表现出更大位移响应以及震后塑性位移,直接影响结构的稳定与安全。研究结论加深了对自然土体结构性的认识,可为高结构性自然原状土地基条件下的结构受力分析与设计提供参考。     

深厚覆盖层高土石坝地震加速度响应分析

采用二维有限元软件GeoStudio对高土石坝进行动力响应分析,应用等效线性方法计算深厚覆盖层上高土石坝的地震加速度分布情况,对比分析了不同坝高、不同覆盖层厚度以及不同抗震设防烈度下所得到的加速度分布规律。结果表明,以上三方面因素对地震加速度响应均存在不可忽略的影响。     

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。