库水-淤砂层-坝体-坝基体系地震响应分析

针对我国西部水利工程结构面临的地震安全问题，特别是混凝土高拱坝的抗震安全设计，以小湾水电站混凝土高拱坝为研究对象，进行了库水-淤砂层-坝体-坝基体系的耦合动力分析，同时考虑了复杂的坝基地形、正常蓄水位的库水以及常年运行而堆积的淤沙层的影响。主要内容有：(1)基于传递矩阵法及二维有限元，实现了复杂峡谷地形的自由场计算；(2)基于水-饱和多孔介质-固体的统一计算框架，实现了库水-淤沙层-坝体-坝基体系的三维地震响应分析算法。最后，分别以脉冲波和地震波作为输入，探讨了小湾拱坝的地震响应规律及库水淤沙层对拱坝地震响应的影响。结果表明：坝体顶部中心区域会承受较大的拉、压应力；而库水底部淤砂层对坝体的位移及应力影响并不显著。     

瀑布沟心墙堆石坝地震响应分析

在高地震烈度区修建深厚覆盖层上的高土石坝面临许多问题,如大坝的动力稳定、坝基液化问题等,非常有必要对大坝的地震动力响应进行力学分析,以便为设计和施工提供指导。对瀑布沟大坝进行了三维地震动力响应有限元分析,就动力工况下芯墙、防渗墙的抗震能力及基础砂层的液化可能性等进行了研究,并提出了一系列针对坝体结构、材料等的优化措施。通过地震三维有限元分析,并采取一系列针对措施,坝体综合抗震能力得到了提高,可以满足有关规程规范要求,所得结论可以为类似工程提供参考和借鉴。     

深厚黄土覆盖层上土石坝地震响应特性分析

采用非线性有限单元法和笔者曾提出的动孔压试验曲线法,对某深厚黄土覆盖层上土石坝进行了有效应力法地震响应分析,重点分析大坝的绝对加速度、动位移和动应力等动力响应及动孔隙水压力分布情况。分析结果表明,在现有设计条件下,由于坝基软弱黄土覆盖层较厚,大坝在7度地震作用下地震响应不强烈,但坝基黄土覆盖层会出现液化情况,需采取相应的抗液化工程措施。     

三种介质耦联系统动力反应分析的显式有限元法及其应用

在笔者已建立的流体饱和多孔介质动力分析的显式有限元法的基础上，提出了可分析任意形状的流体饱和多孔介质-单相弹性固体介质-理想流体介质耦联的复杂系统的动力响应的显式有限元方法．该方法建立的有限元方程列式具有解耦特征，不需求解联立方程组，因而极大地提高了计算效率．将这一方法用于分析了考虑库水、坝、淤泥层和基岩这一复杂系统动力相互作用问题的斜坝面的地震响应，并给出了一些计算结果．      

考虑流固耦合效应的辽宁葠窝水库溢流坝段抗震性能分析

针对辽宁葠窝水库混凝土重力坝抗震问题,采用耦合的拉格朗日-欧拉有限元分析技术,建立了可考虑库水-坝体-基岩动力耦合效应的典型溢流坝段抗震分析数值模型。模型中,采用等效一致粘弹性边界模拟基岩的人工截断边界;采用混凝土弥散裂缝本构模型模拟混凝土的动力特性。根据烈度与地震动之间的关系,确定了水库坝体抗震设计的输入加速度峰值。据此,分析了在不同季节水位变化条件下坝体地震反应的基本特性。研究表明：完好的辽宁葠窝水库混凝土重力坝溢流坝段能满足8度的抗震设防烈度要求。地震下溢流坝段峰值位移出现在胖坝和瘦坝的坝顶迎水面位置处,胖坝的动位移较瘦坝动位移大。胖坝在闸墩与溢流堰交接处出现了拉应力最大值。有库水条件下,瘦坝峰值拉应力出现在坝趾处,无库水条件下,瘦坝最大拉应力出现在溢流堰与闸墩交接处。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

强震作用下深厚砂质覆盖层土坝有效应力动力分析

利用基于Biot的饱和多孔介质理论和砂土多重机构模型的动力分析有限元程序FLIP,对遭受M6.7地震的国外某深厚砂质覆盖层土坝进行有效应力动力分析,研究坝体和地基的动力反应特性及其超静孔隙水压力的分布规律。通过对坝体加速度和永久变形的计算结果与现场实测数据的比较分析,证明两者之间存在一定差异,但计算结果基本上反映坝体加速度与永久变形的实际分布特征,从而说明采用的数值计算方法和本构模型具有一定精度。根据计算结果可以得出:坝体无液化发生;坝底上游浅层地基可能会发生局部液化,但范围较小,可以不进行加固处理;坝趾附近浅层地基可能会发生较大范围的液化,因此须采取相应的抗液化加固措施。     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明：地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。     

基于IDA的金安桥混凝土重力坝潜在失效模式研究

为了研究混凝土重力坝在地震动荷载作用下的潜在失效模式,以金安桥碾压混凝土重力坝5号非溢流坝段为例,运用粘弹性边界法和流固耦合法建立了反映重力坝在地震动作用下动力响应特征的坝体-地基-库水抗震分析模型。基于增量动力分析（IDA）法:绘制了以相对位移转角为x轴（损伤指标,DM）和峰值地面加速度为y轴（强度指标,IM）的IDA曲线簇;分析了金安桥大坝在极端荷载作用下的潜在失效模式和其在不同峰值地面加速度下重力坝的损伤破坏过程。结果表明:金安桥大坝在地震动荷载作用下,可能发生功能失效的地方多出现在坝体折坡处、碾压分区交界处、坝踵与坝基交界处、廊道顶等应力集中处。因此,加强对这些区域的抗震防护有利于提高大坝整体的抗震水平。     

倾斜地层地震液化和滑移的有限元分析

应用饱和多孔介质动力学分析倾斜地层的土壤动力线性反应、液化和液化滑移问题，地下水位上的地层简化为单相介质层，饱和夹砂层看作是两相介质，水是可压缩的，采用双曲线非线性本构关系，考虑了砂土的剪胀性、刚度退化、滞回特性和土水相对运动等因素。基于土力学模型，建立了适用于分析非自由场地液化的动力方程组，基于是否考虑发生渗流问题，同时建立了两种离散形式：一种是以土骨架位移和水位移为未知量的矩阵方程，另一种是以土骨架位移、水位移和孔隙水压力为未知量的矩阵方程，初步分析了适用于多孔介质波动模拟的离散模型的人工边界问题，形成的方法将有助于问题的解决。     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

基于流固耦合两相介质动力模型的饱和土体—地下结构体系地震反应研究

基于ABAQUS有限元软件平台,应用流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟场地饱和土体,进行了饱和土体-地下结构地震反应的计算研究。结果表明：在地震输入的最后时刻结构的两侧底角区域应力值最大;土体的孔隙压力和竖向位移主要集中在结构下方的区域,结构两侧土体的孔压与竖向位移呈对称分布;场地土体的竖向位移随深度的增加逐渐减小;体系最大地震反应出现的时刻对应于输入地震动的最大加速度出现的时刻。表明了流固耦合两相介质动力模型孔压单元在饱和土体-地下结构体系地震反应研究中的有效性。     

地球物理技术在大坝抗震研究中的应用

水工建筑物的场址和结构都十分复杂,涉及到坝址河谷地震动输入及坝体、库水、地基综合体系的动力相互作用和不同介质动态耦合等前沿课题.这些课题的解决有赖于多学科的配合.特别是地球物理学在水坝抗震中得到了广泛的应用.主要应用表现在为大坝抗震设计提供设计地震动参数、进行大坝的模型和原型抗震试验、大坝的强震安全监测、水库诱发地震等方面.     

二维非均匀饱和土体的地震反应分析

将饱和土体视为由弹性骨架和不可压缩流体组成的两相孔隙介质,取固相位移,液相位移,孔隙水压力为场变量。从两相孔介质的动力耦合微分方程出发,利用伽辽金原理和Ｗｉｌｓｏｎ－θ法导出了三场有限元积分方法,该方法可进行二维非均匀饱和土体的地震反应分析,文中通过算例讨论了非均匀饱和土体地震反应的一些特征。     

平面P-SV波入射时非均匀饱和土 自由场地的响应

基于Biot多孔介质波动模型,研究了非均匀饱和土层对平面P-SV波入射时的动力响应.考虑饱和土地基的物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用亥姆霍兹矢量分解原理和动力刚度法,分析了平面入射P-SV波在非均匀饱和土层中的反射和透射,并给出了基岩表面和自由表面处反射系数和透射系数的计算表达式.基于理论推导结果,数值分析了平面SV波入射下非均匀饱和土自由场地的动力响应,其中假设饱和土地基的物理力学性质沿土层深度按幂律梯度变化.数值结果表明,平面SV波入射所引起的地面位移与基岩位移之比均随土层厚度和土体的非均匀程度、波的入射角和入射频率的增加而减小,且其竖向位移比的减小更为显著,厚土层对地震波的耗散作用尤为明显.      

处于海洋环境的桩柱在瑞利波作用下的响应

本文以一海洋深水环境桩柱为例,考虑到海洋地基为两相饱和土介质,基于Biot两相饱和多孔介质理论,通过数值算例分析了饱和介质中瑞利波加速度、位移分布规律并与单相弹性介质地基条件下进行了对比,结果表明,瑞利波主要作用于地表附近且振动幅度随深度衰减很快,饱和地基下的瑞利波影响深度要大于单相弹性地基,在瑞利波地震作用下,考虑两相饱和介质下的桩柱位移响应大于单相弹性介质地基。并且由于桩柱处海洋深水环境,本文对环境水体对桩柱振动响应的影响进行了研究,结果表明,流固耦合效应可明显降低桩柱运动响应,在海洋深水环境地震响应分析时,有必要考虑饱和地基以及流固耦合效应对桩柱运动响应的影响。     

液化场地水库土石坝地震动力响应研究

基于有限差分法基本原理,采用FLAC3D软件对水库大坝在地震作用下的动力响应进行分析,研究地震强度、水库蓄水高度等对坝体稳定性的影响。结果表明:随着地震强度增加,坝基液化程度加剧,诱发的坝顶竖向沉陷增大;随着蓄水高度的增加,坝基液化程度和范围增大,坝顶竖向沉陷变形增大。当蓄水高度为10 m,地震峰值加速度为0.4 g时,坝顶沉陷量约为0.13 m,坝体稳定性降低,出现明显的潜在滑动面。因此在水库大坝选址、设计和施工中应注意可液化地基的地震灾害并做好相应的抗液化及加固措施。     

考虑土骨架非线性的饱和土-结构相互作用分析

强地震作用下,饱和土体将进入非线性,有必要考虑非线性饱和土的地震响应以及非线性饱和土-结构相互作用问题。本文采用Biot饱和多孔介质模型,基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov模型来描述近场区域内饱和土骨架的非线性特性,并采用集中质量显式有限元方法进行分析;远场区介质假定为线弹性饱和多孔介质,通过多次透射人工边界进行模拟;结构采用Newmark隐式时步积分方法进行分析。通过自编程序实现了非线性饱和土体的地震反应分析以及非线性饱和土-基础-结构相互作用分析。通过算例,对比分析了土体非线性对饱和土体、基础和结构反应的影响。     

强震区高面板堆石坝抗震安全性评价

针对西部强震区高面板堆石坝,在三维非线性动力有限元分析基础上分析评价了面板堆石坝的加速度和应力反应、面板的应力及接缝变形、坝体地震残余变形、坝体单元抗震安全性、坝坡的抗震稳定性,对大坝的抗震安全性进行了综合评价。所提出的抗震安全性评价方法以及有关规律和结论可供工程建设参考。