波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

波浪作用下黄河三角洲粉质土海床动力响应分析

应用饱和土动力固结理论和Pastor-Zienkiewicz III动力本构关系,对波浪作用下黄河三角洲粉质土海床的动力响应特征进行了有限元分析,应用总超孔压准则对海床进行了液化判别,并将计算结果与现场观测资料进行对比。结果表明：波浪导致的海床超孔压由瞬态孔压和累积孔压两部分组成;相比均质海床,拥有表面硬层的海床瞬态孔压沿深度衰减更快,累积孔压在表层增长速度更大;不同波浪条件下,瞬态孔压值及其变化趋势较为一致,累积孔压则具有较大的不同。年平均波浪条件下海床不会发生液化;5 a和50 a一遇极端波浪条件下,考虑三维效应和具有表面硬层的海床更容易液化,最大液化深度在海床表面以下2～3 m范围内。计算所得的海床最大液化深度与实测的黄河三角洲海底灾害地貌深度有较好的一致性,表明了文中方法的有效性和合理性。     

饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应研究

饱和土场地-桩基-地上结构体系中,饱和土与结构分别具有不同控制方程和计算方法,造成有限元计算的不便。基于Client-Server技术,通过两个子程序分别计算饱和土和桩基-上部结构的动力响应,并利用土体和结构的共同节点传递两者间的作用力与位移,建立了一套求解饱和土-结构相互作用问题的交互式计算方法,其中饱和土采用基于u-p（其中u表示固相位移,p表示孔压）方程的全显式时域积分法求解,有效提高计算效率。最后,通过与Newmark法的数值结果进行对比,验证了提出方法的正确性,并说明该方法可以应用于求解饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应问题。     

饱和土地下源U-P形式解答动力响应计算

一直来,由Biot孔隙弹性动力方程得到的饱和土地下源Green函数都是u-w形式(u固相介质位移,w流相相对于固相的平均位移)。本文应用两相介质纵波解耦理论,得到了饱和土半空间地下点源荷载的u-p形式(p为孔压)Green函数频域解答;克服了u-w形式Green函数在BEM积分时的增根影响。再由Hankel反演,结合Somigliana表象积分,完成BEM计算。并以计算结果分析了地下集中力作用时,饱和土位移、孔压、排水量等动力特性,这对地铁等交通工程、地震工程、土-结动力相互作用(SSI)的响应计算都具有较重要应用价值。     

饱和土地下源U-P形式解答动力响应计算

一直来,由Biot孔隙弹性动力方程得到的饱和土地下源Green函数都是u-w形式(u固相介质位移,w流相相对于固相的平均位移)。本文应用两相介质纵波解耦理论,得到了饱和土半空间地下点源荷载的u-p形式(p为孔压)Green函数频域解答;克服了u-w形式Green函数在BEM积分时的增根影响。再由Hankel反演,结合Somigliana表象积分,完成BEM计算。并以计算结果分析了地下集中力作用时,饱和土位移、孔压、排水量等动力特性,这对地铁等交通工程、地震工程、土-结动力相互作用(SSI)的响应计算都具有较重要应用价值。     

饱和土地下源u-P形式解答动力响应计算

一直以来,由Biot孔隙弹性动力方程得到的饱和土地下源Green函数都是u-w形式（u为固相介质位移,w为流相相对于固相的平均位移）。应用两相介质纵波解耦理论,得到了饱和土半空间地下点源荷载的u-P形式（P为孔压）Green函数频域解答;克服了u-w形式Green函数在边界元（BEM）积分时的增根影响。再由Hankel反演,结合Somigliana表象积分,完成BEM计算。并以计算结果分析了地下集中力作用时,饱和土位移、孔压、排水量等动力特性,这对地铁等交通工程、地震工程、土-结构动力相互作用（SSI）的响应计算都具有较重要应用价值。     

波浪荷载下饱和粉土不排水动力特性试验研究

确保海床场地的动力稳定性是近海工程安全运行的前提。目前针对复杂应力路径对海域环境饱和粉土动力学行为特性的影响研究尚属少见。利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验,模拟波浪的波幅大小和海床深度变化,以广义剪应变γg=5%为液化标准,研究了均等固结条件下循环应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土不排水动力特性的影响。结果表明:CSR与δ值的大小对饱和粉土的超静孔压与变形发展特性影响显著,圆形应力路径(δ=1)循环加载时饱和粉土最易液化;当CSR≤0.050时,饱和粉土不会发生液化;当CSR≥0.065且δ=1时,饱和粉土会发生液化;CSR> 0.150时,粉土易发生液化。γg与孔压比ru的相关性受CSR与δ值大小的影响较小,且γg可表示以r_u为变量的正切函数。以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和粉土达到γg=5%所需的液化振次NL与施加的ESR值具有事实上的唯一性关系,ESR随NL的增大而减小。     

粘弹性准饱和土中球空腔的动力响应

从工程实际出发,采用粘弹性两相介质模型,考虑土骨架的粘性以及流体与固体之间的耦合作用,利用Laplace变换求解了粘弹性准饱和土中球空腔的动力响应问题,得到了变换域内的解析解。借助数值Laplace反变换,数值分析了粘弹性准饱和土中球空腔动力响应的位移、应力及孔压的变化规律。为分析地下结构动力响应提供了一种有效的方法,模型符合工程实际,有一定的工程应用价值。     

波浪导致黄河口海床沉积物超孔压响应现场试验研究

黄河口海床特殊的工程地质性质与复杂的工程动力稳定性问题,均与海床沉积物在波浪荷载作用下的孔压动力响应密切相关。在现代黄河水下三角洲潮间带岸滩选择4个典型研究点,现场模拟波浪作用对原状海床沉积物实施循环加载,利用孔隙水压力观测、沉积物强度测试、样品采集与实验室土工测试等方法手段,测定黄河口原状海床沉积物在循环荷载作用不同阶段的孔压响应与强度变化。研究发现,黄河口原状海床沉积物在经历循环加载过程中,典型的超孔压响应可分为逐渐累积、部分消散、快速累积、累积液化和完全消散5个阶段,分别对应沉积物强度的衰减、增大、衰减、丧失和恢复过程,沉积物的粒度组成与结构性强弱决定了超孔压的具体响应模式。波浪导致原状海床液化深度受沉积物的干密度、孔隙比、饱和度等初始物理性质影响显著,细颗粒组分的相对含量高低也在很大程度上控制着沉积物的液化特性。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

考虑波致孔压累积与应力耦合效应的埋置管线周围海床响应特征与机制分析

波浪导致的海床液化是埋置管线失稳的一个重要因素。超静孔隙水压力累积引起的液化深度较深,对海底管线稳定性的影响较大,因此波浪作用下管线-海床系统的累积响应特征一直受到研究者的重点关注。本文基于考虑孔压累积与海床应力耦合发展的数值计算模型,对非线性行进波作用下含埋置管线的海床累积响应特征进行了模拟计算,并与非耦合模型的计算结果进行了对比分析,结果表明,当考虑孔压累积与海床应力的耦合效应时,管线附近累积孔压在水平方向上的不均匀分布会导致海床循环剪应力的增大,从而会极大地促进管线周围海床累积孔压的发展,增大管线的影响范围; 忽略孔压累积与海床应力的耦合效应,会在一定程度上低估管线周围海床的液化深度,不利于管线的安全。     

平面P1波入射下海底隧道与海床土交界面滑移接触效应解析解

基于理想流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑工程实际中海底隧道与周围海底土体的滑移接触关系,建立了含滑移界面海底隧道模型,该模型还考虑了海水-海床土-海底隧道的动力相互作用。采用Hankel函数积分变换法和波函数展开法,推导了平面P₁波入射下海底隧道与周围海底土体滑移接触界面效应的解析解。在解析解的基础上,通过数值计算分析了滑移接触条件对海底隧道地震动力响应的影响。计算结果表明：滑移接触条件对海底隧道的位移响应和应力响应影响明显;考虑隧道-海床土界面滑移接触条件下海底隧道的位移响应和应力响应显著高于界面无滑移条件时的位移响应和应力响应。     

简谐荷载作用下饱和土体中圆形衬砌隧道三维动力响应分析

研究了全空间饱和土体中圆形衬砌隧道在径向简谐点荷载作用下的三维动力响应,将衬砌用无限长圆柱壳来模拟,土体用Biot饱和多孔介质模型来模拟,引入两类势函数来表示土骨架的位移和孔隙水压力,并利用修正Bessel方程来求解各势函数,结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答,最后进行Fourier逆变换得到时间-空间域内的响应。通过算例分析了荷载振动频率和土体渗透性对土体和衬砌位移响应及土体孔压的影响。结果表明,饱和土体和弹性土体的位移响应具有明显区别。随着荷载频率的增大,土体和隧道位移幅值减小,土体孔压幅值增大;随着土体渗透性增大,土体位移及孔压幅值减小。     

含软夹层的层状沉积河谷场地的地震动力响应分析

把层状沉积河谷场地中的软夹层模拟为流体饱和多孔介质,结合已有的对单相弹性固体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,建立了既能描述沉积河谷谷底的软土场地（用流体饱和多孔介质描述）,又能描述河谷周边山体（用单相弹性介质描述）的计算模型,并利用该方法分析了研究在P波入射下软夹层厚度以及软夹层的刚度等因素对层状沉积谷场地地震动力响应的影响。     

饱和多孔介质动力响应移动单元法分析

移动单元法在处理移动荷载下结构动力行为分析方面具有求解高效的优势,但目前针对饱和多孔介质动力响应的移动单元法的研究成果甚少。根据饱和多孔介质u-p格式动力控制方程,利用移动坐标系建立了饱和多孔介质瞬态及稳态动力控制方程的移动单元列式,通过编制相应的计算程序将计算结果与已有文献结果对比验证了算法的正确和有效性。基于移动单元法建立了移动荷载下饱和沥青路面-弹性基层系统计算模型,分析了移动荷载下该模型的瞬态动力响应规律,并与其稳态动力响应进行了对比分析,分析表明,其水动力特性较稳态响应呈现出明显的瞬态效应。基于稳态动力响应结果分析了荷载速度、排水边界、渗透系数对饱和沥青路面动力响应的影响规律,算例研究结果可以为分析水动力作用下沥青路面水稳定性功能损伤机制提供参考。     

基于精细时程积分的饱和两相介质波动问题时域解法

针对u-p形式的饱和两相介质的波动方程,采用精细时程积分方法计算固相位移u,采用向后差分算法求解流体压力p,建立了基于精细时程积分技术的饱和两相介质波动问题的时域求解方法。针对标准算例,将该方法的计算结果与可视为标准结果的Zienkiewicz隐式算法的计算结果进行比较分析,二者符合较好,表明了该方法具有良好的计算精度。同时,该方法的计算过程为交替迭代求解,避免了在每个时间分析步上求解耦联方程组,因而具有较高的计算效率。该方法具有时域显式计算方法的基本特点,是进行饱和两相介质动力问题计算与分析的一种有效方法。     

软弱饱和土夹层对地铁车站地震响应的影响分析

震害调查表明,当地下结构处于非均匀场地、软土层或在结构侧边存在软土夹层等复杂地质环境条件时,地下结构更易遭到损坏。因此,将对含有软弱饱和土夹层场地中地铁车站的地震响应进行分析。结合已有的单相介质和流体饱和多孔介质动力分析的显式有限元方法,考虑了土层中存在软弱夹层的情况,把软弱夹层模拟为流体饱和多孔介质,建立了适用于含软弱饱和土夹层场地中地铁车站结构地震响应分析的有限元方法;进行建模数值计算,分别给出了3条具有不同频谱特性的实际地震记录以P波形式入射下地铁车站结构关键位置的地震动响应,并分析了软弱夹层的位置、厚度等因素对地铁车站结构地震动响应的影响。分析结果表明,软弱夹层对地铁车站结构地震动响应具有非常不利的放大作用,且当软夹层位于地铁车站中部时,放大作用最不利。     

流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,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性动力反应进行计算和分析;对在是否考虑孔隙流体渗流的两种情况下计算得到的两相介质弹性动力反应结果的差异进行对比研究,从而揭示孔隙流体渗流对两相介质动力反应性质的影响。计算结果表明：两相介质弹性动力反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性动力反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻;孔隙流体的渗流将对两相介质的弹性动力反应性质产生显著的影响。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性动力反应计算分析的一种有效的方法。     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

近海欠密实砂质海床内波致渐进液化特征研究

利用一个经过广泛验证的数值模型FSSI-CAS 2D为计算工具,采用砂土的高级本构模型Pastor-Zienkiewicz-Mark III (PZIII) 描述海床砂土的动态力学行为,定量研究松散海床地基土在波浪作用下,其内部的液化过程和特征,以加深对波致海床液化特征、性质的认识。计算结果分析表明,开发的耦合数值模型FSSI-CAS 2D能够很好地捕捉到波浪作用下欠密实海床的动力响应特征,以及海床内的累积液化过程等一些列的非线性物理现象。研究表明,波浪导致的松砂海床液化是一个渐进过程,海床表面首先液化,并逐渐向下扩展。