覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

地基非线性波动问题中黏-弹性人工边界研究

建立了考虑地基动力非线性效应的波动模拟的二维和三维黏-弹性人工边界条件。引入考虑动力非线性特征的土体等效线性模型中的动模量变化模式,推导了新的平面内法向、平面内切向以及出平面切向的黏-弹性人工边界公式,同时也给出了新的三维法向、切向黏-弹性人工边界公式,并在实际应用中采用等效线性化方法处理,进行了数值算例分析,结果表明,新的黏-弹性人工边界具有更好的精度,可以用于地基非线性波动问题的研究。     

一维问题的等效远置动力人工边界条件

在土-结构动力相互作用分析中,黏性人工边界条件和黏弹性人工边界条件虽具有计算效率和精度较高的优点,但施加边界单元的工作量较大;远置边界虽然具有处理技术简单、精度高等优点,但又存在计算成本高的问题。为克服黏性人工边界和黏弹性人工边界施加边界黏弹性单元工作量大、远置边界计算成本高的缺点,基于波的传播理论和波在介质交界面上的反射、透射原理,通过设置完全透射层并大大降低波在透射层的传播速度的方法,提出了一种等效远置动力人工边界条件并对其进行数值验证分析。研究结果表明,所提出的等效远置动力人工边界条件仅需通过合理选取透射层的参数,即可实现反射波向无限地基传播的模拟,具有精度和效率较好、不需施加边界单元工作量等优点,可应用到土-结构动力相互作用分析当中。     

三维黏弹性介质人工边界研究

为了得到适于分析非线性结构-地基相互作用问题的人工边界,结合弹性波理论与黏弹性理论,推导出了适于模拟三维黏弹性远场介质辐射阻尼的人工边界,并对其模拟远场地基辐射阻尼的性能及相应地震波动输入方法进行了研究。结果表明：在结构-地基动力相互作用问题中,得到的黏弹性人工边界模拟计算域外远场黏弹性介质的辐射阻尼具有理想精度;不论是简谐波还是非简谐波,地震波动输入都取得了理想结果;在黏弹性介质条件下自由地表处的总场位移幅值n是输入波幅值的 倍。     

水泥土搅拌桩复合地基震动性能时程分析

采用大型通用有限元程序ADINA,针对一例水泥土搅拌桩复合地基-基础-上部结构典型算例,建立了数学模型,并进行了有限元动力时程分析。计算模型中将水泥土搅拌桩和桩间土作为整体参与计算,复合土体和土体采用线性黏弹性动力本构模型,上部结构和基础采用线弹性本构模型,通过在边界设置阻尼器来模拟无限域中的动力人工边界。通过数值计算研究了复合土体模量、土体模量和加固深度对加固区和非加固区位移峰值、速度峰值和加速度峰值的影响,从而为水泥土搅拌桩复合地基抗震加固设计提供参考依据。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法

由人工截断边界输入地震波,通过时程积分法确定地震荷载作用下边坡的应力和变形,在人工截断边界上采用黏-弹性人工边界条件模拟地基辐射阻尼的影响。采用有限元强度折减法求解边坡稳定安全系数,以塑性区贯通时刻特征点的位移突变作为边坡失稳的评判标准。非线性有限元和黏-弹性人工边界条件结合运用,建立了基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法。该方法在稳定安全系数的定义上和传统的刚体极限平衡法是一致的。以十里铺水电站为工程实例,分析了库区边坡的抗震稳定性,得出了边坡动力位移时程和动力稳定安全系数,计算结果合理评价了实际工程在地震荷载下的稳定性。     

边界条件对土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,需要对有限网格的边界条件进行处理,以反应实际地基在空间上的无限性。分别采用黏性边界和刚性边界,对土石坝进行了动力分析。结果表明：随着坝高增加,黏性边界对坝顶加速度反应影响逐渐增大;对于均质坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低10 %～30 %;对于实际双江口直心墙土石坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低30 %～40 %左右。     

饱和黏弹性地基土中管桩纵向振动研究

用解析方法在频率域内研究考虑质量耦合效应的饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动特性。基于Biot理论,采用薄层法,推导得到饱和黏弹性地基土的位移、应力等的表达式。将管桩等效为一维弹性杆件处理。根据界面连续性条件,给出饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动一般分析方法和桩顶动力复刚度的表达式。在该基础上,对比分析饱和地基土中实心桩和管桩纵向振动特性。通过算例分析,考察桩周土和桩芯土的力学参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响。研究表明,饱和黏弹性地基土中实心桩和管桩的纵向振动有明显的差异。     

移动荷载下高铁路基段振动加速度频谱衰减特性

采用精细化和多尺度建模技术,建立了设计速度为350 km/h的双线高速铁路轨道-路基-地基非线性耦合系统的真三维动力分析模型,将地基土和路基填筑材料的非线性纳入分析模型中,采用三维黏弹性静-动力统一人工边界技术对地基无限域进行模拟,采用动接触算法模拟底座板底面和基床表层表面之间的相互作用,考虑移动荷载作用前路基-地基中客观的静应力状态对后续动力计算的影响,依托大规模并行计算技术和单元生死技术,模拟了地基的初始应力场生成、路基结构和轨道系统的施工过程,在此基础上模拟了与8辆编组的某型动车组轮对空间位置相对应的、作用于钢轨顶部的压力荷载的移动过程。基于分析结果,归纳了移动荷载作用下高速铁路轨道-路基-地基系统中振动加速度频谱的衰减特性。     

黄土动力特性试验及深厚黄土地基上土石坝抗震分析研究

对某深厚黄土地基上土石坝的坝基黄土和筑坝黄土进行动三轴和共振柱等动力试验,求得其动强度、动应力-应变关系,以及用于计算动孔压的动孔压特性曲线及其他动参数。在静力分析的基础上对大坝连同地基进行了三维有效应力动力分析。计算表明,Ⅶ度地震下黄土坝基会出现液化,危及大坝安全。为此,建议了距上下游坝脚一定范围内对坝基进行填土压重的经济便利的大坝抗震措施,并对填土压重的抗液化效果进行了优化分析,最终得到经济合理的填土压重范围和压重厚度。     

ABAQUS动力无限元人工边界研究

针对动力场天然无限地基的数值模拟与地震波输入问题进行了一些有意义的研究,评述了现有动力计算常用无限元的优缺点,详细阐述了ABAQUS无限元理论体系框架,并加以改进,提出一种考虑外域地震动影响的ABAQUS动力无限元人工边界。采用等效边界力的叠加原理,对入射波和散射波分开处理,视入射波和散射波在边界上互不影响,将输入地震动转化为作用于有限元无限元交界面上的等效应力的方法来解决外源波的入射问题。算例验证结果表明：内源振动和固定边界会出现失真和扰动现象,同时该计算结果与黏弹性边界的计算结果对比可知,该方法对外行散射波的过滤作用优于黏弹性边界。因此,改进的ABAQUS动力无限元人工边界理论方法有效且具有一定的稳定性。     

Parametric study using FEM for the stability of the RCC Tannur dam

Parametric study was carried out in this paper using the Finite Element Method (FEM) to study the effects of variations of the two parameters, i.e., variations in batter slope and foundation properties under static and dynamic loading conditions on the distribution of the peak stresses within the dam and foundation soils. The response spectra for the operating basis earthquake (OBE) and the maximum credible earthquake (MCE) were used in the dynamic analysis. It is shown that the distribution of peak stresses across base of dam and the extent of tensile zone on the foundation soils at the foundation level vary with the variations in the batter slope. Generally, as the batter slope increases the extent of the tensile zone at the foundation level decreases but not necessarily the maximum tensile stresses. However, an optimum batter slope could be achieved based on the results of this parametric study. It should be noted that the greatest tension is developed in the rock adjacent to the toe of the batter. For the foundation mechanical properties, it has been shown that the assessment of accurate soil mechanical properties has a great effect on the computed design stresses from finite element analysis. However, the greatest effect of the foundation properties was on the stresses at the base of dam while it has a negligible effect within the dam body.     

Time-domain dynamic analysis of dam–reservoir–foundation interaction including the reservoir bottom absorption

In this paper, time-domain dynamic analysis of dam–reservoir–foundation interaction is presented by coupling the dual reciprocity boundary element method (DRBEM) in the infinite reservoir and foundation domain and the finite element method in the finite dam domain. An efficient coupling procedure is formulated by using the sub-structuring method. The effects of the reservoir bottom absorption are included in the formulations. Sharan's boundary condition for the far-end of the infinite fluid domain is implemented. To verify the proposed scheme, numerical examples are carried out by comparing with the available exact solutions and finite–finite element coupling results for the dam–reservoir interaction. A complete dam–reservoir–foundation interaction is also studied by including the bottom absorption effects. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

Dynamic response of concrete gravity dams including dam–water–foundation interaction

In this paper, the gravity dam–water–foundation system including the physical and mechanical properties of the sediment at the reservoir bottom is modelled using a finite element and infinite element coupling model. The sediment at the reservoir bottom has been assumed to be a viscoelastic solid medium. The effects of thickness, elastic modulus, Poisson's ratio and material damping of the sediment on the response of the dam have been studied. The related numerical results from this study illustrated that the existence of the sediment at the bottom of the reservoir has significant effects on the response of concrete gravity dams since the soft layer of the sediment plays two main roles in the dam–water–foundation system, the energy dissipation of the system and the amplification of the incident wave on the water–sediment interface. It is the amplified acceleration on the water–sediment interface that results in different mechanisms of the effect of the sediment on the response of the dam. Therefore, apart from the incident wave, the thickness, the softness and the damping ratio of the sediment can also affect the response of the dam.     

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。