倒T型导管墙桩基防波堤稳定性简化计算方法

倒T型导管墙桩基防波堤是一种重力式和桩基式混合而成的新型防波堤,具有复杂的承载机制和破坏模式。建立倒T型导管墙桩基防波堤稳定性分析的三维弹塑性有限元模型,分析极限状态下结构的位移场分布,得出其失稳模式为绕底板下且偏离桩基轴线一定距离的某点发生转动失稳。结合有限元法和极限平衡法,建立该新型防波堤的抗滑稳定性、抗倾稳定性计算的简化方法。与有限元计算结果的比较表明,建立的简化计算方法是可靠的。     

倒T型导管墙桩基防波堤桩基土抗力及稳定性简化计算方法

倒T型导管墙桩基防波堤作为新型港工结构,主要依靠桩基和自身重力维持稳定。以天津港水文地质条件为算例,建立三维弹塑性有限元模型,通过荷载-位移关系曲线,确定稳定性安全系数。分析极限状态下桩基沿环向与竖向的土压力分布,得出桩侧极限水平土抗力,并将有限元结果与美国规范API土抗力计算方法进行比较。造成防波堤结构失稳的原因主要有两个,即结构自身无法满足强度要求和土体达到极限。结构自身强度达到极限时,可用p-y曲线有限差分迭代法求取安全系数;土体达到破坏极限时,可分别假定转动点位于桩轴线上和偏离桩轴线两种情况,利用极限平衡法,建立抗倾稳定性简化计算方法。经验证,理论方法得到的稳定性安全系数与有限元结果比较接近。     

海上风电机组筒型基础工作及承载特性研究

筒型基础是一种新型的海上风电基础,由于其具有减少工程量、节省投资、缩短施工时间、可重复使用等优点,在某些领域正在逐步替代桩基和重力式基础。目前工程上对筒型基础的设计还没有现成的规范可供使用,一般是将筒内部土体与筒壁视为一体,然后采用简化的极限平衡方法进行设计计算,不能反映筒内土体的工作特性。以福建近海某风电基础工程为依托,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机单筒基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的受力特点,考虑基础隔舱的作用效果,建立了筒型基础的简化模型与有无隔舱的计算模型。计算结果表明：筒型基础在受荷过程中,基础内部土体产生屈服变形,使得筒型基础的承载特性不同于简化极限平衡方法。两者之间的差异使得实际的地基承载能力比极限平衡方法计算所得的要小。此外,对现行简化计算方法的误差进行了估计,并对筒型基础承载力计算提出建议,可供筒型基础设计者参考。     

横观各向同性软土地基上大圆筒防波堤稳定性研究

对于横观各向同性软土地基上沉入式大圆筒防波堤结构提出了一种准三维上限极限分析方法,所假设的破坏机制为大圆筒结构绕筒体内中轴线上某点发生转动失稳,泥面处形成楔体破坏,而筒底部形成圆弧滑裂面。本方法可以考虑土的三轴压缩、拉伸强度与直剪强度的差异。利用ABAQUS分别进行平面应变以及三维有限元分析,软土采用Hill本构模型,所得到的破坏模式以及大圆筒结构水平承载力与上限极限分析方法吻合较好,同时可以得出考虑地基土各向异性的大圆筒结构承载力比不考虑时有较大降低。     

降雨条件下土质边坡稳定性预测预报方法

降雨往往足引起热带和亚热带膨胀土、残积土边坡失稳的主要促发因素,考虑降雨影响的土坡稳定性预测预报是一个亟待解决的复杂的工程问题.简要介绍了一套能考虑气候影响的非饱和土边坡稳定性分析的极限平衡分析方法和一套可考虑土体非线性和几何非线性的边坡稳定分析及变形计算的有限元方法.提出了一个降雨条件下土质边坡稳定性预测预报模型,其具体思路是:首先用数值方法计算渗流场,然后利用非饱和土的强度理论推求出整个场的强度分布,再利用极限平衡分析方法或有限元方法进行边坡稳定性分析,寻求斜坡稳定安全因数与降雨特征参数(雨强,降雨持时等)相关关系,如此,即可依据气象预报进行土坡稳定性预报.     

修正有限元强度折减法与失稳判据在边坡稳定分析中的应用

现有的有限元强度折减法用于边坡稳定性分析,在土体变形特性的认识和失稳判据上有缺陷。基于土体的应力-应变曲线和邓肯-张非线性弹性模型进行有限元强度折减法计算分析,在现有方法仅对强度参数--黏聚力c和内摩擦角φ进行折减的基础上,提出了切线弹性模量Et的折减算法,更全面地体现折减的内涵;提出了以潜在滑动区域的能量积分变化作为判据,根据能量积分与折减系数关系曲线的特征,将其拟合成两段直线,以其交点所对应的折减系数作为边坡的安全系数。比较分析了修正Duncan有限元强度折减法、失稳判据与文献的计算结果,同时分析了边坡滑动区能量积分计算范围对结果的影响,并用于南水北调东线实际工程计算分析。结果表明：修正Duncan有限元强度折减法能较全面考虑土体的变形和强度特性,新的边坡滑动失稳判据可行且具有较好的计算稳定性,能保证工程建设的安全。     

立节北山滑坡地震稳定性及破坏过程三维有限元分析

针对甘肃省舟曲县立节镇北山滑坡在地震情况下的稳定性及失稳后可能威胁的范围问题,笔者使用显式有限元及动力学大变形方法分析了该滑坡在地震情况下的稳定性及失稳后的破坏过程。首先基于滑坡纵剖面建立二维平面应变模型分析滑坡稳定性及破坏过程,之后使用航测点云数据建立三维滑坡模型进行计算分析。地震条件下三维计算确定的滑坡安全系数结果低于1.0,较二维计算结果低7.7%;三维情况计算出的滑动距离达1.73 km,高于二维情况17%,说明滑坡灾害问题使用二维小变形方法得出结果偏于危险。笔者采用显式有限元、三维及大变形计算方法分析更符合实际,可为滑坡灾害的工程防治提供科学理论依据。     

关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论

在边坡稳定性分析中采用强度折减弹塑性有限元方法时,所得到的总体安全系数在一定程度上依赖于所采用的失稳评判标准,通常以数值计算的收敛性作为边坡失稳判据。而有限元计算的数值收敛性受多种因素的影响,因而由此所得到的安全系数的合理性及其唯一性受到了质疑。为了考查目前各种失稳判据的合理性及其适用性,分别依据计算的收敛性、特征部位位移的突变性和塑性区的贯通性等3个失稳判据,针对某一典型边坡算例,采用强度折减弹塑性有限元方法进行稳定性分析,并与Spencer极限平衡法所得到的总体安全系数进行了对比。对比分析表明,以有限元数值计算的收敛性作为失稳判据在某些情况下所得到的安全系数可能误差较大,而采用特征部位位移的突变性或塑性区的贯通性作为失稳判据所得到的边坡安全系数与Spencer极限平衡法的计算结果比较接近,考虑到实用性与简便性,建议在边坡稳定性分析的强度折减有限元方法中联合采用特征部位位移的突变性和塑性区的贯通性作为边坡的失稳判据。     

溪洛渡水电站某危岩体稳定性及加固措施研究

在现场调查分析的基础上,提出了溪洛渡水电站某危岩体的两种可能失稳模式（剪切坠落或拉裂倾倒失稳）,进而建立了相应的稳定性计算极限平衡力学模型,而且对危岩体的变形和破坏特征进行了数值模拟分析,分析结果表明,危岩体抗拉裂倾倒稳定性较差,剪切坠落失稳的稳定性系数较高。在稳定性分析的基础上,计算出危岩体倾倒失稳时,安全系数为1.5时的锚固力,进而提出了危岩体加固方案：充填凹岩腔+填充裂隙+预应力锚索＋锚杆联合加固,数值模拟表明此加固方案效果良好。     

格型钢板桩结构有限元数值分析

以有限元软件ABAQUS作为分析平台,建立波浪荷载作用下格型钢板桩结构稳定性及应力分析的三维弹塑性有限元分析模型。格型钢板桩采用壳体单元模拟,在相邻板桩之间设置铰接连接器模拟板桩之间的相对转动;土体采用Mohr-Coulomb本构模型模拟,在格型钢板桩与其内、外土体之间设置接触面单元模拟它们之间的滑移、张裂和闭合。结合某实际工程,研究结构的破坏模式、失稳特性和应力分布特性,分析参数变化对结构稳定性和环向拉力的影响,并对格内土体的剪切变形进行分析,建议格型钢板桩锁口拉力的验算断面。结果表明,铰接连接器的设置对于结构稳定性影响不大,但对环向拉力有一定影响;格内土体的剪切变形主要发生在格体中轴处,符合太沙基法结论。     

复合加载下软基上半圆堤结构稳定性分析

半圆堤是适用于软土地基的一种轻型重力式的新型防波堤结构,复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性计算和结构破坏模式尚需建立合理的分析和计算方法。将加载模式与软基上大型海岸结构稳定性分析的有限元模拟方法相结合,同时考虑半圆堤在不同荷载组合时可能发生沿底板或抛石基床底部的滑动破坏及地基竖向承载力破坏,建立了复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性分析方法,得出了结构的稳定性破坏模式和破坏包络线（面）,并分析了箱内填砂量、抛石基床宽度及地基加固深度对半圆堤稳定性的影响。计算结果表明：半圆堤结构在复合荷载作用的破坏包络线（面）均由一定区域的结构滑移破坏面和地基承载力破坏线（面）组成,并将整个荷载组合区分成4个区域：稳定区、只发生滑移破坏区、只发生地基承载力破坏区和同时发生滑移和地基承载力破坏区;荷载与位移组合加载模式得到的地基承载力破坏包络线位于Swipe加载方式得到的破坏包络线之外,但对每种加载方式得到的地基承载力破坏包络线变化趋势基本一致;随着箱内填砂高度的增加沿沉箱底部和抛石基床底部的抗滑安全系数均增加,但地基承载力安全系数减小;随着抛石基床宽度或地基加固深度的增加,地基承载力安全系数明显增大。     

考虑土拱效应的疏排桩支护基坑内力和变形分析

采用同济大学中型岩土离心机进行了2组疏排桩支护基坑的离心机模型试验,结合三维有限元数值分析探讨了采用规范方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形的适宜性,并提出了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩侧土压力的理论计算方法,最后建立了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩身内力和变形的计算模型。研究结果表明：对于桩间距与桩径之比为2、3和8的疏排桩支护基坑,桩间土体无法形成土拱效应;对于桩间距与桩径之比为4～7的疏排桩支护基坑,桩间土拱效应明显;规范法计算得到桩身内力与变形结果要比离心机试验结果偏大,与规范方法相比,采用文中提出的计算方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形更为合理。     

基于影像源法的基坑开挖对邻近单桩影响简化分析

邻近建筑物进行基坑开挖会使桩基产生附加变形和内力,降低其承载能力,如果桩基变形过大会威胁到上部结构的安全。针对该领域目前存在的三维有限元数值模拟法建模复杂且计算耗时的现状,同时为了充分利用基坑围护位移较易通过现场监测技术获取的优势,提出了基于影像源法的基坑开挖引起邻近单桩变形影响的两阶段简化分析方法。同时,引入了Kerr地基模型,并针对Winkler地基模型进行改进,弥补了Winkler地基不能考虑土体连续性的缺陷。在第1阶段基于影像源法,由基坑围护变形计算基坑开挖引起的土体水平自由场位移;第2阶段分别基于Winkler和Kerr地基模型,将土体自由场位移施加于桩基,建立桩基在被动位移扰动下的微分控制方程,得到基坑开挖对邻近桩基影响的简化解析解,包括基坑开挖引起桩基的水平位移、弯矩和剪力等。将计算结果与既有理论结果、监测数据以及三维有限元数值模拟结果进行对比,取得了较好的一致性,其中基于Kerr地基模型的简化解比基于Winkler地基模型的简化解更为精确。该简化方法可为有效分析基坑开挖对邻近桩基的变形影响提供一定理论依据。     

堤内压盖渗流分析的临界破坏点法

根据洞庭湖区堤防地质特征,建立二元结构堤基堤内压盖模型。基于渗流有限元理论和虚单元固定网格法,编制了堤内压盖渗流有限元程序。通过在压盖上方增加大量强透水性空气单元的方式,解决了压盖渗流计算中经常遇到的2次入渗问题。同时,研究了压盖宽度对防渗效果的影响,得到在堤内有、无水塘的情况下压盖宽度与堤内最大渗透坡降的影响曲线,指出影响曲线主要呈线性变化的趋势,并提出了用于确定临界压盖宽度的临界破坏点法,该法以压盖宽度-堤内最大渗透坡降影响曲线的延长线与天然覆盖层的允许渗透坡降线的交点作为临界破坏点,临界破坏点左侧的堤内区域为可能破坏区域,需要压盖加固;右侧为安全区域,不需加固。临界破坏点法的应用,大幅度地减小了有限元计算模型,避免了多次重复的有限元计算,显著地提高了计算效率,与规范、有限差分等传统方法相比优势明显。     

竖向与水平复合加载下桶形基础承载性能的分析

在竖向和水平力共同作用的复合加载条件下地基承载性能及其破坏模式是吸力式桶形基础设计与施工中的关键技术问题。为此,以大型通用有限元分析软件系统ABAQUS为基础建立了桶形基础三维有限元计算模型,运用位移控制法确定了均质软黏土地基极限承载力系数与位移之间的归一化关系;采用Swipe试验加载方法,确定了桶形基础在竖向力与水平力平面上的地基破坏包络图,从极限分析上限方法的角度探讨了由数值计算所揭示的桶形基础破坏机制。     

具有相邻建筑物的岩质基坑支护结构优化设计的讨论

传统岩质基坑支护设计方法通常没有考虑岩质基坑与支护结构相互作用以及相邻建筑物对支挡结构和岩质基坑稳定性的影响。结合实际工程,采用PLAXIS有限元软件,分别应用有限元强度折减法和有限元法对具有相邻建筑物条件下的岩质基坑的稳定性和变形、岩石侧压力、基坑开挖对相邻建筑物的影响以及支护结构的优化设计等方面进行了分析。结合《高层建筑结构设计规程》和《建筑地基基础设计规范》提出了相邻既有建筑基础变形的控制条件,并以此作为控制基坑变形的依据,并根据岩质基坑的变形限值计算岩石侧压力和进行岩质基坑支护设计,该方法能够有效地节约造价和缩短工期。     

Discrete element method simulations of the seismic response of shallow foundations including soil‐foundation‐structure interaction

A novel three‐dimensional particle‐based technique utilizing the discrete element method is proposed to analyze the seismic response of soil‐foundation‐structure systems. The proposed approach is employed to investigate the response of a single‐degree‐of‐freedom structure on a square spread footing founded on a dry granular deposit. The soil is idealized as a collection of spherical particles using discrete element method. The spread footing is modeled as a rigid block composed of clumped particles, and its motion is described by the resultant forces and moments acting upon it. The structure is modeled as a column made of particles that are either clumped to idealize a rigid structure or bonded to simulate a flexible structure of prescribed stiffness. Analysis is done in a fully coupled scheme in time domain while taking into account the effects of soil nonlinear behavior, the possible separation between foundation base and soil caused by rocking, the possible sliding of the footing, and the dynamic soil‐foundation interaction as well as the dynamic characteristics of the superstructure. High fidelity computational simulations comprising about half a million particles were conducted to examine the ability of the proposed technique to model the response of soil‐foundation‐structure systems. The computational approach is able to capture essential dynamic response patterns. The cyclic moment–rotation relationships at the base center point of the footing showed degradation of rotational stiffness by increasing the level of strain. Permanent deformations under the foundation continued to accumulate with the increase in number of loading cycles. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.