土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散的三维动力分析

本文将地震孔隙水压力与土坝(尾矿坝)的变形和固结紧结合起来,引用著名的皮奥(Biot)方程,用空间等参数有限单元法求解位移和残余孔隙水压力;提出了一种用于土坝动力分析的非线性三维有效应力分析力法。该法不仅可计算地震动应力、动应变、加速度,而且可以计算地震期间和地震后孔隙水压力的增长、扩散、消散、液化的发生和发展过程、土的残余变形及其随着时间的变化。文中用加权剩余值法详细推导了有限单元法的计算公式。文末举有算例。     

估计土坝地震反应的有效应力简化方法

本文根据有效应力原理,提出了一种可以估计土坝地震反应的有效应力简化方法,该法不仅考虑了动剪切模量和阻尼比随剪应变变化的非线性性质,而且考虑了振动孔隙水压力的产生对动剪切模量G的影响(软化)。利用本法可以不需电算而仅用手算求得在地震作用下土坝坝顶的最大加速度和坝的自振周期。文末举有算例。     

岳城水库土坝抗震加固有效应力动力分析

岳城水库土坝采用了上游压坡铺盖加固的方法,以防止坝体动力和静力坍滑。本文对该坝的有压坡铺盖断面和无压坡铺盖断面进行了大量的非线性静力计算和动力计算。静力计算采用应力和渗流一并考虑的计算方法,并考虑水位骤降的影响。动力计算采用非线性的二维有效应力方法。计算中都用等参数单元。文中分析比较了两个断面的静应力、流网、静力稳定安全系数、加速度反应曲线、剪应力反应曲线,最大动剪应力和动剪应变,振动孔隙水压力的分布、振动残余变形、残余位移、动力稳定系数等等。 分析指出,压坡铺盖加周措施对该坝是有效果的。     

某核电站导流堤地基液化及地震永久变形分析

在地震反应分析中常采用总应力分析法,但总应力法没有考虑孔隙水压力的变化规律和液化随时间的发展过程。基于二维有效应力动力分析方法,结合Biot动力固结理论,采用自行开发的有效应力动力分析程序对某核电站导流堤地基进行液化分析,给出在地震作用下砂土层的液化范围,并计算出永久变形。所得结论可以给类似工程提供理论指导。     

考虑土体固液二相性质的地下管线地震反应研究

本文将管线周围的土体视为固-液二相介质，采用考虑地震过程中土体内孔隙水压力的增长和消散的有效应力分析方法，并以非线性的土体本构模型模拟土体动力特性的改变以及在孔隙水压作用下的变形，以求接近土体的真实地震反应。研究表明随着土体软化程度的不同，受到土体约束的管线应力亦发生相应变化。文中详细研究了地震动峰值、管线直径、行波波速和入射角度等对管线应力的影响。     

西板岔沟尾矿坝静力和动力稳定性分析

采用西安理工大学研发的EFES3D程序,运用等价粘弹性模型的三维有效应力有限元法,对河南洛南西板岔沟尾矿坝进行了地震永久残余变形、液化分析和边坡稳定分析,求得残余变形、孔压水平分布场和边坡安全系数。计算得到的坝坡的静力稳定最小的安全系数Fs为1.9,地震反应结束时的动力边坡稳定安全系数为1.19。计算结果表明西板岔沟尾矿坝在静力状态及动力作用下都是稳定的。     

饱和砂土地铁车站的振动台试验研究

地震作用下,饱和砂土地层地铁车站的动力反应特征是城市轨道工程抗震的关键问题。以太原地铁新近沉积粉细砂地层地铁工程为对象,通过模拟地震运动输入的饱和砂土地基地下结构的振动台模型试验,分析了不同峰值加速度地震作用下饱和砂土与地下结构相互作用的动力反应性状。研究了地震波作用的放大效应与频率特征,动孔压比增长发展过程和液化区域分布,以及动土压力的变化规律。表明加速度放大系数为1.5~2.0;0.1~0.25g峰值加速度地震作用下饱和砂土均产生动孔隙水压力累计发展;0.3g峰值加速度地震作用下饱和砂土产生液化,抑制了土与地下结构的振动放大效应,地表面大量冒水,结构模型出现了明显上浮,地下结构两侧产生震陷。     

土动力参数的测试误差与孔压影响研究

地震作为自然灾害之一,引起的破坏是巨大的。在土动力学研究中,土体作为地震波传播介质和结构的地基,其动力性能直接影响结构的安全,也直接影响工程造价,因此研究土的动力参数问题具有重要理论意义和工程应用价值。土的动剪切模量比和阻尼比是土动力学首要参数,工程上一般采用室内实验得到。本文采用单台共振柱仪,设计两种具有代表性的试验组,研究土的动剪切模量比和阻尼比试验误差问题,分析不同类型组之间、模量比和阻尼比之间试验离散性的差异和联系以及试验误差对地震动计算的影响,目的是为了解掌握现有共振柱试验水平以及为改进共振柱试验技术提供依据,并为工程结构抗震概率分析提供基础。最大剪切模量和极限剪应力是基本的土动力计算参数,地震作用下随孔压增长会有很大变化。本文采用新型高精度动三轴仪,通过试验方法对循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化规律进行研究,给出更符合实际的孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式,并验证了孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式的可靠性,为考虑液化下地基动力反应分析提供基础。本文主要工作如下:(1)通过共振柱试验数据,设计两种具有代表性试验组,研究砂土、粘土和粉土动剪切模量比和阻尼比的试验误差,给出两种试验组测试误差的分布形态和基本规律以及不同类型试验组之间、动剪切模量比和阻尼比之间试验误差的差异和联系。(2)以KiK-net台网记录为背景,对当今国内外两个有代表性的土层地震反应分析方法SHAKE2000和LSSRLI-1进行对比研究,根据对比结果选取更适宜的计算程序进行本文的土层反应分析,同时也为土层地震反应分析方法的改进提供必要线索。(3)针对不同类别场地,采用选取的土层反应分析计算程序分析两种试验组下砂土、粘土和粉土的动剪切模量比和阻尼比的试验误差对地震动的影响。(4)采用新型高精度动三轴仪,通过试验方法对循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化规律进行研究,给出更符合实际的孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式,并研究不同固结比下循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化差异。(5)将本文提出的孔压增长下的循环最大剪切模量和循环极限剪应力的修正公式用于有效应力分析程序之中,并将有效应力分析方法的计算结果与实际地震记录进行对比,验证所改进的土层地震反应有效应力分析程序的可靠性。     

贮灰场子坝粉煤灰动力特性试验研究

贮灰场子坝冲填粉煤灰的动力特性是评估挡灰坝在地震作用下动力稳定性的关键因素。为探究冲填粉煤灰的动力变形和强度特性,利用液压控制振动三轴试验仪测试饱和沉积灰和冲填灰两类试样在偏压固结条件下的动应力-动应变关系、动强度、阻尼比和动孔隙水压力。结果表明:试样骨干曲线均表现出应变硬化特征,可近似描述为双曲线型关系。此外,循环振次增大导致试样动强度降低,且主要与动黏聚力降低有关,受内摩擦角影响较小。双对数坐标轴下,无量纲处理后的阻尼比与动剪切模量近似呈线性关系,且与围压关系不显著。不同围压下动孔压水平随破坏振次增大仅在较窄范围内变化,为简便计算,可忽略围压和循环振次对动孔压水平的影响。据此,可采用Finn公式描述偏压固结下粉煤灰试样的动孔隙水压力特征。     

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。     

振动能量下砂土的体变与孔隙水压力

本文建立了砂土在振动能量下的体积变化和孔隙水压力生长的新型本构关系。鉴于砂土的非线性振动反应和多因素的影响,文中采用了内缓变理论(Endochronic Theory)将本构关系表达为单一的内缓变量(软化参数)的函数。 试验证明在基于建议的本构关系计算的孔隙水压力值与相应的振动能量下,福建标准砂试样中产生的孔隙水压力很接近。同时又根据该本构关系预估了实际地震能量下饱水砂层中孔隙水压力的反应,回判地震液化势,获得了较满意的结果,具有一定的实用性。     

地基液化导致沉箱码头破坏及地基加固方法的非线性数值分析

地震作用引发的地基液化,往往导致沉箱基础的破坏。本文基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用FE-FD耦合数值分析方法,对液化海床沉箱基础的地震反应进行非线性有效应力分析。在数值分析过程中,建立了以土骨架位移和超静孔隙水压力表达的us-pw动力固结方程和循环弹塑性本构模型,该方法能够很好地模拟地震作用下沉箱码头的动力特性及液化破坏的影响。通过数值模拟计算,分析了采用碎石桩进行置换砂区域的防液化加固方法,并就碎石桩处理区域的选择提出了建议。     

沟道松散堆积体冲刷启动机理与泥石流-拦挡坝相互作用研究

汶川地震后我国西部山区大量崩滑体堵塞泥石流沟道,形成堰塞坝,暴雨条件下极易溃决形成溃决洪水,剧烈冲刷侵蚀下游松散堆积体,形成或加剧泥石流灾害规模,对下游拦挡工程的破坏性极强。通过室内水槽试验,监测堆积体内和拦挡坝后相关土水、动力参数响应规律,分析松散堆积体冲刷侵蚀启动力学机制及其与拦挡坝相互作用机理,并推导出考虑孔隙水压力的泥石流冲击力计算公式。结果表明：(1)冲刷启动过程中堆积体以溯源侵蚀、侧蚀为主,体积含水率和孔隙水压力先增后减,基质吸力呈波动减小。(2)在泥石流冲击拦挡坝过程中,坝后出现两次冲击峰值,第一次拦挡坝泄水通畅,振动加速度为1.29 m/s²;第二次排水受阻,振动加速度为1.22 m/s²,同时泥位达到峰值95 mm。(3)泥石流对拦挡坝的整体冲击力由动、静两部分组成,静冲击力与坝后孔隙水压力呈正比,而动冲击力与流速的平方呈正比。研究成果可为震后泥石流沟道松散堆积体冲刷启动机理研究与防治工程优化提供理论与技术支持。     

砂土自由场地震响应的离心机试验研究

离心机模型试验是研究岩土地震工程问题的有效手段。本文使用层状剪切箱,通过干落法制备了均匀的砂土模型,进行了离心机振动试验;观测了振动过程中孔隙水压力的发展,土体的加速度响应、侧向变形以及竖向沉降。结果表明,土体的运动和变形与孔隙水压力的发展密切相关,但离心机中的试验现象和现场观测的现象存在显著区别。研究结果增强了对振动过程中土-水之间相互作用机理的理解,同时为自由场地震响应分析方法的验证提供了基础数据。     

基于液化流动模型的尾矿坝地震响应分析

针对传统等效线性法对尾矿坝地震响应分析结果与实际情况存在一定的出入的问题,通过振动台模型试验和数值计算结果比对验证数值计算方法的可行性,运用考虑液化后尾矿砂流动特性的孔压上升模型,基于完全非线性动力分析方法,对尾矿坝地震响应进行分析计算,通过对坝顶位移和加速度的监测结果进行分析,得出坝顶的加速度放大系数以及坝顶位移最大值;并由坝体水平方向位移云图、竖直方向位移云图及位移矢量图,判断可能发生局部滑坡的位置;对坝体内液化情况进行判定,得到尾矿坝的地震响应规律,为尾矿坝抗震设计提供一定的理论参考.     

可液化地基土三维地震响应分析

编制完全耦合的三维排水有效应力动力反应分析程序，对可液化地基进行三维地震响应分析，探讨了不同土性参数、不同土层构成和不同附加压重等因素对可液化地基抗液化性能的影响。结果表明：在地震荷载作用下，天然饱和砂土地基中的超孔隙水压力随深度的增大而增大；在不同深度处，超孔压峰值到达的时刻比地震加速度峰值到达的时刻要晚；随输入地震加速度的减弱，深层处的超孔压开始消散或基本保持不变，浅层处的超孔压保持不变或略有上升，这一现象与土性参数、输入地震荷载的情况等因素有关；土性参数对土体本身的抗液化性能有重要影响，初始孔隙比越小，相对密度越大，土体的抗液化能力越强；附加压重有利于地基抗液化能力的提高；随着附加压重的增大，超孔压比减小；附加压重对地基中超孔隙水压力的增长有明显的抑制作用。     

SV波斜入射下Nam Ngum 5拱坝-库水-地基系统的地震响应分析

基于黏弹性人工边界与相应地震动输入方法,推导了任意角度下三维SV波斜入射时的等效节点荷载,构建了考虑地震波斜入射的三维黏弹性静-动力统一人工边界,探究了三维情况下混凝土拱坝在地震波斜入射时的地震动响应,应用于Nam Ngum 5重力拱坝-库水-地基系统的地震响应分析中。研究结果表明：当SV波斜入射角度逐渐增大时,坝体关键点的顺河向位移、主应力以及动水压力峰值均呈现逐渐增大的趋势,横河向位移呈现逐渐减小的趋势;其中25°与0°入射相比,坝顶点顺河向位移从0增加至0.15 m,横河向位移影响较小仅减小0.011 m;坝踵点、坝趾点主应力与斜入射角度存在明显差异,当入射角度为25°时,主拉应力与主压应力峰值相较于垂直入射分别增加了1.41 MPa与3 MPa;坝踵处动水压力峰值也在入射角度为25°时达到最大为0.33 MPa与-0.29 MPa;需要在类似实际工程设计中应考虑地震波斜入射的影响。     

徐州市棠张镇饱和粉土液化性能试验研究

徐州市棠张镇高速铁路路基的粉土粘粒含量少于1．5％、粉粒含量约为80％,在强烈地震作用下存在着液化可能性,为了分析该路基粉土的液化特性,进行了多组振动三轴液化试验。对试验结果进行分析发现,该地区的粉土振动孔压发展模式与Seed提出的用反正弦三角函数拟合的砂十振动孔压发展模式不同,可以用双曲线进行拟合。采用最大往返剪切作用面上的应力条件确定了该地区的孔压发展模式的拟合参数,为该地区粉土地震液化动力计算分析提供了所需的地震孔隙水压力增长模型。同时,本文指出粉土的密度和结构是振动孔压发展的重要影响因素。     

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。     

山东海阳核电一期取水沟道进出口部位抗震分析

以山东海阳核电一期取水沟道工程为背景,采用动力时程反应分析方法,利用非线性有限差分软件FLAC3D建立三维土体-结构模型,分析该核电站取水沟道进、出口部位在自重、外水压力、土压力、温度、水锤压力、地震等荷载效应组合下的内力变化情况。通过编制FLAC3D程序并结合五点公式计算衬砌结构的内力,对该核电取水沟道进、出水口部位进行抗震分析。计算结果表明温度荷载、水锤压力以及地震荷载对沟道进出口部位内力影响显著,设计施工时应对薄弱截面进行加密配筋处理。本文的计算方法和分析成果可为核电厂取水沟道地震反应分析以及其他类似结构设计提供参考。