基于相变状态的砂土本构模型的研究

为了很好地描述砂土的应力应变特征,通常利用以临界状态孔隙比为基础的状态参数建立弹塑性本构关系,但是对于密砂排水试验,临界状态参数很难测到。相变状态作为一特征状态,相关参数较容易测得。因此,本文定义了以相变状态孔隙比为基础的状态参数,并引入砂土的剪胀和边界应力比表达式,建立砂土的弹塑性本构模型。最后,利用本文提出的模型参数得到的密砂模拟结果与试验结果相吻合,较好地反映了密砂的应变强化和软化力学特征。     

离心机自由场地震响应的完全耦合模拟

水平场地地震响应分析是岩土地震工程实践中最重要的问题之一。当场地土为饱和砂时,由于需要考虑材料的非线性和土-水之间的相互作用,问题非常复杂。利用有限元程序SUMDES和适用于颗粒材料的统一本构模型,对离心机自由场振动试验进行了完全耦合模拟。分析结果表明,完全耦合分析能够较好地再现试验中观察到的现象,包括孔隙水压力的产生和消散以及土体的变形,但前提是对模型参数进行准确的标定,以及对相关系数尤其是动力渗透系数进行准确的确定。     

地震作用下自由场中饱和砂土的应力-应变推导

水平自由场地震响应分析是岩土地震工程实践的重要内容之一。利用香港科技大学土工离心机上的双向振动台,进行了饱和砂土自由场在水平双向地震作用下的动力模型试验。根据应力和应变的定义以及达朗贝尔原理,由试验观测的土体加速度、位移和孔隙水压力数据直接推导得到不同深度处砂土的应力和应变,揭示了振动过程中饱和砂土的应力路径和应力-应变关系演化过程,以及与超静孔隙水压力发展的联系。     

软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

基于临界状态模型的砂土非共轴本构模拟

传统的砂土本构理论隐含了应力和塑性应变率的共轴条件,无法客观描述主应力轴旋转试验中的非共轴现象,并且当密度和围压变化较大时也不适用。基于材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak和Stolle所提出的砂土本构模型进行了改进,并在模型中引入非共轴塑性流动理论来描述非共轴现象。通过对单剪试验和空心圆柱试验进行数值模拟,表明基于临界状态理论的非共轴模型能够合理描述主应力轴旋转过程中砂土的非共轴变形特性     

考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型

颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。     

渗透系数对砂土液化震陷影响的数值研究

饱和砂土在地震荷载的作用下往往会产生液化变形,包括竖向震陷和侧向扩展。砂土由于液化的作用,其渗透系数会发生改变,而目前描述砂土液化变形的本构模型均采用常量渗透系数,这是造成自由场地的震陷数值模拟结果低于试验观测值的重要原因之一。利用开源有限元平台Open Sees对饱和砂土的自由场地震陷进行模拟分析,对比离心机模型试验,分析了渗透系数对饱和砂土液化震陷的影响。为进一步提高数值模拟的准确性,采用了适合于动力分析及液化模拟的边界面模型。与固定渗透系数模型相比,最终提出的变渗透系数模型允许液化状态的渗透系数升高为初始值的数倍,该模型模拟结果较好,可以作为从渗透模型角度提高数值模拟精度的近似考虑。通过一系列的模拟和分析发现,采用合理的变渗透系数模型,可在一定程度上提高砂土自由场地地震液化震陷的数值模拟精度。     

中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型

人工冻结法是饱水砂层开挖过程中常用的止水和临时支护方法,通过冻土损伤特性研究为冻土力学特性和冻结体稳定性分析奠定基础。为研究冻结砂土的损伤力学特性,在-5℃下进行了不同中主应力系数的冻结砂土三维室内试验。从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Drucker-Prager强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了三维应力状态下冻结砂土损伤本构模型;在此基础上,讨论模型参数F₀与m和中主应力系数的关系,对模型参数进行合理修正,建立中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明:参数F₀和m随着中主应力系数的增大呈现先减小后增大的趋势;参数F₀反映了冻结砂土的强度特性,参数m代表了冻结砂土的延性及脆性特征,考虑中主应力系数影响的冻结砂土损伤本构模型能很好地模拟冻结砂土应力-应变全过程曲线。研究成果为人工冻结法工程设计提供一定的理论依据。移动阅读      

考虑渐近状态特性的超固结土本构模型

基于超固结土的UH模型,结合渐近状态概念,将适用于饱和砂土的渐近状态本构模型推广为考虑渐近状态特性的超固结土本构模型,用于描述土的超固结性和渐近状态特性。通过采用变换应力方法实现了模型的三维化。新提出的本构模型简单、参数较少,与剑桥模型相比,仅增加了一个材料参数,即伏斯列夫面斜率。该模型能够合理反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩、剪胀、应力路径依赖性、渐近状态等特性。     

利用旁压试验的砂土初始状态反演分析

讨论了砂土旁压试验的反分析问题。建议利用旁压试验实测数据反演确定土体的初始状态而非材料参数,材料参数可以通过实验室常规试验确定。主要利用了新型的亚塑性本构模型参数不受土体状态影响的特点。主要内容包括：建立有限元数值模型,利用文献中的试验数据确定了特定砂土的材料参数;通过模拟砂土的实验室旁压试验,验证了数值模型;通过改变土体初始应力状态和相对密实度进行数值计算,并利用数值计算成果,建立了可适用于砂土初始状态反演分析的实测旁压荷载和土体中应力与相对密度的数学关系。     

How the response spectrum of non-liquefied loose-to-medium sand deposits is affected by the groundwater level

This study examines the water level influence on the seismic response of sand deposits. The seismic ground response of a sand deposit for two cases was computed: groundwater level near the surface and at great depth. The ratio of soil factors computed for both cases evaluates the influence of having the water table near the surface. This parameter is small when the full range of periods is considered, but rises to ∼1.15 when narrowing the range of periods to 0.2–0.6 s, corresponding to the plateau of Eurocode 8 ground type C response spectrum. So, the water level effect is of the same magnitude of the existing soil factor in seismic codes.     

砂土液化大变形模型在FLAC3D中的开发与应用

通过FLAC3D二次开发平台,在VC++环境下实现了基于砂土液化大变形机制的变动映射中心边界面弹塑性模型的二次开发。基于饱和砂土液化大变形本构理论,该模型符合三维应力空间边界面映射规则,并引入临界状态变量,可实现对不同密度和围压状态下砂土液化大变形分析。针对FLAC3D程序混合离散技术与数据调用模式和模型的体积相容性条件,测试分析了将模型采用不同植入方案的计算稳定性,开发了在FLAC3D混合离散技术下不同子区共享映射中心,进入与离开液化状态保持同步的开发方案,并给出模型开发的关键技术与实施方法。利用开发的模型,对饱和砂土开展了不排水/排水/循环三轴试验与不排水循环扭剪试验模拟,及三维地基的动力反应分析。计算结果表明,模型及所开发程序具有很好的模拟与分析砂土液化后大变形的能力。     

地震强度对堆石坝变形的影响

采用基于状态相关的剪胀理论的临界状态砂土模型,以SUMDES2D为有限元平台,对直接建造在基岩上的心墙堆石坝进行了1组抗震性能计算,分析了坝体在不同的地震强度下的动力响应,以研究地震强度对土石坝变形机理的影响。计算结果表明,地震强度越大,地震所引发永久变形和局部变形就越大; 文中除了给出土石坝的总体位移及变形状况外,还提供了堆石坝在某些局部位置的应力路径和应力应变关系,探讨了不同地震强度下坝体破坏的内在机理。局部土单元的动力响应,揭示位于坝体上游坝坡马道附近单元由于密实度小,在应力不大的情况下就达到材料的临界状态,随着地震强度的增加,该部位由稳定逐步过渡到临界状态,而后沿着临界状态线发展,土单元由稳定逐步过渡到流动变形。     

地铁抗震设防水准的研究及北京地铁工程典型地段地震小区划

地铁作为人口密集且遭受地震破坏后难以修复的重要生命线工程,如何确保其地震安全具有越来越重要的意义。本文将以北京具有典型意义的地铁线路北京地铁五号线作为研究目标,在对沿线地震、地质条件分析的基础上,通过分析研究在不同场地条件、不同风险水平和不同深度条件下的地震动参数和反应谱变化规律,确定了地铁工程的抗震设防概率风险水平为50 a超越概率63%、10%、2%,设计地震动参数取地表计算值。并通过北京地铁五号线工程地震小区划及分区反应谱特征研究,确定北京地铁五号线工程的抗震设防要求。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用简化分析方法

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析属于桩基桥梁抗震设计中的一个关键科学问题,而目前尚缺乏合理的简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于Penzien模型,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的数值分析模型与相应的简化分析方法。通过振动台试验验证了数值建模途径与简化计算分析方法的正确性,可用于液化场地桩基桥梁结构地震反应的分析,并且特别考虑砂层中孔压升高引起的砂土承载力衰减效应,推荐了计算参数的合理选取方法;据此进行了桩径、桩土初始模量比、砂土内摩擦角、上部桥梁结构质量等重要参数对液化场地桩-土地震相互作用影响的敏感性分析。研究表明：在液化场地条件下,随桩径和桩土初始模量比的增大,桩的峰值加速度、峰值位移减小,而桩的峰值弯矩则增大;随砂土内摩擦角增大,桩的峰值加速度、峰值弯矩、峰值应力均增大,而桩的峰值位移则减小;随上部结构配重增大,桩的峰值位移、峰值弯矩均增大。     

Strong ground motion estimation in the Sea of Marmara region (Turkey) based on a scenario earthquake

We perform a broadband frequency bedrock strong ground motion simulation in the Marmara Sea region (Turkey), based on several fault rupture scenarios and a source asperity model. The technique combines a deterministic simulation of seismic wave propagation at low frequencies with a semi-stochastic procedure for the high frequencies. To model the high frequencies, we applied a frequency-dependent radiation pattern model, which efficiently removes the effective dependence of the pattern coefficient on the azimuth and take-off angle as the frequency increases. The earthquake scenarios considered consist of the rupture of the closest segments of the North Anatolian Fault System to the city of Istanbul. Our scenario earthquakes involve the rupture of the entire North Anatolian Fault beneath the Sea of Marmara, namely the combined rupture of the Central Marmara Fault and North Boundary Fault segments. We defined three fault rupture scenarios based on the location of the hypocenter, selecting a preferred hypocentral location near a fault bend for each case. We analysed the effect of location of the asperity, within the Central Marmara Fault, on the subsequent ground motion, as well as the influence of anelasticity on the high-frequency attenuation characteristics. The fault and asperity parameters for each scenario were determined from empirical scalings and from results of kinematic and dynamic models of fault rupture. We calculated the resulting time series and spectra for ground motion at Istanbul and evaluated the sensitivity of the predictions to choice of model parameters. The location of the hypocenter is thus shown to be a critical parameter for determining the worst scenario earthquake at Istanbul. We also found that anelasticity has a significant effect on the regional attenuation of peak ground accelerations. Our simulated ground motions result in large values of acceleration response spectra at long periods, which could be critical for building damage at Istanbul during an actual earthquake.     

基于ANN和GIS耦合模型的场地地震液化势评价系统研究

采用组件式GIS (COMGIS)技术开发了结合BP神经网络分析模型的场地地震液化势评价系统,调用水平成层土地震反应分析程序SHAKE91实现设定地震下地震动影响场的模拟。在VB下调用Matlab神经网络工具箱来完成场地地震液化势评价模型在COMGIS系统中的模块化;利用GIS技术对评价结果,即液化势等级进行空间复合,给出场地潜在的地层液化势空间分布图。研究表明,SHAKE91应用程序在系统菜单下可直接调用,实现地震动影响场计算的模块化;BP神经网络技术应用于场地地震液化势评价中能达到较为理想的效果;系统的GIS空间分析功能可使评价结果与场地信息进行空间匹配,实现目标场地潜在地震液化势的快速评估。     

高低压下不同力学特性的砂土统一模型

为构建能够反映砂土高低压下不同力学特性的统一模型,分析了砂土在较大的压力范围内的力学试验结果并获取其强度、等向压缩以及临界状态特性参数。通过引入应力路径相关因子来修正塑性应变增量中与应力路径相关的部分,从而使得模型硬化参量能够反映密实砂土在常压下的剪胀特性。同时,基于砂土的临界状态特性提出能够与砂土内部状态相对应的潜在状态面概念,由屈服面与潜在状态面间的动态关系确定加载过程中的动态密实参数及潜在强度,进而使得硬化参量也能够反映密实砂土在常压下的软化特性及高压下的剪缩、硬化特性。分析模型屈服面及潜在状态面间的演化规律并对不同压力等级下的砂土受荷力学行为进行模拟预测,证实了该模型能够反映密实砂土常压下剪胀软化及高压下剪缩硬化的特性。     

液化场地桩基桥梁震害响应大型振动台模型试验研究

采用大型振动台进行液化场地桩基桥梁震害响应模型试验,很好再现了自然地震触发场地液化及结构破坏的各种宏观现象。0.15gEl Centro波输入下,上部砂层局部液化,桩-柱墩加速度主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。0.5gEl Centro波输入下,整个砂层全部液化,桩被折断且加速度也主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。砂层液化与否,对桩-柱墩动力反应影响很大。