黏土中海上风力机桩-筒复合基础地震响应分析

参考NREL海上风力机结构参数,基于ABAQUS软件平台,建立黏土中海上风力机桩-筒复合基础的三维整体有限元模型;采用总应力形式的非线性运动硬化模型描述黏土的不排水动应力应变响应,通过编制Matlab程序实现随机风荷载及波浪荷载的模拟;开展地震及风、浪、流荷载共同作用下海上风力机桩-筒复合基础的时域整体动力响应分析,揭示桩-筒复合基础的承载机理,分析地震烈度、土体强度及基础尺寸对桩-筒复合基础动力响应的影响规律。

软黏土中吸力式三桶基础承载特性分析

采用弹塑性边界面本构模型,建立模拟黏土中三桶基础承载行为的三维数值方法,并通过对已有模型试验结果的预测验证数值方法的可行性。研究桶-土接触方式和加载方向对三桶基础承载行为的影响规律,探索三桶基础的水平循环承载特性。结果表明,竖向单调荷载作用下三桶基础表现为“刺入型”剪切破坏特征,基础竖向受压失效位移约为0.07D(D为桶基础的直径);在摩擦接触条件下,0°水平加载(单桶受拉,双桶受压)极限承载力最小;在绑定接触条件下,60°水平加载(双桶受拉,单桶受压)极限承载力最小;循环荷载作用下迎风桶与背风桶之间逐渐增加的沉降差是三桶基础产生累积旋转的主要原因,且基础的旋转特性与水平循环荷载大小密切相关。

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。

考虑循环软化特性的饱和软土弹塑性本构关系研究

将软化指数关系与非等向硬化模量场理论相结合,研究了可描述循环荷载作用下饱和软土软化特性的增量弹塑性模型。该模型借助硬化模量的插值和映射中心的移动,在偏应力空间中构造硬化模量的演化规则;通过在弹塑性模量插值函数中引入初始弹塑性模量软化系数,模拟循环荷载作用下软土的刚度软化特性;通过引入硬化模量调整系数,增强循环加载时应力-应变曲线的滞回特性;再通过引入反映应变累积速率和大小的模型参数,描述循环加载时软土的应变累积特性。利用Idriss提出的指数关系式近似拟合软化系数随应力循环次数的变化关系,并通过引入循环应力参数建立了循环软化系数与静应力水平和循环应力水平的关系。阐述了确定模型参数的方法,并利用模型预测了相关试验结果,通过预测结果与试验结果的对比,验证了该模型描述循环荷载作用下软土软化特性的可行性。

软黏土中吸力锚循环失稳过程的模型试验

开展了张紧式吸力锚在侧壁最优系泊点处遭受平均荷载和循环荷载共同作用下的模型试验,着重研究了软黏土中吸力锚在等幅及变幅循环荷载下的变形失稳过程。研究发现,循环累积位移过大是锚发生破坏的主要原因。对于等幅循环加载试验,由于竖向附加荷重的施加,锚在水平向的循环累积位移要明显大于竖向,表现为明显的水平破坏模式。在特定的平均荷载水平下,循环荷载水平越高,锚的累积位移发展得越快,达到破坏所需的循环次数就越少。循环位移随循环次数的增长变化不明显,但随循环荷载水平的增大而增大。对于变幅循环加载试验,系泊点各方向的循环累积位移与循环位移均与循环荷载水平成正比。不同的循环加载时程下,锚的竖向累积位移均比水平累积位移大,表现为偏向于竖向破坏的中间破坏模式。锚前期的循环加载历史对后续加载产生的累积变形有明显影响。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角有所增大,这可能是由于锚底孔压的累积要大于锚侧孔压的累积,从有效应力的角度分析,锚底有效应力的减少相对锚侧明显,进而使得锚竖向承载力减小得更多,导致锚的竖向运动更明显。

考虑土体弹性半空间的水-桩-土相互作用系统在SV波作用下的解析解

近海结构单桩基础所在海洋环境复杂,地震作用下近海桩基础结构工程可能遭受严重的破坏。针对桩基础结构在地震作用下的动力响应问题,建立了一种地震作用下考虑土体弹性半空间的水-桩-土相互作用系统简化解析解;首先,桩体假设为黏弹性材料,可在水-桩-土相互作用系统中分为多个桩段,土体和水体分别假设为线黏弹性介质和声学介质;然后,基于亥姆霍兹分解、分离变量法和水-桩-土连续性条件,得到了整个桩体的位移表达式;之后,把解析解退化为两种情况,分别与无水有土情况下的子结构方法以及有土有水情况下的刚性解析解方法进行了对比,从而验证弹性解析解的合理性;最后,通过使用本弹性解析解进行了一些参数分析,以此研究水体、土体和桩体3种参数对桩体位移动力响应的影响,研究结果对海上桩基设计有一定的参考价值。

K0固结软黏土双向耦合循环加载真三轴试验研究

文章针对天津滨海K0固结饱和软黏土,开展轴向及侧向耦合循环加载真三轴试验。重点探讨了循环中主应力系数及循环应力水平对软黏土动应力应变响应的影响。试验结果表明:同一循环应力水平,循环中主应力系数越大,累积永久大主应变越小,中主应力的增大对大主应变的发展有抑制作用;循环中主应力系数在0.4~0.6,存在某一临界值,其为中主应变发生正负反向的临界点。同一中主应力系数,循环应力水平越高,土样最终累积永久主应变越大;循环应力水平在0.4~0.46,存在某一临界值,其为土样循环振稳及失稳的临界点。在大主应力方向,循环中主应力系数越小,土体刚度弱化越显著;在中主应力方向,刚度弱化程度随中主应力系数的变化并非单调。循环应力水平越大,土体刚度弱化越显著。利用广义剪应变表征三维复杂应力状态下土单元的应变水平,建议了能够预测任意给定循环中主应力系数、循环应力水平及循环次数下累积永久广义剪应变的指数函数表达式。研究成果以期为波浪、交通等复杂动荷载作用下软黏土地基的稳定性分析及变形计算提供试验依据。

部分排水条件下饱和砂土的力学特性研究

利用英国GDS公司的STDTTS标准应力路径三轴仪开展了饱和砂土的部分排水试验,从超静孔隙水压力、有效应力路径与渐近状态特性等方面研究了部分排水条件下饱和砂土的力学特性。将渐近状态方程与剪胀方程耦合,并引入描述排水程度的状态参量,提出了相变应力比方程,将方程引入到土的应力路径本构模型,建立了饱和砂土的渐近状态本构模型。通过部分排水条件下饱和砂土的三轴试验结果,验证了所建模型的合理性。研究结果表明:排水条件控制着土体剪胀特性的发挥程度,进而从两个方面影响土的力学特性,一是荷载条件,即影响土体的有效应力路径,以及加载模式;二是土性条件,即影响土的抗剪强度的发挥程度,形成渐近状态。

基于数字图像测量技术的砂土剪切带分析

在进行土工试验时,土样端部摩擦效应和初始缺陷都可以引起试样的不均匀变形,进而形成宏观的剪切带。基于数字图像测量技术改进了GDS多功能三轴仪,进行砂土的固结排水三轴试验,获得了试样在不同时刻的应变等值线云图和局部应力-应变全曲线,研究了试样端部的摩擦效应。结果表明,端部摩擦显著地影响试样的力学特性,对径向应变的影响可达10%。通过在砂土试样中放置粉质黏土块的方法获得了宏观不均匀土样,并测试其剪切带的形成过程。测试结果表明,试样在两种材料的界面处形成不连续刚度,引起变形的不均匀发展,进而形成宏观的剪切带而破坏。

欠固结土的弹塑性本构模型

利用插值函数法建立土的剑桥模型与修正剑桥模型,通过初始压力密度状态(欠固结程度)确定欠固结土等向压缩线的斜率,在此基础上采用插值函数法提出欠固结土的弹塑性本构模型,所建立的模型与剑桥模型具有相同的材料参数,且当初始压力密度状态位于正常固结线上时,模型可简化为剑桥模型。利用固结排水与固结不排水试验分析所提模型的功能,模型可较合理地反映欠固结土较大的体积压缩特性。

基于数字图像测量技术的砂土应力路径试验研究

基于数字图像测量技术改进GDS多功能静三轴仪,研究不同应力路径条件下,中级砂的破坏过程和剪切带形式。进行了等压固结和偏压固结共13个排水压缩应力路径试验,得到三轴试样压缩过程不同时刻的试样变形状态、径向应变和轴向应变场,可表征试样渐进破坏过程。结果表明,不同应力路径条件下的试样破坏过程和形式与应力路径密切相关;同一路径,通过增加孔压和减小总应力两种不同方式实现,其结果也有差异。最终破坏形式可分为均匀鼓胀、单一剪切带和交叉剪切带3种形式。固结的应力比越高,有效应力比峰值越低,并且峰值后有效应力比的值下降越大。试样破坏形式在有效应力比峰值之前已经初步确定,宏观稳定是在峰值之后。

饱和砂土的渐近状态力学特性试验研究

利用GDS多功能三轴仪,通过控制土样应变增量比开展了饱和砂土部分排水三轴试验;利用超静孔隙水压力、有效应力路径和应力应变关系三方面的实验结果,研究了饱和砂土的渐近状态特性。研究表明,控制应变增量比为常数进行常规三轴加载时,饱和砂土的有效应力比也趋于某一常数,形成渐近状态,且渐近状态应力比随应变增量比的增大而减小。基于土的剪胀特性给出了渐近状态形成的物理机制,并给出了北京某砂土在部分排水条件下渐近状态应力比的试验结果。

软土中浅埋法向承力锚位移破坏标准模型试验

为确定浅埋软黏土中法向承力锚的位移破坏标准,利用实验室自行开发的电动伺服加载控制装置,对埋置在饱和软黏土中深度为3倍锚板宽度、系缆力角度为30°的法向承力锚模型进行了荷载和位移控制的静力加载试验。依据试验结果,以极限承载力与锚板宽度为参考,对锚板法向荷载与位移进行归一化处理,通过归一化曲线确定了法向承力锚的位移破坏标准,即破坏位移约为0.38倍锚板宽度。另外,依据锚板的尺寸、埋深及试验土体的强度条件,利用经验公式对锚的极限承载力进行了计算。结果表明,以该位移破坏标准确定的极限承载力与经验公式计算结果基本一致,两者相差均不超过10%,初步验证了该位移破坏标准的合理性。

软土循环扭剪应力应变响应的弹塑性分析

为了分析笔者提出的增量弹塑性模型对描述一般应力状态土单元循环应力应变响应的适用性,进行了软土不排水循环三轴压缩试验与无初始轴向偏应力的循环扭剪试验,得到了两种应力状态土单元的循环应力应变响应。进而依据循环三轴压缩试验结果确定模型参数,再利用模型预测软黏土循环扭剪试验土单元的应力应变响应,并与试验结果进行对比分析。结果表明,预测出的无轴向静偏应力作用的循环扭剪土单元环向剪应力应变滞回曲线与试验结果相比偏小,但是总变化趋势与试验结果较为一致;预测出的循环扭剪土单元环向累积剪应变随循环次数的变化与试验结果基本一致。研究工作表明,该增量弹塑性模型能够较好描述不同应力状态土单元的不排水循环应力应变响应,特别是循环累积应变响应。

软黏土中张紧式吸力桶基础循环弱化过程分析

采用基于Tresca屈服准则的理想弹塑性模型,结合建议的软土刚度弱化模型,通过编制USDFID子程序,建立描述软土中吸力桶基础循环弱化过程的数值分析方法;针对张紧式吸力桶循环加载模型试验开展三维数值模拟,验证建立的数值方法的合理性,同时分析吸力桶基础的循环弱化承载特性。研究结果表明,该方法能预测吸力桶基础在软黏土中的循环变形和承载能力,描述其荷载-位移曲线的非线性滞回及循环累积特性。增加吸力桶的直径或长度均能一定程度上降低基础刚度的弱化,且在用钢量相同的条件下,相较于增加桶径,增加桶长对循环承载力的提升更为显著。

基于GPU并行计算的地下结构非线性动力分析软件平台开发

为解决地下结构隐式非线性动力分析收敛性差和计算效率低的技术瓶颈,该文建立了基于GPU并行计算的地下结构显式动力分析软件平台。在此平台中提出并实现了一种混凝土弥散开裂模型;给出并实现了一种钢筋纤维与实体单元的耦合方法;基于等参元思想,提出了人工边界节点的单元从属面积的计算方法;为实现节点不协调情况下的土与结构相互作用分析,开发实现了一种实体单元间的两节点接触单元。利用该文开发的软件对日本大开地铁站进行了重力场分析、线性和非线性动力分析。将重力场和线性动力分析结果与ABAQUS分析结果进行了对比,结果表明该文软件计算结果与ABAQUS计算结果一致,且计算效率约为ABAQUS计算效率的5.68倍,验证了软件各模块的正确性和效率。另外,通过将非线性计算结果与灾害调查结果进行对比分析,验证了软件非线性分析的稳定性和合理性。

地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法

针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结构表面的动水压力方程;将轴对称柱体结构的有限元方程与动水压力方程耦合,从而得到水-轴对称柱体结构系统的时域有限元方程;数值算例验证该文提出的水-轴对称动力相互作用的子结构方法,结果表明:该文方法具有很高的精度和计算效率。通过对水中轴对称结构地震响应和自振频率的分析表明:地震动水压力对结构自振频率和动力响应的影响随水深的增加而增大。

软黏土不排水循环应力应变关系的数值模拟

对程星磊等提出的总应力形式增量弹塑性本构模型进行二次开发,以模拟复杂应力状态下软黏土的响应。通过Newton-Raphson算法,对材料非线性问题进行迭代求解;针对本构模型中应力反向等一系列关键性问题,应用欧拉切线算法编写了有限元程序,并结合子增量方法提高了计算精度。预测了软黏土在轴对称应力状态下的响应,得到了应力应变关系曲线,将其与单元预测结果进行比较,二者趋于一致,从而验证了有限元程序编写的合理性。利用该程序模拟三轴不固结不排水试验,模拟结果与试验吻合良好,表明该本构模型有限元程序可以反映轴对称应力状态下软黏土的不排水应力应变特性,可应用于更加复杂边值问题的模拟计算。

正常固结饱和黏土中倾斜平板锚承载力分析

基于ABAQUS软件平台,针对浅埋及深埋两种情况,采用数值模拟手段研究了正常固结饱和黏土中倾斜平板锚的抗拔承载力,分析了不同土重条件及锚土接触条件对倾斜锚板抗拔承载特性的影响,揭示了不同工况下倾斜锚板周围土体的流动机制,阐明了埋置深度、土重条件及锚土接触条件对锚板破坏机制的影响。研究结果表明:“锚土分离”条件下,承载力系数随倾斜角度增大逐渐增大,这主要是由于土体剪切破坏面随倾斜角度的增大逐渐增大所致;“锚土黏结”条件下承载力系数随倾斜角度增大逐渐减小,这主要是由于土体的剪切破坏面随倾斜角度增大逐渐减小所致;无论“锚土分离”还是“锚土黏结”,浅埋条件下倾斜角度对承载力的影响均要大于深埋条件。建议了能够预测“锚土黏结”条件下倾斜锚板承载力的表达式,可为正常固结黏土中平板锚的工程设计提供参考。

软黏土中平板锚基础循环承载变形特性分析

开展了黏土中平板锚基础的循环加载试验,研究了循环荷载作用下平板锚基础的承载特性。模型试验结果表明,循环荷载作用下平板锚的位移时程主要有两种趋势:当循环荷载水平较小时,表现为循环振稳趋势;当循环荷载水平较大时,表现为循环失稳趋势。平板锚的循环累积位移(平均位移)随循环次数增加而增加,在相同的初始张拉荷载水平下,循环荷载水平越高,相同循环次数下的累积位移越大,平板锚越容易发生失效破坏。平板锚的循环位移(累积振动位移)随循环次数增加并无显著变化。锚板的平均位移要远大于振动位移,过大的平均位移是锚板失效的主要原因。利用有限元方法分析了黏土中平板的循环承载变形过程,通过预测结果与模型试验结果的对比,验证了有限元方法的合理性,同时也表明该方法能够预测平板锚的循环位移时程、荷载位移滞回曲线以及循环承载力。