非均等固结条件下饱和软黏土体应变特性试验研究

研究土料的动力特性对土石坝抗震设计具有指导作用。以卢旺达某水电站心墙黏土为工程依托,开展了一系列复杂初始固结条件下循环排水三轴试验,研究了固结比K_(c)、有效围压σ′_(c)和循环加载剪应变幅值γ_(a)对土体累积体应变ε_(vd)的影响。研究结果表明:小应变幅值循环加载条件下,ε_(vd)与γ_(a)线性相关,相同固结条件下ε_(vd)/γ_(a)发展均具有良好的一致性;σ′_(c)与K_(c)对体应变的影响与土体结构性相关,σ′_(c)与K_(c)越大,相同振次下体应变越小。另外,试验结果表明,Martin等提出的体变增量模型能较好地描述本试验中软黏土的体变发展。

长江口海域软黏土一维固结特性试验研究

特殊的沉积条件使长江口海域软黏土的力学特性具有明显的地域性。为研究长江口海域饱和软黏土的固结特性及其参数(固结系数C_(v)、压缩系数a_(v)和渗透系数k)的变化规律,对启东长江口某海上风电项目场地软黏土开展了一系列逐级加载的一维固结试验。结果表明:在自然沉积过程中,长江口海域软黏土因受长江水流及黄海和东海潮波的共同作用而具有较弱的结构性;固结过程中,海域软黏土固结变形的发展可分为线性发展阶段、快速变形阶段、稳定阶段,固结变形增量ΔSti随固结应力的增大呈现先减小后增大的变化;固结过程中,长江口海域黏土和粉质黏土的C_(v)先减小后增大并趋于稳定,av和k逐渐减小并趋于稳定,相较黏土,粉质黏土具有较大的C_(v)和k,较小的a_(v)。研究可为该区域海洋工程的基础设计提供参考。

软弱地层综合管廊三维非线性地震反应特性研究

软弱地层综合管廊在强震作用下易发生破坏。考虑土体非线性及水的影响,以苏通GIL综合管廊工程为依托,采用三维线性梁单元模拟螺栓与钢筋,对地震动进行幅值标定,建立三维精细化有限元模型,并根据不同地震动输入方式及强度,从衬砌应力分布、张开量及结构损伤角度分析综合管廊非线性地震反应特性。研究结果表明,45°共轭方向与拱腰位置处管廊受力较大,横向、纵向地震动作用下,随着地震动强度的增加,应力增加明显;横向地震动输入对管廊环间张开量的影响较小,当地震动达到峰值附近时,张开量增长明显,并在一定范围内波动;横向地震动对管廊结构损伤的影响较大,峰值加速度达0.3 g时,管廊内部结构在两端连接处及中间支撑处连接点出现拉压变形。

可液化场地20万吨级卸荷式板桩码头地震反应分析

地震作用下场地液化是码头结构发生破坏的主要原因之一。针对一种20万吨级卸荷式板桩码头建立二维有限元数值模型,采用有效应力法对该码头结构进行动力时程分析,研究其在可液化场地条件下的受力变形特征以及周围土体的动力反应。结果表明:可液化场地条件下,板桩码头的前墙变形与传统单锚式柔性挡墙不同,未出现明显的凸胀变形;地震作用过程中前墙承担的弯矩最大,最大弯矩位于海底泥面附近;码头结构对周围土体的地震反应有放大效应,临空面对土体地震动峰值加速度(PGA)影响范围随地震强度的增加有减小的趋势;墙后填土液化范围随地震动强度的增加逐渐扩大,在0.50 g情况下存在整体滑移的危险。

基于Davidenkov骨架曲线模型的修正不规则加卸载准则与等效剪应变算法及其验证

非等幅循环荷载作用下,采用"扩展Masing"法则修正应力–应变滞回曲线时,程序的实现过程中需要预留大量的状态变量。针对该问题,提出了Davidenkov本构模型的不规则加卸载修正准则,以代替"扩展Masing"法则中的"上大圈"准则。通过等效剪应变算法的比选,给出了加卸载判据简单且精度更高的等效剪应变算法。基于ABAQUS软件的显式模块,开发了基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov本构模型的显式子程序模块,适用于大规模二维和三维场地非线性地震效应分析。选取Mississippi湾500 m深的钻孔作为计算模型,通过与一维场地非线性地震效应分析专业程序Deepsoil计算得到的输入不同强度地震动下的地表峰值加速度、PGA=0.65g的场地地震反应的对比分析,佐证了提出的Davidenkov本构模型不规则加卸载准则与等效剪应变算法的合理性。

剪切-体积应变耦合的孔压增量模型试验

以南京细砂为对象,通过共振柱试验及应变控制的排水/不排水分级和单级加载循环三轴试验的系统性研究,建立了能够描述饱和砂土孔压增长规律的新模型。该模型遵循Martin和Byrne提出的基本理论框架,孔压的增长是由循环剪切作用下体积改变所引起的。提出的孔压模型属于应变控制的孔压增量模型。基于排水循环单级加载试验,通过引入体积门槛剪应变γ_(tv)的概念,以具有代表性的15周体应变(ξ_(vd))15为基准点,归准化体应变发展与循环剪应变之间的关系,建立了三参数的体应变增量模型及其参数标定方法。基于排水和不排水循环单级加载试验结果,揭示了体应变与孔压比之间的内在联系,进而导出回弹模量表达式。通过耦合新的体应变增量模型及回弹模量公式,建立了新的剪应变-体应变耦合的孔压增量模型。验证性试验表明,新的孔压增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高。

珊瑚岛礁场地非线性地震反应特征分析

南海珊瑚岛礁的地震安全问题是一个亟需解决的基础性科学问题。以某南海珊瑚岛礁为研究对象,开展了16组饱和珊瑚砂试样的动三轴试验,发现采用修正Matasovic本构模型描述珊瑚砂的动剪切模量折减和阻尼比增长特性是适宜的,并给出了相应的模型参数。详细考虑岛礁场地的工程地质特性和珊瑚砂的动力非线性特性、自由场非均匀网格划分和人工边界条件,尤其强调了土体应力–应变滞回曲线的不规则加卸载准则,建立珊瑚砂岛礁场地的二维非线性地震反应分析模型,分析了珊瑚岛礁场地峰值加速度放大系数的空间变异特征、地表加速度反应谱的谱形与持时特征。结果表明:①峰值加速度随场地高程的增加总体上呈增大的趋势,10 m以浅放大效应显著,灰沙岛和港池区域尤为显著;②基岩输入地震动频谱特性对珊瑚岛礁地表谱加速度的谱形影响显著,地表谱加速度在周期小于0.7 s部分的反应非常显著。③地表地震动持时较之输入地震动持时均有所减小,地形地貌特征对地表地震动持时有一定程度的影响。该研究结果对南海类似珊瑚砂岛礁军事和民事功能设施的抗震分析具有借鉴意义。

地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性研究

基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验,考虑爆破荷载的不规则特性,采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性;通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波;实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型,并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟,对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速,而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中,对分散爆破振动能量的作用显著,且地表速度响应的主频较高,远离建筑结构自振频率,可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明:①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力–过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。

浅表层隧道爆破对临近古建振动影响的现场模拟试验研究

隧道掘进爆破施工威胁临近建筑物的安全,尤其是结构性能日益衰退的古建筑。为降低此类爆破施工的环境影响,结合南京地铁4号线鼓楼站爆破施工现场模拟试验,对比分析了单孔爆破和多孔孔间毫秒延迟爆破对省级木结构保护文物鼓楼的振动安全影响。根据现场地质资料,模拟爆破点选在离古建筑距离较远而地质条件相近的拟建风道口处。根据6种爆破强度的模拟结果,研究了地表振动衰减和古建筑振动响应规律,并以此预估实际爆破施工时古建筑的峰值振动速度。试验结果表明:2种爆破方式均未造成古建筑鼓楼的进一步损伤,但相比于单孔装药量为500 g的爆破结果,总装药量为1100 g的6孔毫秒延时爆破能显著地减小峰值振速。文物鼓楼处地表的水平和竖直向振动衰减规律均符合萨道夫斯基公式,水平振动占主导地位;单孔爆破400 g装药量下共振效应最为显著,速度放大效应约为2.4倍。

不同刚度地铁地下车站结构振动台试验测试数据的时频特征分析

以模型结构整体剪切刚度量化微粒混凝土和石膏模型结构的刚度比,根据小波包变换的频带分布特征确定频带与结点的输出关系,并基于最小熵准则的最优基选择算法,对比分析了不同刚度三层三跨地铁地下车站侧墙加速度反应的时频特性。研究结果表明：最优小波包变换方法具有自适应的频域分辨能力,能较好地解决频带重叠现象。采用最优基小波包变换技术能有效挖掘出由结构材料不同引起的模型结构加速度反应的时间-频率-能量之间的差异。在强震作用下,微粒混凝土模型结构加速度反应的特征频带总能量高于石膏模型结构;石膏模型结构加速度反应在0~6.25 Hz频带的能量集中程度高于微粒混凝土模型结构,在〉6.25~12.5 Hz频带内的能量累积速率较微粒混凝土模型结构快;石膏模型结构加速度反应各特征频带进入快速能量累积的时刻均早于微粒混凝土结构。

土-地下结构相互作用的三维弱耦合有效应力分析法

地震波传播至土-结构接触界面时会发生反射与透射现象,结构周围土体处于往复剪应力和正应力差耦合的三维循环剪切状态。采用三维等效剪应变算法和加卸载判据将一维Davidenkov非线性滞回模型与剪切-体积应变耦合的孔压增量模型拓展至三维应力空间。考虑循环加载过程中土骨架循环刚度退化与超静孔隙水压力增长的耦合关系,建立了三维应力空间中的弱耦合有效应力分析法。基于ABAQUS显式求解器,实现了该有效应力算法,可应用于大型三维可液化场地中的土-地下结构体系非线性地震反应分析。针对已完成可液化场地三层三跨地铁车站结构试验开展数值模拟,结果表明:超静孔隙水压力的累积导致土的性状变化显著影响土-地下结构动力相互作用,数值模拟得到的土-结构接触界面能量聚焦时刻以及该时刻对应的瞬时卓越频率与振动台试验结果均吻合较好,提出的三维弱耦合有效应力法能较为理想地反映振动台试验中土-地下结构动力相互作用特性。土骨架有效应力水平显著影响超孔压比的发展规律,振动台不完备的密度相似比设计会造成模型结构周围地基土与原型的超孔压比分布规律存在差异。

长江口软基围堤施工的加载速率效应

针对长江口某围堤施工软土堆载过程中的稳定性问题,进行不同加载模式下的应力路径试验,分析长江口软黏土的应力-应变关系、结构损伤特性、强度及应变率发展模式,为该围堤工程的施工速率选取及施工过程中的稳定性控制提供技术依据。结果表明:在不考虑固结的前提下,土体的不排水抗剪强度几乎不受加载模式影响;最终强度与达到破坏时的应变大小无关,但与分级加载时间和分级静置时间存在相互作用关系;土体失稳时的应变率与加载速率和静置时间均有一定关系,且加载速率的影响更大;当加荷超过不排水抗剪强度的80%时,或分级最大应变率逐渐偏离加载初期的线性变化,土样濒临破坏。

本构模型特性对深厚场地非线性地震反应的影响

采用基于Davidenkov和Matasovic骨架曲线构造的不规则加卸荷应力—应变滞回圈,数值模拟了2个剖面的苏州第四纪深厚场地二维非线性地震反应。结果表明：（1）采用Matasovic模型计算的地表峰值加速度稍大于采用Davidenkov模型计算的地表峰值加速度,但前者计算的地表地震动持续时间稍小于后者计算的。随着基岩输入地震动强度的增大,两者给出的地表峰值加速度差异呈现逐渐增大的趋势,并与土体的横向不均匀特性有关;（2）两者给出的地表谱加速度谱形基本相似,其差异随基岩输入地震动强度的增大而增大;远场地震动作用下地表谱加速度的卓越周期也随输入地震动强度的增大而增大;（3）两者给出的峰值加速度随土层深度和横向的空间变化特征基本一致,远场地震动作用下的地表峰值加速度明显大于近场地震动作用下的地表峰值加速度。

一维场地地震反应非线性有效应力分析法及其验证

液化所致的土体软化会影响地震运动规律,需进行有效应力分析以确定可液化场地的设计地震动参数。本文提出一种弱耦合形式的场地反应有效应力分析法。此方法将土的非线性滞回模型与剪切–体积应变耦合的孔压增量模型相结合,建立了循环加载过程中循环刚度退化与超静孔隙水压力增长的耦合关系;基于ABAQUS显式求解器开发了相应的材料子程序。该方法被用于模拟日本强震台阵非液化和液化场地的地震反应分析,在不同深度的水平地震动模拟和记录之间显示出很好的一致性:计算与记录的非液化场地井下台阵的地表峰值加速度仅相差2.6%(弱震)和11.8%(中强震);计算与记录的液化场地井下台阵在设置强地震仪深度处的土层峰值加速度的差异均在5%以内,且计算与记录的非液化和液化场地的谱加速度曲线吻合度较好。对比专业软件DEEPSOIL V6.0计算的强震台阵液化场地地震反应的结果,本文方法能更好地模拟高频地震波在多层液化土层中的传播以及液化土层的非线性放大与滤波效应。

基于修正Davidenkov本构模型与Byrne孔压增量模型的有效应力算法及其验证

提出了Davidenkov本构模型的不规则加卸载修正准则,以代替扩展Masing法则中的"上大圈"准则,并通过南京细砂原状土样的共振柱试验,提出了考虑初始有效围压对初始剪切模量和参考剪应变的修正公式.利用ABAQUS显式开发模块,实现了基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov本构模型与Byrne孔压增量模型的有效应力算法.对饱和南京细砂进行排水循环三轴试验,给出了南京细砂的Byrne孔压增量模型参数;对饱和南京细砂进行了不排水循环三轴试验和三维数值仿真的比较研究,发现该子程序能够较好地模拟南京细砂的振动孔压发展过程,合理地反映土体的液化特性,从而验证了本文提出的有效应力算法的合理性.