基于等效损伤的土与结构物界面损伤强度模型

为探究土与结构物界面的力学特性及损伤演化规律,通过直剪试验分析了不同剪切面积土体条件下土与结构物界面的强度特性,且基于土体剪切面和土与结构物界面剪切过程中的损伤演化特征,构建土与结构物界面的等效损伤因子,提出基于等效损伤的土与结构物界面统计损伤本构关系,并结合试验结果对模型可行性进行验证。结果表明:土体剪切面积比对试样应力–应变曲线影响明显,相同法向应力条件下,土与结构物界面抗剪强度随着土体剪切面积比的增加呈线性增长的发展趋势;相对土体剪切面而言,土与结构物界面在剪切过程中孔隙和微裂纹发生剧烈变化,宏观表现为土与结构物界面强度低于土体剪切面强度;试样加载过程中,土与结构物界面总损伤为等效初始损伤、受荷损伤、等效初始损伤和受荷损伤相互作用产生的耦合损伤;本文模型计算结果与试验数据拟合度较高,能反映土与结构物界面应变硬化或应变软化型曲线特征。研究成果可为边坡桩–土界面分析及安全评价提供理论支撑。

考虑土与结构相互作用效应的结构减震控制大型振动台模型试验研究

本文设计并完成了考虑土与结构相互作用的结构减震控制大型振动台模型试验。通过对四种结构形式的对比试验，探讨了土与结构相互作用（ＳＳＩ）效应对结构地震反应的影响以及调谐质量阻尼器（ＴＭＤ）在刚性和柔性地基条件下对主体结构的减震效应。通过比较同一地震动作用下主体结构在刚性和柔性两种地基条件下的地震反应，可知：ＳＳＩ效应具有降低和提高结构减震控制效果的双重作用，其综合效果与输入地震动的频谱特性、加速度峰值大小有关。由于ＳＳＩ效应在结构地震反应中发挥着双重的作用，因而使得基于刚性地基假定下设计的ＴＭＤ减震控制系统在柔性地基条件下的控制效果不太理想，甚至会出现负面效应。本文还探讨了在柔性地基条件下影响结构减震控制效果的一些因素。

土与结构接触界面改进直剪试验研究

目的研究土与结构接触界面力学行为随接触材料类型及含水率变化规律.方法通过改进的直剪仪进行黏土自身、黏土与混凝土、黏土与石、黏土与砖4个含水率共64个试样的剪切试验.结果得到了不同含水率不同正应力下土与不同结构接触界面的剪切应力应变曲线.当土体含水率增大时,黏土内部摩擦角缓慢减小,而黏土与混凝土和黏土与砖接触界面的摩擦角急剧降低;土体内部的黏聚力逐渐减小,而土与结构接触界面的黏聚力均先增大后减小.各接触类型接触界面的抗剪强度随土体含水率的增大均呈下降趋势.只在含水率为13%、法向应力为50 kPa的黏土内部剪切时才出现剪胀现象.结论土与结构接触界面的抗剪强度、摩擦角、黏聚力等力学参数与接触材料类型及土体含水率密切相关,研究结果为工程设计的计算参数取值提供了试验依据.

土与结构相互作用对储罐地震响应的影响

为了研究土与结构相互作用对储罐地震响应的影响,基于Haroun-Housner模型,将地基土考虑为平动和转动的弹簧阻尼体系,将储罐结构体系简化为三质点四自由度力学模型,来研究储罐的地震响应受地基土弹性的影响。分析结果表明:与刚性基础相比,考虑土与结构的相互作用时储罐的基底剪力、倾覆力矩和晃动波高均有放大效应,且与储液高度与半径比相关,为获得理想的地震响应储液高度与半径比存在优化取值区间。

土与结构间接触面的非线性弹性-理想塑性模型及其应用

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面提出了一种非线性弹性-理想塑性模型,用于模拟土与结构相互作用体系的变形与破坏机理。推导建立了这种接触面单元的应力-应变关系和弹塑性系数矩阵,并且讨论了这种模型在基坑开挖与支护分析应用中所面临的数值计算问题。最后针对某一基坑工程实例,应用这种接触面模型进行了数值计算与分析,结果表明,该模型能够较合理地模拟接触面上的变形机理与受力状态。

土与结构接触面单直剪试验力学性质研究

基于高应力下土与结构接触面单直剪试验结果,从接触面本构关系、接触面剪切刚度及接触面摩擦角等方面研究了高应力下单直剪试验接触面的力学性质差异。结果表明:高应力直剪过程中剪应力-剪切位移具有非线性弹性特征,可用双曲线模型描述,而单剪条件下两者可用非线性弹性-理想塑性表征,双曲线模型的本质特征与单剪试验数据不吻合;直剪试验中接触面剪切刚度未减至零,而单剪试验中接触面剪应力达到抗剪强度后接触面保持零剪切刚度状态;高应力单剪试验条件下土与结构接触面的强度准则更适合用无黏聚力的莫尔-库仑强度准则表示;两种剪切试验条件下,影响因素对接触面初始剪切刚度的影响不尽相同;借助Taylor基于Davis关系式提出的接触面流动法则,给出了高应力下单直剪接触面摩擦角差异的理论解释,试验结果印证了该分析的合理性。

土与结构相互作用体系演变随机激励响应分析

应用Priestley提出的随机演变谱理论,考虑地震动强度和频率的非平稳特性,根据规范(GBJ50011 2001)场地划分标准以及线性时不变体系对随机激励的传递关系,分析土与结构相互作用体系在非平稳随机地震激励下的响应.调制函数是时间和频率的函数.通过算例分析表明:对于相互作用体系应该考虑地震动强度和频率的非平稳特性.

粒子测速技术和透明土在土与结构动力相互作用研究中的应用

为了观测和研究土体内部的变形,人工合成透明土和图像光学技术作为新兴的试验技术成为岩土力学研究的有力手段。根据一系列共振柱/扭剪仪试验测得的人工合成透明土的基本动力特性在某种程度上表现出了与天然土类似的变化规律,可以在动力试验中用来作为天然土的代替品。并介绍了用于土体变形测量的粒子图像测速技术的工作原理和基于神经元网络的像机校正方法。利用两个小型振动台试验,采用透明土和粒子测速技术研究了刚性块体和透明土的动力相互作用。试验表明粒子测速技术和透明土在土与结构动力相互作用中是一个有力的研究工具。

土与结构接触面的本构关系与数值模拟

论述了土与结构相互作用的研究及分析方法,重点介绍了当前几种常用的接触面的本构关系和接触面单元模型。

饱和土与结构动力相互作用影响函数

依据外力作用下两相饱和土介质动力响应的基本解 ,构造了柱面荷载作用下 ,饱和土与结构动力相互作用影响函数 。

切向应力幅值对土与结构接触面切向变形的影响研究

运用80t大型三维多功能土工试验机,进行了应力控制往返圆形剪切路径下粗粒土与结构接触面三维直剪试验,分析了切向应力幅值对接触面切向位移、非共轴角和剪切柔度等切向变形特性的影响规律。试验结果表明:应力控制往返圆形路径下,接触面产生了明显的x向和y向位移及其偏移、非共轴角、剪切柔度和剪切耦合效应,呈现出显著的三维特性。切向应力幅值达到临界应力幅值时,接触面切向位移幅值及剪切柔度峰值随循环剪切基本保持不变;剪切柔度初始峰值与非共轴角稳定值存在对立统一关系。切向应力幅值主要影响接触面力学特性参数数值,对其之间关系形式影响很小。切向应力幅值越大,接触面x向和y向位移幅值越大,向负向偏移程度越大;非共轴角稳定值越小,剪切柔度峰值越大。非共轴角稳定值、剪切柔度初始峰值与切向应力幅值间存在良好的关系,可用建议的计算公式进行描述,为接触面三维力学特性的本构建模奠定了基础。

基于反应谱的土与结构相互作用体系非平稳随机地震反应分析

提出了分析土与结构相互作用系统随机地震响应分析的反应谱方法,考虑地震激励的非平稳性,假定地震激励为等效平稳随机过程,根据线性时不变系统对随机激励的传递关系,利用规范中的标准反应谱,确定系统非平稳响应的统计量。实际算例表明所提出的方法与震灾情况具有较好的一致性。

土与结构相互作用效应的中外抗震规范对比

为优化我国抗震设计规范基于土与结构相互作用效应的抗震设计方法,对中国大陆、台湾及美国和欧洲抗震设计规范中有关SSI条文进行了介绍,从规范条文应用范围、地震作用折减方法、修正参数、折减系数沿结构高度变化、侧向水平位移、基底剪力折减量等方面进行对比分析,总结出了我国大陆抗震设计规范考虑SSI效应与其他规范的不同及不足之处,明确了我国大陆抗震设计规范考虑SSI效应条文方面进一步修改的方向和相应的研究内容,对我国抗震设计规范关于SSI条文提出相应的修改建议。

土与结构相互作用理论

论述了土与结构相互作用理论的研究方法及其计算理论——整体数值分析法、子结构法、集中参数法。

复杂应力条件下土与结构物相互作用接触面的力学特性

为研究外加荷载对接触面力学特性的影响,通过土与结构物相互作用的物理试验和数值模拟研究接触面最大剪应力的变化规律,运用PFC2D模拟土与结构物相互作用过程中颗粒位移和颗粒接触力的不同响应.结果表明:当法向应力一定时,最大剪应力随围压的增大而近似线性增大;当平均应力一定时,最大剪应力随法向应力的增大而近似线性增大;当法向应力一定、围压逐渐增加时,颗粒位移和颗粒接触力的分布与法向应力与围压的比值有关.

土与结构相互作用体系动力特性研究

建立了土与结构相互作用体系动力特性的分析方法—频响函数法。对于土与结构相互作用体系,在弹性半空间地基分析的基础上,考虑了地基土分层特性、地基土的非线性效应以及基础埋深对相互作用体系动力特性的影响,结合实际算例,研究表明:土的分层特性和土的非线性特性对相互作用体系的动力特性有重要影响。

粒状土与结构接触面多重剪切边界面模型

针对工程中存在大量的土与结构物相互作用,使接触面的力学特性对土体和结构物的受力变形及其相互作用产生重要影响的问题,利用塑性滑移理论,将粗粒土与结构接触面的宏观变形分解为一个宏观法向变形和剪切面内一系列不同方向分布的相互独立虚拟微观剪切变形;通过虚功原理,在粒状土的状态相关和边界面弹塑性理论框架内建立一个粗粒土与结构接触面的多重剪切边界面模型.每个微观剪切变形包含一个微观剪应力-应变关系和一个微观应力-剪胀关系.引入一个与接触面土体密度和法向应力相关的状态参数,用以描述不同状态下土与结构接触面的变形和强度特性.对不同粗粒土与结构接触面在二维或三维应力条件下的单调和循环剪切试验进行模拟计算,模型预测与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地描述粗粒土与结构接触面的非线性力学行为.

土与结构物半模直剪试验的颗粒流数值模拟

使用自主改造的半模直剪仪进行土与钢板、石板的半模直剪试验,竖向荷载分级施加,分别为50kPa,100kPa,150 kPa,200 kPa。应用颗粒流离散元程序——PFC2D对土与结构物在不同法向应力条件下相互作用的半模直剪试验进行数值模拟,研究土与结构物相互作用时接触面土体变形及剪应力的变化情况。分析得出土与结构物相互作用时,土体会呈现出硬化现象。随着法向应力的增加,土的剪应力会升高。在土与结构物的接触面上,形成了一定厚度的剪切带,说明土与结构物的相互作用并不只局限于接触面,而对接触面以上一定厚度内的土体也有影响,但影响范围不大,约为5倍的粒径。土与结构物相互作用时,结构物的性质对土体剪应力的变化影响不大。

基于均匀调制随机模型的土与结构相互作用体系地震反应分析

通过假定土与结构相互体系受到均匀调制随机激励,把地基土作用转化为凝聚在基础边界上弹簧阻尼器,对相互作用体系进行了地震反应分析,得到了其时变均方根响应和响应演变谱。这一方法基本上反映了地震动的实际过程和结构体系响应的特性,不失为一种计算结构体系随机反应的有效算法。

Ⅳ类场地土与结构相互作用的隔震分析

以某8层框架结构为例,使用ETABS软件进行时程反应分析,可以得到考虑土与结构相互作用时橡胶隔震体系、滑移隔震体系等不同模型在第Ⅳ类场地的自振周期、层间剪力、最大位移等情况,得出不同结构的自振周期都有延长,各层位移增大,滑移隔震体系相对于普通结构和橡胶隔震体系而言,剪力和层间位移都大幅度降低,因此在第Ⅳ类场地使用滑移隔震体系效果更好。