地震激励下列车-轨道-隧道-土体相互作用系统动力分析

为研究地震激励下列车-轨道-隧道-土体相互作用系统的动力学行为,建立三维列车-轨道-隧道-土体耦合时变动力学模型,以不同强度的地震波和轨道不平顺为系统激励源,通过实际地震动记录进行规格化处理纵向、横向和垂向地震动波,分析不同土质条件、地震强度下列车-轨道-隧道-土体系统动力响应特征。研究结果表明:地震作用可显著增大隧道内列车动力响应,在不同土质条件下,横向轮轨力的波动较无地震激励时显著增大,波动幅度平均增加92.23%,而垂向轮轨力的波动幅度平均增加7.14%,车体垂向、横向加速度分别增大89.50%和25.93%;在不同地震强度下,轮轨横向力与轮轨垂向力在地震强度为0.40g时达到最大,分别为46.760 1 kN与94.8637 kN,相较于地震强度0.35g时分别增大182.68%与5.35%,脱轨系数相较于地震强度0.35g时增幅达到168.28%;地震下土体振动呈放大效应,土体弹性模量较外部激励对放大系数的影响十分显著,其中,放大系数在土体弹性模量最大时为4.080 4;隧道的存在会隔断土体振动传播,隧道顶部土体加速度较隧道底部土体加速度降低约86%。

一种适用于板桩与土体相互作用的p-y曲线折减方法

p-y曲线法可充分考虑土体的塑性变形及抗力极限值,但该方法是基于单桩水平静载试验提出的一种桩土弹簧计算方法,无法直接应用于板桩与土体的相互作用。通过引入p-y曲线折减系数,提出一种适用于板桩与土体相互作用的p-y曲线折减方法,将其结果与Plaxis有限元模型计算结果及现场位移观测结果进行对比,并验证该方法的准确性。结果表明,该方法可以充分考虑土弹簧的非线性及土体地基反力极限值,弥补了m法和p-y曲线方法的不足。

埋地管线数值模拟中土体计算区域的选取问题研究

详细论述了动力无限元基本理论,提出了一种在非一致激励时无限元边界面上地震动的输入方法。在此基础上,考虑管线-土体之间的黏结滑移效应,采用动力无限元边界,建立了埋地管线的三维有限元-无限元耦合的精细化模型,对非一致地震波激励下埋地管线的动力响应进行了数值分析,对管线周围的土体计算范围的取值进行了系统研究,给出了管线周围土体的有效计算宽度W、有效计算长度L和有效计算深度H的取值范围。结果表明:W的取值与管径D紧密相关,H可取30~60 m,L应至少包含一个地震动的卓越周期段的波长,此分析结果可满足大多数工程需求。

考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析

采用有限元方法模拟大型双曲冷却塔的土体与结构相互作用(SSI),分析不同土体条件下自振特性的特征,基于风洞试验结果进行风致响应的计算,并分析不同土体条件下响应的差别。研究表明:土体刚度越小,土体结构体系的自振频率也越小;土体对冷却塔上半部分的子午向薄膜力影响较小,对下半部分影响较大;考虑SSI效应后,平均风作用下冷却塔径向位移增大,子午向薄膜力减小,脉动风作用下径向位移均方根增大,子午向薄膜力均方根几乎不变。

考虑土体剪切作用下桶形基础水平承载力研究

根据目前的试验研究,本文提出了一种桶形基础的水平承载力的计算模型,并据此模型推导桶形基础水平承载力计算公式。该模型考虑了当桶体发生转动时土体对桶体的剪切作用。水平承载力公式按照三维空间问题进行推导,形式简单,计算方便,有较强的实用价值。最后根据试验结果验证了该公式的合理性。

大气–植被–土体相互作用:理论与机理

植物是天然的工程师,拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能,并具备低投入、易养护、绿色环保和生态平衡等优点。目前国内外的研究和工程实践大多只考虑植物根系的力学加筋作用,而忽略了更为重要的水力作用。植物蒸腾能增加土体吸力,从而降低土体渗透系数且增加抗剪强度,所以能提高边坡稳定性和防止地表侵蚀。笔者的跨学科研究团队结合高等非饱和土力学理论和植物特征,从根本上研究了大气–植被–土体的相互作用机理;提出了新的理论模型,可预测植被土的持水能力;构建了考虑植物根系形状影响的地下水渗流与地表径流耦合运移的新模型;推导了计算植被边坡吸力分布与稳定性安全系数的解析解,引入了指数形、三角形、均布形和椭圆形4种典型的根系形状;并自主研发了用于离心机模型试验的人造根,能够模拟不同形状的植物根系的水力作用和力学加筋作用,并利用其揭示了根系形状对边坡的变形与破坏机理的影响。为保证研究的基础性和实用性,选取了百慕大草和鸭脚木树两种代表性植物,并考虑了种植间距与真菌等因素的影响。主要研究结果揭示:(1)植物在干燥与降雨条件下均能明显提高土体吸力,提高边坡稳定性;(2)植物引起的土体吸力可以用叶片面积指数和根表面积系数等植物特征参数量化,并且鸭脚木树的叶片面积指数和根表面积系数之间存在着线性关系;(3)真菌能显著提高植物根系的抗拉强度,加强植物的力学加筋作用;(4)所研究的4种根系形状中,指数形根最有利于提高边坡稳定性。上述研究包括室内试验、现场监测、离心机试验和理论建模等方面,建立了一套科学合理的理论框架与测试方法,并为植物护坡的工程实践和"海绵城市"的建设提供科学依据。

大直径圆柱壳结构与土体相互作用的一种耦合数值模拟方法

对于大直径圆柱壳结构及其土体分别采用壳单元和沿深度分层施加的三维空间弹簧单元进行模拟 ,推演了一种耦合数值分析方法 ,综合考虑了土体特性、土体深度及变形情况等因素。采用壳单元和弹簧单元的耦合数值处理可以有效地模拟大直径圆柱壳结构与土体之间的非线性相互作用机制。通过对实际工程的计算 。

土体-结构相互作用对消能减震结构的影响

本文在考虑土体-结构相互作用的基础上,结合实际工程,对地震作用下的消能减震结构体系进行了对比分析。分析表明,考虑土体-结构相互作用,对于消能减震结构体系的动力特性具有明显的影响。详细考察消能框架体系的楼层位移、楼层速度、楼层加速度以及楼层剪力等指标,在考虑土体-结构相互作用后,减震效果均明显变差;而且上述各指标在各楼层之间减震效果的差异也会增大。

单桶负压下沉过程中土体与桶形基础的相互作用

从理论上分析了单桶负压下沉过程中土体与桶形基础的相互作用。建立了桶在下沉过程中力传递的微分方程式,求得了桶在自重下沉时所能达到的最大深度与桶体自重、所受垂直载荷、桶体几何要素、土体的力学参数以及桶-土之间的摩擦强度之间的关系。考虑了负压下沉过程中渗流的影响,确立了桶内土柱顶部所需压力与下沉深度之间的对应关系。

考虑土体-结构相互作用的震陷分析的研究与进展

首先回顾了历史上数次较典型地震造成的结构震陷震害,说明了震陷研究的必要性。讨论了结构震陷研究的发展历史及其现状,揭示了其研究的发展方向。在此基础上,对结构震陷发生的内在机理及其研究方法进行了综合归纳,比较了各自的应用特点及使用范围。最后,就现行抗震规范对结构震陷计算的要求及与现实设计工作的差距进行了说明,指出了现阶段开展结构震陷研究的必要性和紧迫性。

基于群桩-土体共同作用的长短桩复合地基沉降特性研究

基于群桩-土体共同作用理论,建立了受力变形较符合实际的长短桩复合地基计算模型,并利用FLAC3D对所建立的模型进行计算分析,较真实地揭示了柔性基础下的群桩-土体共同作用的机理,得到了路堤分层填筑施工中长、短桩以及桩间土的沉降特性和规律.

考虑土体-结构相互作用的数值极限分析上限法

非连续面拓扑优化技术（discontinuity topology optimization,DTO）是考虑涉及土体-结构相互作用的岩土稳定性问题的极限分析数值上限法。稳定性问题的几何范围采用规则的栅格点阵进行离散,且点阵之间潜在连接线即滑移线或非连续面构造形成允许速度场或破坏模式。诸如土钉、支撑挡墙等结构体与土体建模时同时考虑,不用区别对待,而且非连续面可以穿过结构体是本文DTO技术的独特之处。DTO技术可以涵盖平动和指定边界区域结构体的转动。最终优化问题呈线性特征,并借助线性优化问题的内点法进行求解。刚性块体平动和转动以及刚塑性结构的塑性铰屈服破坏模式均可模拟。以拱桥结构、锚定板桩墙以及内支撑挡墙基坑稳定性问题为例证,检验程序的有效性。DTO的计算结果以图示的形式清晰且细致地表述了非连续面布局构造的临界破坏模式。

考虑土体流变特性的盾构机-土体相互作用研究

针对掘进状态下盾构机-土体相互作用问题,考虑土体流变特性,基于黏弹性理论和叠加原理,建立了盾构机-土体相互作用模型,提出了考虑盾构机结构特点,掘进速度和土体流变时效性的盾构机和周围土体间接触应力的计算方法,得到盾构机-土体接触应力与地层初始应力,开挖半径和时间成正比,与土体位移成反比。将黏弹性解与弹性解进行了对比,结果显示考虑流变作用推导的黏弹性解大于弹性解。对土体黏性系数、盾构机掘进速度和停机时间对盾构机-土体接触应力的影响规律进行了分析,结果显示盾构机-土体接触应力随着黏性系数的增大逐渐减小并趋于稳定,随掘进速度的增大逐渐减小并逼近于弹性接触应力分布曲线,随着停机时间的增加逐渐增大并逐渐达到稳定。

考虑平台—群桩—水流—土体相互作用的导管架式海洋平台振动特性研究（英文）

文章分别采用平台—群桩—水流—土体相互作用模型和考虑附加水质量的等效桩模型,对三维平台结构在地震作用下的响应结果进行了比较研究。研究表明,等效桩模型的动力响应结果要大于考虑平台—群桩—水流—土体相互作用模型。分别采用平台—群桩—水流—土体相互作用的三维分析模型和简化模型计算平台的固有频率,通过比较两种模型的计算结果,对简化模型进行了频率修正,提出修正系数关系曲线。这种方法节省计算时间,提高计算精度,可为海洋平台的振动特性计算提供参考。

考虑桩侧土体三维效应和地基剪切变形的隧道开挖对邻近桩基影响分析

目前就隧道开挖对桩基变形影响的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,较少考虑地基的剪切变形和桩侧土体三维作用效应。基于Pasternak地基模型,首先推导了隧道开挖与邻近桩基相互作用的简化理论解,该解反映了地基剪切变形但未考虑桩侧土体三维作用效应。在此基础上,为反映桩侧土体三维作用效应,将其等效成集中力通过剪切层传递到桩基两侧,推导了体现三维作用效应的群桩反应表达式。将考虑与不考虑桩侧土体三维作用效应的结果进行对比,发现考虑桩侧土体三维作用效应的桩基水平位移和弯矩值更接近监测数据和离心试验数据。此外,还针对群桩影响因素进行了分析。结果表明:土体剪切变形对桩基影响不容忽视,剪切层模量越大,隧道开挖引起的桩身水平位移越小;桩径越大,桩身水平位移越小,桩身弯矩越大;桩基与隧道距离越小,桩基最大水平位移和弯矩值越大。

浅层膨胀土及其纤维改良土的剪切强度特性

与膨胀土工程灾害密切相关的浅层膨胀土受到的围压通常较低,其力学特性有别于高围压下的情形.通过三轴剪切试验比较高、低围压下膨胀土的剪切行为及剪切强度的非线性特征,探讨聚丙烯纤维改良浅层膨胀土的剪切特性及加固机理.结果表明,浅层膨胀土剪切强度具有明显的非线性,可用幂函数表征.随着土体中水的质量分数增大和围压减小,膨胀土剪切强度非线性更加明显.采用高围压下的抗剪强度参数试验结果会导致浅层饱和膨胀土的黏聚力被高估225.7%、内摩擦角被低估42.5%.掺入纤维后膨胀土的剪切强度明显提高,提升幅度与土体中的三维纤维网状结构的形成度有关.增大纤维长度可以有效降低剪切强度衰减率,继而消弱膨胀土的应变软化效应;过长的纤维在膨胀土内容易弯曲和扭折,会导致纤维-膨胀土界面作用随着土体变形而逐渐劣化.

不平衡堆载作用下邻近结构桩的侧向受力机制

为了分析结构桩在邻近堆载作用下的受力特性,以条状梯形分布堆载为代表,基于布西奈斯克弹性理论解得出堆载作用下地基附加侧压力表达式,并据此通过对局部塑性变形理论模型的改进,推导得出桩前土体侧移作用下桩身实际附加荷载,同时考虑土体可能发生绕桩流动的极限状态,结合绕桩极限模型给出桩身被动荷载的合理确定方法;在此基础上,考虑地基土体塑性屈服和桩顶结构荷载的影响,基于三参数Winkler弹性地基梁模型,建立桩身自由段、被动受荷段和主动作用段的微分方程,并通过桩身离散与矩阵传递法给出结构桩被动受力特性的半解析解。实测结果、文献理论解与该解答的对比分析,验证了本文计算方法的可靠性。

土体水分蒸发模型研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响。尤其是近些年来,受全球气候变化影响,极端干旱性气候频繁发生,与蒸发相关的岩土和地质工程问题越来越突出,逐渐成为国际研究的热点。建立土体水分蒸发模型是该课题研究的首要目标,对准确评估和预测气候作用下土体水分场信息有重要理论和现实意义。着重对国内外学者近几十年来围绕土体水分蒸发模型所取得的研究成果进行了归纳和总结,依据各种模型的理论基础进行了分类,总体上可分为表面能量平衡模型、水量平衡模型、质量传输模型、阻力模型、温度-风速模型及吸力模型等六大类别。在此基础上,分别阐述了各类模型的研究进展,并对其中一些代表性模型进行了详细介绍,对比分析了各个模型之间的联系与区别,并探讨了它们的优缺点和适应条件。总体而言,现有的模型存在重气象因素而轻土性因素的特点,对砂土和饱和土具有较好的适应性,而对黏性土和非饱和土的适应性较差。基于此,结合本学科的特色和研究背景,提出了今后该课题的研究重点,包括非饱和土的蒸发模型问题研究、黏性土水分蒸发模型研究、考虑土体裂隙参数的土体水分蒸发模型研究、构建通用型的土体水分蒸发模型等几个方面。

下穿隧道–土–地表邻近框架结构相互作用体系地震响应初步分析

在中国城市轨道交通快速发展的推动下,隧道等地下结构近距离下穿地表建筑物的案例越来越多。对于相互穿越工程,较多的关注在于隧道等地下结构动态施工对地表建筑物安全的影响,而忽视了隧道建成后对被穿越的地表临近建筑物抗震性能的影响。拟结合某实际工程,建立盾构隧道–土体–地表邻近框架结构相互作用体系二维数值计算模型,对比分析隧道与邻近框架结构相互之间地震响应影响规律。计算分析表明:①隧道的存在使隧道两侧土体表面出现一个地震响应放大区;②下穿隧道对地表框架结构的地震响应有部分影响,但影响程度有限;③地表结构的存在对隧道结构地震响应的影响较小,可忽略不计。研究成果可为地下结构的规划以及地表结构与地下结构的抗震设计提供参考。

基坑开挖引起下卧既有隧道变形的简化计算方法

为得到基坑开挖对邻近下卧既有隧道变形受力影响,提出一种可预测基坑开挖对下卧隧道竖向变形影响的简化计算方法。采用Mindlin解获得基坑开挖引起既有隧道轴线处的附加应力,将隧道假定成无限长Euler-Bernoulli梁搁置在Vlasov地基;引入隧道侧向土体的影响,考虑既有隧道两端约束,进一步得到隧道竖向变形差分解。工程案例研究表明:与既有文献中有限元数据和实测数据对比,验证了该方法计算结果的合理性;与将隧道搁置在Vlasov地基模型(EB-V模型)和Winkler(EB-W模型)地基模型的解析计算结果比较,本文方法计算结果更贴近实测数据。进一步参数研究表明:隧道与基坑中心间距、隧道埋深以及土体模量的增大会引起隧道竖向变形及内力减小;随着既有隧道抗弯刚度逐渐增大,隧道竖向变形会逐渐减小,但会引起既有隧道内力增大。