考虑水-结构-土相互作用的桥墩自振频率半解析解

建立考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构自振频率半解析解,并通过实测数据进行验证。以单个桥墩为研究对象,将“桥墩-承台-桩基”结构体系简化为Bernoulli-Euler梁,采用附加质量模型模拟水-结构相互作用,采用弹性Winkler地基模型模拟桩-土相互作用,建立考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构振动控制方程。使用分离变量法得到结构振型函数,根据边界条件建立矩阵方程,通过求解方程的特征值得到结构自振频率。以福州浦上大桥E11桥墩为例,将海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)核心地震计安装在承台处,采集桥墩的振动响应并提取结构自振频率。同步安装陆地地震仪验证OBS水下监测的有效性,通过对比半解析解、有限元解和实测值验证桥墩结构半解析解的合理性。在此基础上,分析土-结构相互作用、水-结构相互作用对结构自振频率的影响。结果表明,OBS能够满足桥墩自振频率水下测试的环境要求;建立的考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构自振频率半解析解合理;土-结构、水-结构相互作用会降低结构的一阶自振频率,其中土-结构相互作用的影响比水-结构相互作用更显著。

岩溶塌陷演化过程中的水-土-岩相互作用分析

分析了岩溶塌陷演化过程中物理力学上的水 土 岩相互作用 ,并对作用模式进行了探讨。分析结果表明岩溶塌陷的发育和水 土 岩相互作用密不可分 ,塌陷的物质载体是盖层土体和岩层的顶板 ,而地下水赋存于岩土体内 ,地下水和岩土体之间存在着复杂的物理力学、化学作用 ,土体和岩体之间也存在着应力传递和物质传输作用 ;反之 ,岩土体结构和稳定状态的变化也会改变地下水的渗流运动状态 ,从而又反过来影响岩土体的结构和稳定状态 。

水-土相互作用对土体裂隙水流的影响

分析了土体裂隙介质的渗透空间结构， 概化了其水文地质模型； 从流体动力学角度探讨了水－土相互作用的力学显现和对土体裂隙水流运动的影响， 讨论了水－土相互作用与水流运动互为影响、互为控制的内在关系。

水-土相互作用对浅层地下水硬度升高的影响

浅层地下水硬度呈逐渐升高的趋势,已成为地下水污染的一个普遍问题。设计淋溶试验模拟水-土相互作用的过程,研究地下水硬度升高的机理,对区域地下水水质保护、地下水资源合理开发利用都是十分必要的。试验使用的水样采自地下水,土样包括污染土、农田土、清洁土。试验结果表明:水-土相互作用会导致淋滤液总硬度升高,淋滤液中易溶盐、K+、Na+阳离子及TDS和硬度生成有密切的关系;在水-土相互作用过程中发生溶解作用、阳离子交换作用和盐效应,导致游离态钙镁,交换态钙镁及化合态钙镁进入地下水,引起地下水总硬度升高。

头寨滑坡地下水化学特征及其反映的水-岩(土)相互作用

文章以头寨滑坡为对象,分析滑坡岩土体的矿物组成和组构等特征,研究表明造成滑体玄武岩岩体性质劣化的风化过程是一种物理-化学耦合的水-岩(土)相互作用过程,在多尺度(微观、细观、宏观)岩(土)体的"石夹土"结构中得到体现,水岩作用产物主要有绿泥石、伊利石和蒙脱石等黏土矿物。采集滑坡体剪出口处的地下水样测试水化学组成,选取前四个主因子P_1、P_2、P_3和P_4(分别占总方差的39.9%,21.9%,16.7%和13.5%)分析地下水的水化学特征。主因子P_1主要反映玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,主因子P_2反映岩(土)体孔隙中有柱状硫酸钙矿物的结晶析出,主因子P_3反映岩(土)体同地下水之间存在阳离子交换,主因子P_4反映岩(土)体水岩作用产物——Si O2矿物在地下水中溶解性与水溶液中CO_2含量的关系。地下水主成分分析的结果能反映出滑坡地下水与岩土体的相互作用的主要过程。

地震作用下水-结构-土动力相互作用分析

该文基于ABAQUS建立了地震作用下水-结构-土系统数值模型,分析了地震动水平和竖向作用时在不同水深条件下水-结构、水-土相互作用对结构、土体和水体响应的影响。结果表明,水平地震动作用下水-土相互作用对系统响应的影响远小于水-结构相互作用,且对水、土、结构响应的影响较小,可忽略不计。竖向地震动作用下水-结构相互作用对系统响应的影响远小于水-土相互作用;水-结构相互作用对系统响应影响较小,做理论简化分析时可忽略这一部分,只考虑水-土动力相互作用。

按主成分分析法研究黄土灌溉区水-岩(土)相互作用

文章以甘肃省永靖县黑方台地区为研究对象。该地区受长期灌溉水下渗导致地下水位抬升,进而诱发了大量黄土滑坡。为了进一步研究黑方台地下水的水-岩(土)相互作用对岩土体的影响,借助主成分分析法,对黑方台的地下水化学特征进行分析,并结合滑坡岩土体的易溶盐成分和矿物组成等特征做综合研究。采集滑坡体出水口处的地下水样测试水化学组成,选择前2个变量因子Z_1、Z_2作为主成分(分别占总方差的68.166%和20.576%),分析地下水的水化学特征,便可反映90%左右的信息。主因子Z_1主要反应易溶盐含量和水敏性矿物(长石类、方解石等)的水解作用对地下水化学成分的控制作用,主因子Z_2反映微溶盐石膏(硫酸钙)矿物的溶解度随地下水离子浓度增加而增大和CaCO_3的溶解、沉淀过程。研究表明,水-岩(土)相互作用会导致岩土体胶结性变差,微结构破坏,进一步累积会使岩土体产生大量裂隙和孔洞,最终将影响岩土体稳定性;另外,黄土中CaCO_3的淋溶和迁移证明CaCO_3淀积层顶部应为地下水入渗方式转变的分界线。地下水主成分分析的结果能反映出黑方台滑坡地下水与岩土体的相互作用的主要过程。

考虑水-桩-土相互作用的单桩式海上风机结构系统自振频率解析解

海上风机结构系统频率是海上风机结构和基础设计考虑的关键因素之一,桩-土相互作用对海上风机结构系统频率影响显著。基于欧拉-伯努利梁理论和传递矩阵方法,考虑水-桩-土相互作用及塔筒变截面特性,建立单桩式海上风机结构系统横向振动自振频率特征方程;将桩-水相互作用等效为附加质量、桩-土相互作用等效为线性弹簧,变截面塔筒等效为多段均匀梁,利用MATLAB中fsolve函数求解固有频率。通过与有限元分析结果进行对比,验证本文方法精度与有效性,并将本文方法应用于实际工程中,研究桩基础埋深、上部质量、转动惯量和桩-水相互作用对单桩式海上风机结构系统自振频率的影响。

考虑水-土-桥梁动力相互作用的大跨桥梁地震反应分析

为了研究地震动作用下动水压力对深水桥梁的影响,基于局部动力人工边界、流体边界及流固耦合理论方法建立了水-土-单桩整体模型,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,同简化的Morison方程法模拟方式及无水模型进行对比分析,研究考虑桩土作用前提下工程简化方法和考虑流固耦合的整体方法的差异,以及桩土作用下动水压力对单桩结构动力反应的影响。在此基础上,以某跨海大跨连续刚构桥为背景,首次建立了水-土-桥梁系统的整体动力有限元模型,研究水-土-桥梁系统的地震动力反应,分析了桥梁各构件的内力幅值和分布规律,并与未考虑动水作用下的桥梁结构进行对比,分析了动水压力对深水桥梁的地震反应的影响规律。结果表明,动水作用受地震波频率影响较大,但规律相近,相同外部环境下,由于上部结构和桩土相互作用的不同,动水压力对单桩的影响大于大跨桥梁桩基础的影响。对于大跨桥梁,动水作用对处于水中桩基础的影响较大,水中部分的桩基础内力增幅最大,对水位以上的桥墩影响稍小,考虑动水作用后主梁轴力增加,弯矩减小。

考虑水-结构-土相互作用下深水圆柱的地震响应分析

以水中圆柱体为模型,考虑水⁃结构⁃土的相互作用,研究柱体结构在地震和波浪共同作用下的动力响应。采用有限元法将柔性柱体结构离散为欧拉⁃伯努利梁单元,水⁃结构相互作用通过附加质量代替,土⁃结构相互作用通过线性弹簧代替。基于结构自振频率分析,讨论土⁃结构和水⁃结构相互作用对结构自振频率的影响。研究土⁃结构相互作用、地震动水力和波浪力对柱体结构动力响应的影响。

动力荷载作用下水-桩-土相互作用简化分析研究

针对近海结构单桩基础在动力荷载作用下发生复杂的水-桩-土相互作用问题,建立了三维水-桩-土全耦合动力有限元分析模型。土体、桩和水体分别采用实体单元和声学单元模拟,土体截断边界采用滚轴边界条件、水体截断边界采用无反射吸收边界条件,并确定了合理的截断边界位置;以全耦合分析模型计算结果为参考解,系统研究了四种动荷载作用下水-桩不耦合(两者界面自由)和水-土不耦合(两者界面自由)对桩体和海床表面位移和动水压力响应的影响,揭示了不同水深和桩体半径变化下不考虑两种相互作用的影响规律。

泥石流启动过程中水土作用机制的宏细观分析

利用自制小比例模型槽,结合可控降雨强度的降雨模拟器,进行人工降雨诱发泥石流的室内模型试验,着重研究不同降雨强度对砂性泥石流启动下滑过程的影响。利用精密的基质吸力测量仪器(PF-Meter测量仪),对非饱和砂土基质吸力随含水量的变化关系进行研究。利用孔隙水压力量测技术,对降雨过程中孔隙水压力的变化进行测量。通过水土作用的力学变化规律对泥石流启动时的宏观影响因素进行分析。在宏观分析的基础上,利用CCD微观摄像技术,观测砂土内部砂颗粒的运动规律,运用GeoDip软件从细观的角度对泥石流堆积土体力学变化的成因进行探讨。分析结果表明砂土在雨水作用下,砂颗粒的运动是导致堆积土体内部力学变化的主要因素。

贵州省鸡场滑坡地下水化学特征反映的水-岩(土)作用

滑坡体水-岩(土)作用是一种复杂的物理化学综合作用,影响坡体的稳定性,但关于目前水-岩(土)相互作用对地质灾害发生方面的影响研究仍较为薄弱。以贵州省鸡场滑坡为研究对象,分析滑坡区岩土体矿物组成和化学成分特征,结合区域内基岩裂隙水、大气降水的成分变化,利用主成分分析方法,研究鸡场滑坡水-岩(土)作用过程,并分析水岩演化作用对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)滑体内玄武岩的风化过程是一种机械破碎-矿物蚀变耦合的水-岩相互作用,发生在“微观-细观-宏观”3种尺度上;(2)选取前3个因子Z_(1)、Z_(2)、Z_(3)(分别占总方差的49.365%、27.135%、15.092%)分析地下水的化学特征,主因子Z_(1)反映了玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,主因子Z_(2)反映了地下水的蒸发作用与SiO2溶解度随pH变化的矿物沉淀作用,主因子Z_(3)反映了地下水与岩(土)体间存在离子交换作用且主参与离子为Mg^(2+)和K^(+);(3)水岩作用产物主要为伊利石、蒙皂石、绿泥石等黏土矿物,使得岩体结构面内黏土矿物含量增加,岩体劣化损伤,对滑带的形成及滑坡的解体产生重要影响。由此研究说明滑坡地下水与岩土体相互作用的主要过程能被主成分分析结果充分反映。

隔水层再造——西北保水采煤关键隔水层N_2红土工程地质研究

西北干旱-半干旱区浅表层水(河流湖泊水、沟谷径流水、第四系砂层潜水等),是维系区域生态地质环境(生态层)的珍贵水源,是煤层开采水资源保护的主体。根据区域浅表层水含隔水层地质结构,西北煤田煤层覆岩之上广泛分布新近系N_2红土,为浅表层水底部的直接隔水层或沟谷径流的下垫层,对区域保水采煤、生态环境保护,起到至关重要的作用,是关键隔水层。在分析N_2红土区域分布特征、基本物理-水理-力学性基础上,采用N_2红土采动破裂钻孔原位压水试验、蠕变渗透性测试、水-土相互作用试验等,对N_2红土不同程度采动破裂前后及其采后应力恢复蠕变的隔水性能变化特征进行了深入研究分析,发现N_2红土隔水性能受采动破坏后,具有很好的自我恢复功能,并从其地质结构组成、水-土相互作用及其流变特性方面,解释了隔水性自然恢复机理;由此提出隔水层再造及其应具备的主要工程地质属性。

采动土体裂隙水流运动特征的研究

讨论了采动土体裂隙介质的渗透空间结构是一特殊的变形介质，隙壁的形状和性质是变态模拟试验研究的两个重要问题，分析了采动土体裂隙水流运动的过程和变化，指出其运动是包含定向与入渗的两种运动，并发生了水－土相互作用，临界水位上升速度及有效持续时间控制了流量的变化；裂隙水力参数中隙宽对水流的影响是主要的。

水下隧道附属竖井的横向地震响应研究

受隧道和围岩的约束影响,水下隧道竖井在地震作用下的内力和变形特征与一般井筒式基础存在明显不同。基于黏弹性人工边界条件,采用通用有限元程序ANSYS建立了一种可以同时考虑土水介质与结构动力相互作用的有限元分析模型。通过对软土和岩质地基中竖井结构的横向地震响应进行分析。计算结果表明:不同土质条件下的竖井结构内力和变形规律基本一致,但受影响程度存在较大差异,主要反映在与隧道接头位置。上述结论可为进一步研究水下隧道竖井结构振动理论及竖井结构设计提供参考。

饱和软土地基中PHC管桩承载性状分析

针对饱和软土地基中高预应力管桩(PHC管桩)的承载性状问题,考虑桩-土-水相互作用,基于小孔扩张理论,分析了PHC管桩受力状态;结合剪切位移法与位移协调法,提出了桩-土-水相互作用下单桩极限承载力解析式,并推导得到桩周土应力状态求解公式。将上述成果应用于某工程PHC管桩承载性状分析,并与规范法进行对比,验证了其合理可靠性,为饱和软基中PHC管桩稳定性分析及检测提供参考。

水下双层衬砌隧道对平面SV波散射问题的解

将水层和水下土体分别视为无黏性流体和饱和多孔介质,基于无黏性流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑水-饱和土-隧道动力相互作用,借助Hankel函数积分变换法,给出水下双层衬砌隧道对平面SV波散射问题的解.与以往研究中的“大圆弧假定”方法相比,Hankel函数积分变换法可以有效地将饱和土中散射波势函数的表达式从柱坐标系直接转换到直角坐标系下,更有利于水下双层衬砌隧道场地边界条件的处理.在解析解的基础上,重点分析内外衬砌刚度比和内外衬砌厚度比对水下双层衬砌隧道地震响应的影响.研究结果表明:(1)内外衬砌刚度比和厚度比的变化对隧道位移和孔压集中系数影响不明显;(2)随着内外衬砌刚度比的增加,内衬砌动应力集中系数明显增加;(3)随着内外衬砌厚度比的增加,内衬砌动应力集中系数减小.

供水管道漏损流化区域数值仿真模拟

管网漏损仍然是中国城市供水系统面临的一个重大问题。供水管网漏损后,会发生出射的高速水流令土体颗粒流化自由移动,水流裹挟土颗粒冲蚀外管壁,进一步造成管壁变薄,最终引起管道破坏,造成爆管。本文采用CFD(computational fluid dynamics)模拟手段对土壤内部流化的发展过程和漏孔处的流场速度分布规律进行仿真模拟,研究结果表明流化区域呈现倒圆锥状,初期纵向发展,被水流裹挟的砂颗粒部分向上压实形成土拱,纵向发展至一定高度后,部分砂颗粒堆存于两侧,压实两侧填砂区域,从而向横向发展。该研究初步揭示了漏损引起土体流化的过程与机理,对于供水系统漏损控制,爆管防护具有重要的科学价值。

瀑布沟心墙坝有效应力算法和总应力算法的对比分析

在总结土体总应力算法和有效应力算法区别的基础上,结合瀑布沟粘土心墙坝实际工程,分别运用两种方法,计算模拟施工填筑以及蓄水过程,得出各个时期坝体典型断面上各部分的变形、应力.计算结果表明,两种方法算得的变形、应力分布规律一致,只是由于有效应力算法考虑了土水相互作用以及孔隙压力消散的时间过程,以至于在各时期有效应力算法各变量极值均较总应力法为小.在大坝初次满蓄情况下,有效应力算法得出心墙上游面小主应力较竣工期有明显减小,而总应力法却不能反映这一典型现象,表明有效应力法更为符合实际,更能准确地判断心墙发生水力劈裂的可能性.