基于非线性Pasternak地基模型的海床悬链线立管触地段初始侵彻静平衡解析解

钢质悬链线立管(steelcatenaryriser,简称SCR)作为深海油气资源开采的首选立管系统,其在与海床土体的相互作用下,对触地段管线埋深以及疲劳寿命影响较大。依据管土相互作用的非线性土体阻力-侵彻深度(p-y)曲线,将其简化为三段线弹性土体刚度衰减模型,求得了基于非线性Pasternak地基模型的海床上悬链线立管触地段初始侵彻静平衡解析解。通过与三维有限元算例和5个模型试验算例的对比分析,发现常规Winkler地基模型会高估管线竖向变形与弯矩,验证了基于非线性Pasternak地基模型解析解的合理性与适用性;海床抗剪强度Su0的增加显著提高了三段线弹性土体刚度,降低了管线竖向变形。此外,针对水深H、立管铺设角度g、管线外径D、管线弹性模量E和材料密度r的变化对管线侵彻土体时的物理力学特性进行了参数对比以及安全评估分析。结果表明:立管铺设角度g增大会使管线竖向变形减小,弯矩与剪力则有所增大,角度超过82o易出现屈服破坏;管线外径D的增加会使土体竖向阻力、管线竖向变形与触地段管线弯矩、剪力同步增大,外径超过0.4 m易出现屈服破坏;管线弹性模量E越大,竖向变形越小,弯矩与剪力则有所增大,弹性模量超过275 GPa易出现屈服破坏;管线材料密度越大,管线竖向变形越大,弯矩没有明显变化,剪力则有所增大,密度超过14 850 kg/m3易出现屈服破坏。上述结论可以为海洋管线悬链线立管的前期设计提供一定理论依据。

间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩非线性力学响应分析

目前关于抗滑桩力学响应研究还较少考虑间歇性强降雨环境所带来的影响,不能体现多次降雨入渗与太阳辐射蒸发环节,尤其是降雨环境中抗滑桩的非线性力学解析机制研究还十分少见。基于改进的间歇性强降雨Green-Ampt模型,引入非线性Pasternak地基模型,研究间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩的力学响应。首先,考虑干湿循环和水分蒸发理论,提出改进的间歇性降雨Green-Ampt入渗模型,将湿润锋作为潜在滑动面,并假设滑坡土体均质,获取降雨诱发的滑坡推力大小;其次,基于非线性Pasternak地基模型探讨桩-土相互作用,采用Newton迭代差分法求得间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩的力学响应解;最后,通过与既有工程案例对比,获得较好的一致性。此外,进一步揭示了间歇性降雨总次数、间歇时长、平均温度、边坡倾角及降雨强度等降雨敏感参数对湿润锋特性和抗滑桩力学响应规律。结果表明:当降雨强度从6 mm/h提高到20 mm/h时,抗滑桩位移增幅为116.82%;当温度从10℃上升到40℃时,抗滑桩位移增幅为43.15%;间歇性降雨下湿润锋深度发展呈现“阶梯”上升趋势,存在“欠饱和层→饱和层”;随着间歇性降雨次数的增加,边坡土体湿润锋不断向下推进,当到达一定位置时将诱发滑坡,滑动区厚度和滑坡推力同时增加,抗滑桩变形和弯矩也随之越来越大,其发展趋势呈现出逐渐减小后逐渐收敛至某一特定值;间歇时长和间歇性降雨总次数与抗滑桩变形和弯矩呈现负相关关系;而平均温度、边坡倾角和降雨强度与抗滑桩变形和弯矩呈现正相关关系。

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载;其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量;增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大;增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。

基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向非线性变形研究

目前预测基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向变形的简化计算方法大多采用弹性地基模型考虑隧道–地基的相互作用,无法进一步反映土体非线性变形特征。通过引入非线性Pasternak地基模型考虑隧道–地基的非线性相互作用,推导得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形控制微分方程。通过有限差分法将隧道纵向变形控制微分方程转化为矩阵–向量形式,利用牛顿迭代法求解得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形的数值解答。通过与三维有限元算例和2个工程案例进行对比分析,验证所提方法的合理性和适用性。研究表明:当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起量较小时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法与所提方法均能较好地预测隧道纵向隆起位移量;而当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起位移较大时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法明显低估盾构隧道的隆起量,而采用非线性Pasternak地基模型预测计算方法则提供更加可靠的预测结果。

基坑上跨开挖诱发既有盾构隧道隆起变形研究

基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形,危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法,通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁,忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足,提出带环间接头的盾构隧道计算模型,通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征,通过两阶段分析法,推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载;建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据,并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比,验证所提方法的适用性。

桥梁高桩承台基础地震破坏机理试验研究

进行了平面布置2×3钢筋混凝土高桩承台基础模型试件在砂土中的往复荷载拟静力试验.基于推倒分析方法,对试验进行了数值分析,并揭示了试件的地震破坏机理.结果表明：试件各桩在距桩顶1倍桩径、土面以下约3～8倍桩径范围内先后形成损伤区域;边桩最先屈服,边桩桩顶截面最先达到极限曲率,对抗震设计起控制作用;桩顶的损伤特征对于桩身自由段长度不敏感,而地面以下桩身的损伤特征对自由段长度敏感.

高耸混凝土烟囱土-结构相互作用地震反应分析

目前在高耸混凝土烟囱结构抗震设计和抗震性能评估中,由于缺乏合适的计算模型,一般采用刚性地基假定而忽略土-结构相互作用效应,或者采用传统的集中参数模型而忽略土的非线性特性。针对此不足,本文选用240 m高的钢筋混凝土烟囱作为研究对象,采用OpenSees程序,基于非线性文克尔地基梁模型和基于柔度法的分布塑性梁柱单元,建立了土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型,详细介绍了非线性文克尔地基梁模型主要参数的确定方法;研究了地基土非线性对高耸烟囱结构地震反应的影响,给出了考虑土-结构相互作用效应后结构周期、上部结构的内力和变形分布的变化规律。分析结果表明：考虑土-结构相互作用后,结构的自振特性、内力及节点位移都发生了不同程度的改变;考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型,峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数与不考虑土-结构相互作用时的结果之比分别介于0.921～1.219、0.732～1.29和0.822～1.536;而不考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型,峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数与不考虑土-结构相互作用时的结果之比分别介于0.838～1.578、0.92～1.76和0.656～2.831。不考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型的峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数的取值总体上较大,高估了烟囱结构在地震荷载作用下的内力需求。

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明:等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。