热效应下P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动研究

基于热效应下弹性波的传播理论,通过建立P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地模型,研究了该场地下地震地面运动的问题.采用Helmholtz分解原理,结合边界条件,对热效应作用下场地中的波场进行分析,得到平面P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动的解析解答.通过数值模拟,分析了热传导系数、饱和度、地下水水位等物理力学参数对场地地震地面运动的影响规律.研究结果表明:在考虑热效应和等温条件两种模型时,场地位移放大系数表现出显著的差异.特别地,在等温条件下位移放大系数普遍大于考虑热效应时的值;水平位移放大系数的变化趋势与热膨胀系数及热通量相位延迟时间的增长呈正相关性.与此同时,当介质温度和饱和度增加时,水平位移放大系数则表现出下降的趋势;对于竖向位移放大系数,其变化模式与热通量相位延迟时间、介质温度和饱和度的增长呈正相关.然而,当热膨胀系数增加时,竖向位移放大系数呈现出减小的趋势;此外,热传导系数的增加对自由场地位移放大系数的影响不明显,表明热传导系数对场地位移放大系数的变化作用较小;在考虑地下水水位的影响时,热效应下随着地下水水位的升高,水平和竖向位移放大系数逐渐增大.相反,在等温条件下的位移放大系数均随之减小.

基于流固耦合两相介质动力模型的饱和土体—地下结构体系地震反应研究

基于ABAQUS有限元软件平台,应用流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟场地饱和土体,进行了饱和土体-地下结构地震反应的计算研究。结果表明:在地震输入的最后时刻结构的两侧底角区域应力值最大;土体的孔隙压力和竖向位移主要集中在结构下方的区域,结构两侧土体的孔压与竖向位移呈对称分布;场地土体的竖向位移随深度的增加逐渐减小;体系最大地震反应出现的时刻对应于输入地震动的最大加速度出现的时刻。表明了流固耦合两相介质动力模型孔压单元在饱和土体-地下结构体系地震反应研究中的有效性。

地下水位对核电结构地震反应的影响分析

核电结构大多沿海或沿江、河而建,在地下水位以下,土体孔隙中的流体对土层的地震响应有较大影响,进而影响核电结构的响应。本文采用饱和多孔介质模型,考虑土-结相互作用效应,分析地下水位对核电结构地震反应的影响。通过传递矩阵方法,得到干土-饱和土水平成层场地的自由场,并结合透射人工边界,实现土-结相互作用分析的波动输入;采用土-结相互作用的分区并行计算方法,实现饱和土和结构相互作用分析。其中,含地下水位的场地土体采用广义饱和多孔介质模型描述,通过自编FORTRAN程序用集中质量显式有限元结合透射人工边界进行模拟,结构通过ANSYS中的隐式有限元进行分析。以某一核电结构为例,分析了0,−10,−20,−30,−40 m不同地下水位的五种场地上,土-基础-核电结构体系的动力响应。结果表明,地下水位对基础和结构的位移影响不大,对加速度的影响较大。

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。

单相土体与饱和土体地下结构地震反应对比研究

基于ABAQUS有限元软件计算平台,应用二维流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟饱和场地土体,进行饱和土体场地与单相土体场地中地下结构地震反应的对比研究。计算结果表明,地震反应最后时刻,单相土体场地中结构与饱和土体场地中结构的应力云图呈对称分布,且均在结构底角区域、混凝土柱顶部两侧区域、顶板中部外侧区域出现了应力集中;与单相土体中的结构相比,饱和土体中结构的Mises应力值较大,应力集中区域较多,区域面积较大。

地下结构抗震性能土工模型箱拟静力试验中土体尺寸的影响研究

随着地下空间的开发和地铁、隧道等地下结构的大规模建设,地下结构的抗震性能受到重视。相比于地上结构抗震性能研究的丰富成果,地下结构抗震性能的研究还远远落后,试验成果相对缺乏。地下结构土工模型箱拟静力试验可以较为合理地反映土与结构的相互作用,是一种适用于地下结构抗震性能研究的试验技术手段。在该试验中,模型箱内土体的尺寸是重要的试验参数,可能会对试验结果产生重要影响。因此,如何确定合理的土体尺寸是地下结构土工模型箱拟静力试验中应该研究的重要内容之一。文中以地下单跨结构为例,通过数值模拟研究了地下结构土工模型箱拟静力试验中土体尺寸对试验结果的影响。结果表明,地下结构土工模型箱拟静力试验中土体尺寸对地下结构抗震性能产生影响,地下结构抗震性能拟静力试验中结构周围的土体不宜忽略;在这一试验中存在一个合理的土体尺寸取值范围,当模型箱内的土体尺寸控制在该范围内时,既可以有效反映土体对地下结构的约束作用,又可以合理地反映地下结构的受力状态,确保获得可信的试验结果,同时有助于适当减小试验中的用土量。文中通过对比分析,给出了典型地下单跨结构拟静力试验中土体尺寸的建议取值。研究结果对地下结构土工模型箱拟静力试验的设计具有参考价值。

地震作用下土-深埋地下结构相互作用的高效时程分析方法

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当结构埋深较深时,整个土-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的自由表面向下移动、底边界面向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且针对不同结构尺寸、结构埋深和围岩等级给出上、下人工边界位置的建议。

深厚饱和软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有明显的影响,且饱和场地与相应干土场地的地震响应具有明显的差别,而目前对于深厚饱和软土场地中透镜体对地震响应的影响还鲜有研究。采用有限元-间接边界元耦合法,建立饱和场地中非线性土-结构动力相互作用模型,对深厚饱和软土场地中透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应的影响进行了系统地分析,并着重讨论了土骨架-孔隙水耦合作用的影响。研究表明,深厚饱和软土场地中的透镜体可能会明显改变上部结构的动力响应;透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应有不同程度的影响,且与干土场地中规律存在明显差异;土骨架-孔隙水耦合作用对上部结构动力响应的影响显著。

基于改进比例边界有限元法的成层场地中峡谷-地下孔洞体系的散射分析

基于相似拼接线的比例坐标变换,提出了能精确模拟成层半空间的改进比例边界有限元法,在频域中建立了复杂成层场地散射场分析的高精度模型。该方法采用相似拼接线作为比例缩放中心,克服了比例边界有限元法(scaled boundary finite element method,简称SBFEM)由相似性导致求解范围受限的困难,成功地将比例边界有限元法的求解范围扩展到水平及倾斜成层半空间。基于改进比例边界有限元法,建立了复杂成层半空间散射场的求解模型,其中采用子结构法将复杂边界条件的散射问题转化为土-结构相互作用问题,降低了地震波散射问题的计算复杂度,这种转化在线弹性框架内严格成立。通过计算典型算例,验证了提出模型的准确性。采用提出的新模型,分析了水平成层场地中峡谷-地下孔洞耦合体系的散射问题。数值算例表明:与峡谷下无孔洞的情况相比,地下孔洞的存在会放大峡谷表面散射位移幅值,并且对于方形截面孔洞这种放大作用更明显。

近直下型断层的地铁车站结构地震响应

目前在近断层场地中地下地铁车站抗震性能水平认识方面相对匮乏,鉴于此,提出了一种考虑发震断层-地下结构全过程地震响应的IBE-FEM联合求解分析方法。首先,基于运动学有限断层模型,采用间接边界元方法(IBE)求解直下型走滑断层错动作用下上覆软土沉积层场地内的地震波场,并验证了有限元法(FEM)间接求解地震波场的可行性;在此基础上,通过建立土-地下连续墙-主体结构非线性静-动力耦合的二维整体时域有限元模型,初步探究了断层-软土场地耦合效应对地铁车站抗震性能的影响规律。结果表明:在近断层区域,地铁车站结构震害具有典型的断层上盘效应和震害集中效应,更容易进入塑性变形发展阶段;在远断层区域,由于断层-场地效应耦合作用,断层下盘场地内地震波场衰减较缓,其内车站结构整体震害略大于断层上盘。本文研究方法为近断层场地条件下地下结构地震响应分析开辟新思路,也可为相关场地区域内的地下结构抗震设计提供技术参考。

地下结构抗震理论分析与试验研究的发展展望

目前我国在地下结构抗震分析与破坏灾变机理研究中尚存在诸多问题需要解决,在分析总结我国地下结构抗震理论与试验研究的基础上,重点阐述了需要进一步深入研究的六个关键问题:地下结构振动模型试验研究技术,土体非线性动力本构模型,高轴压的地下结构承重构件地震破坏机理,非一致波动输入及非一致波动输入下地下结构的地震反应,饱和砂土液化大变形理论及本构模型,大型三维非线性土-结构动力相互作用分析模型。这些问题的研究和解决对于完善地下结构抗震理论分析方法与试验研究技术,获得大型地下结构在地震作用下的反应规律与破坏灾变机理具有重要的科学意义和工程应用价值。

考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固-液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明:地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土-地下结构相互作用体系的地震反应。

平面波输入下海水-海床-结构动力相互作用分析

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境,该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下,进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析.首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型.然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征.与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制:一方面,非线性导致饱和海床模量减小,饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加,导致反应增大;另一方面,非线性导致阻尼加大,使海床反应减小.对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.

可液化地基地下结构地震反应特征简化有效应力分析

采用适宜于将一维应力-应变关系向三维空间扩展的等效剪应变算法和加卸载判据,构造了三维应力空间中的Davidenkov本构模型;基于Biot动力固结方程以及对剪应力和正应力差耦合剪切引起的不可逆性体应变的数学描述,建立了一个可描述可液化地基中土-地下结构相互作用的有效应力分析方法。基于FLAC3D软件平台,实现了该有效应力算法,适用于二维和三维可液化场地土-地下结构体系非线性地震效应分析。采用不同模型对饱和砂土不排水循环扭剪试验进行了模拟,对比结果表明:相较于单一循环直剪试验结果建立的修正Byrne模型,该方法可以更为合理表征复杂动应力路径下饱和砂土的孔压发展规律及液化过程。类似地,进一步分析了某可液化地基中隧道周围场地地震反应规律,探究了可液化地基-地下结构的相互作用机理。结果表明:地震波垂直向上传播引起远场土体保持正应力不变条件下规则的往复水平剪应力,当地震波传播至在土-结构接触界面时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剪切状态,显著加大了结构孔压的累积速度和液化区域。采用修正Byrne模型可以较好预测远场的动力响应,却低估了结构周围场地的超孔压累积速度和液化区域,该方法能够较好反映土-地下结构相互作用对结构周围场地动力响应的影响。

地下空间结构对邻近地上结构地震反应影响振动台实验

大型地下空间结构影响地震波的传播使邻近地震动场发生变化。为研究地上结构地震响应受地下空间结构的影响程度,设计并开展了地下结构-土-地上结构体系(SSSI)和土-地上结构体系(SSI)振动台模型实验,对比研究了在6条不同卓越频率输入地震波下地上结构地震反应的变化规律。实验研究结果表明:地下空间结构影响邻近场地的动力特性,进而影响邻近结构的动力特性,导致SSSI体系的地上结构频率和场地基频均小于SSI体系。地下空间结构使运动相互作用增强而导致SSSI体系的箱基摇摆运动显著大于SSI体系。箱基的平动加速度、摇摆加速度和结构变形加速度分量的峰值并不同步。SSSI体系的结构变形反应最大可达到SSI体系变形反应的1.267倍。

三层三跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平研究

根据相关规范规定,设计出6种不同的场地类别,并考虑地下连续墙和输入地震动强度的影响,分析了三层三跨框架式地铁地下车站结构的地震损伤特性、破坏过程及抗震性能水平。结果表明:在结构层间位移角幅值接近时,二类场地条件下结构的地震损伤程度最轻,四类场地条件下地震损伤最为严重;在大震且场地条件较差时,主体结构在输入地震动峰值过后的一段时间内将处于严重破坏状态,随后才进入可能的完全破坏状态;基于计算结果,建立了该类型地铁地下车站结构层间位移角与结构–土体刚度比R的预测公式;通过对比地下结构不同损伤破坏程度与对应的结构层间位移角的关系,给出了地铁地下结构地震完全破坏的判别标准,并初步给出了不同场地类别下该类地下结构基于层间位移角的抗震性能水平划分及其地震破坏物理描述。

贵阳红黏土介-微观结构对力学特性影响试验研究

为阐明贵阳红黏土宏观力学强度与变形特性的介-微观机理,同时考虑不同围压、不同干密度下贵阳重塑红黏土宏观力学特性之间的差异,通过不固结不排水三轴剪切试验、N2吸附测试及电镜扫描(SEM)测试,研究了原状和重塑土样因颗粒形态、孔隙结构与分布等不同所产生的宏观力学特性之间的差异。试验结果表明:不固结不排水三轴剪切试验条件下贵阳红黏土原状样应力-应变曲线表现出具有驼峰状的应变软化特性;重塑样则呈现出明显的应变硬化现象。随着干密度的增加,一定围压下重塑样强度曲线硬化现象加强;随围压增加,强度不断增强。原状和重塑土样氮气吸附-脱附等温曲线均表现出明显的Ⅳ型、H3滞后环,曲线整体均呈反"S"型。不过,在平均孔径、比表面积、总孔容积等指标上有差异,反映出原状样孔隙主要由中大孔构成,含部分微小孔;经重塑后大孔和微孔有所减少,介孔呈增多趋势。扫描电镜(SEM)下原状样较重塑样介-微观结构更加复杂,介-微观结构形态参数更加优化,表现出明显的原生结构、更强的力学强度。

隧道对场地及地表结构地震响应影响分析

隧道的存在会导致场地土层以及地表结构的地震动力响应发生变化,为研究这种影响,建立了隧道-土体-地表结构相互作用体系的平面应变计算模型,同时考虑了隧道半径以及刚度变化的影响。根据模拟结果可得:由于隧道的存在,地表一定范围内的地震加速度发生显著变化;隧道半径的变化对地表加速度、地表结构地震响应的影响显著,半径越大的隧道对于地震波的阻隔作用越为明显。研究结果表明隧道对场地加速度及地表结构的影响不容忽视。

动网格在非饱和饱和界面数值模拟中的应用研究进展

为了探讨结构和非结构动网格技术在地下水非饱和-饱和数值模拟领域未来的发展趋势,总结了非饱和-饱和耦合数值模拟研究现状,介绍了动网格技术原理及运动边界结构和非结构网格的变形方法,综述了动网格技术在非饱和-饱和分界面的应用现状及存在的不足,探讨了相关研究的未来发展趋势。综合分析表明:结构动网格和非结构动网格均存在其固有优缺点,结构、非结构混合网格以及多种动边界处理方法的结合使用在非饱和-饱和耦合数值模拟研究中具有重要的应用价值。在模拟潜水面的变动时,可将多种网格变形方法结合使用,当潜水面位置和形状变动较小时,采用弹簧法更新网格;当潜水面位置变化较大但形状变化较小时,采用重叠结构动网格技术或铺层法更新网格;当潜水面形状变动较大时,则采用网格重构法更新网格,从而更精确地模拟非饱和-饱和分界面的变化和移动。相关研究为场地非饱和带土壤与饱和带地下水协同防治工作提供了科学指导。

层状饱和场地分布荷载的动力Green函数及应用

研究波在层状饱和场地中的传播，在理论和实际工程中均有十分重要的意义。采用Biot基本模型，利用层状饱和土的精确动力刚度矩阵，给出了层状饱和场地中分布荷载作用于与水平向有夹角的倾斜直线时的动力Green函数，解决了利用间接边界元法计算层状饱和场地中任意凹陷地形对地震波散射以及土-结构相互作用中的关键问题。