基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明：随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。     

缩径承台基桩竖向承载力及桩周土体变形

为了探究含缩径缺陷的承台基桩竖向承载性能和桩周土体变形规律,以缩径位于桩体深部为例,对1根完整承台基桩和6根缩径承台基桩进行了室内透明土模型加载试验,得到了桩荷载-沉降曲线。通过数据处理,得到承台沉降4 mm(极限承载力)时的桩周土体位移场。研究了缩径轴向尺寸和径向尺寸对承载力和桩周土体变形的影响规律,给出了承载力的变化原因。研究结果表明：缩径会严重影响基桩承载力,当轴向尺寸为20 mm、径向尺寸为8 mm时,极限承载力损失可达17.59%。承台和缩径周围的土体产生了较大的变形,减少了桩与土之间的相对位移。随着缩径轴向尺寸和径向尺寸增大,土体变形增大。缩径周围和桩端之间的土体发生贯通现象,桩与土体产生了同步位移,且随着缩径尺寸越大,贯通现象越明显。承台和缩径周围的土体与桩之间的相对位移,以及缩径周围与桩端之间的土体产生的贯通现象导致桩的侧摩阻力降低,从而损失了桩的承载力。     

条基下格栅长度及纵横肋变化的加筋挡墙试验研究

为研究格栅长度及纵横肋数量变化对加筋土挡土墙承载性能的影响,以自行设计的尺寸为1 500 mm×1 000 mm×1 300 mm(长×宽×高)的模型箱开展加筋挡墙室内模型试验,分析在静载作用下格栅长度及格栅横肋数量变化对加筋土挡土墙的加载板沉降、面板水平位移及竖向附加应力等参数的变化规律。试验结果表明:静荷载下,改变加筋土挡墙内部的格栅长度及纵横肋数量,均降低了挡墙结构的极限承载力;格栅长度越小,减去格栅纵横肋数量越多,加载板沉降越大;静载作用下加筋土挡墙破坏大多数为局部破坏,随格栅长度及纵横肋数量逐渐减少,加筋土挡墙破坏模式向整体破坏趋势发展。土工格栅对上部土体传来的附加应力起到较大的扩散衰减作用,减少土工格栅长度及纵横肋数量,均改变了土体内部的应力场,使竖向附加应力传递到更深的土体中,降低了挡土墙的承载性能。     

大直径回填钢管管土相互作用研究

目前国内水利水电行业回填钢管的设计主要参考给排水行业规范,但其管径远超出给排水管道,研究大直径回填钢管管土相互作用,完善回填钢管结构设计理论,是当前亟待解决的重要课题.本文建立大直径回填钢管有限元计算模型,假定土体遵守Drucker-Prager屈服准则,钢管与土体交界面采用面-面接触单元,分析了管空、充水和满水工况下管土接触状态、钢管变形、土体位移和管周土压力,并探讨了管径和管土间摩擦系数对管土相互作用的影响.结果表明:管土接触状态在管顶、管腰和管底通常处于黏合状态,胸腔和腋部区域易发生滑动;钢管竖向和水平变形量并不完全相同,充水工况对钢管变形最为不利,满水工况较为有利;管顶土体位移受钢管变形的影响呈"U"形分布,即中间大、两侧小;管周土压力分布在管空和充水工况下较为相似,满水工况下会发生较大变化,土压力在土层交界附近会出现突变现象,其分布形式与Spangler模型存在较大区别;管径增大后,管内水体重力对钢管受力和变形更为不利,故大直径回填钢管设计时应考虑充水工况下的钢管变形;管径越大,管顶土压力平均值越接近棱柱荷载,钢管胸腔到顶部之间土体对管顶土压力影响越显著;管土间摩擦系数对管土相互作用影响较小,非关键因素.     

地面占压荷载作用下的管道应力分析

占压导致地基下沉和管道变形.建立了地基-管道的三维有限元模型,分析占压载荷作用下管道的应力与变形.模型考虑了管-土间的相互作用和管底夯实地基,符合占压管道的实际载荷情况.结果表明:管道在上覆土体和夯实地基的不均匀作用下发生局部弯曲和椭圆化变形;上覆土体越软,管道变形越大,管底夯实地基起到阻止管道下沉的作用,二者弹性模量相差越大,管道在夯实地基边缘处的环向弯曲应力越高;内压起到抵抗管道变形的作用,但其影响程度较小;薄壁大口径管道的应力水平和变形程度相对较高,上覆土体对大口径管道横截面变形有较大的约束作用;占压载荷与管道横截面的椭圆化变形率近似呈线性关系,依据极限椭圆化变形率可以确定管道所能承受的安全占压载荷.     

循环加载下砂岩断裂特性试验及模拟

利用WHY-200/10微机控制万能试验机,对红砂岩人字形切槽圆盘试样(CCNBD)进行静态与循环加卸载试验,研究在循环加卸载下红砂岩的Ⅰ型断裂力学特性及变形特征;并基于红砂岩的宏观力学参数进行PFC3D数值模拟试验,探究微裂纹扩展规律.试验结果表明:循环荷载的作用会使砂岩的Ⅰ型断裂韧度值KⅠC减小;且随着循环次数的增加,砂岩的Ⅰ型断裂韧度逐渐减小,直至达到某一下限值;砂岩CCNBD循环加载曲线受到其静态加载曲线的严格控制,循环加载破坏点变形量与静载曲线中同荷载水平下峰后变形量相近;循环加载下试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展规律与上限荷载比相关,主要有3个阶段:初期加载阶段、中期稳定阶段、后期加速阶段;当上限比为0.95时,试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展只有初期和加速阶段;当上限比为0.75时,其位移变形和微裂纹扩展只有初期和稳定阶段,且不发生断裂破坏;循环加载下试样韧带两端断裂过程区(FPZ)的微裂纹发生充分衍生和扩展,最终的微裂纹数目明显多于静态加载.     

充填开采含“天窗”薄基岩力学模型

针对第四系资源开采遇到的"天窗"地质构造问题,以存在天窗地质构造的煤矿为背景,建立充填开采含"天窗"水平薄基岩的力学模型—Winkler弹性地基上开孔固支板模型,求解矸石充填条件下含天窗水平薄基岩挠度表达式.在此基础上对薄基岩厚度、天窗尺寸、矸石充填体强度对薄基岩天窗附近应力分布影响进行分析探讨.研究结果表明:薄基岩下表面天窗边界处径向和环向应力都为拉应力;薄基岩厚度、天窗尺寸对天窗边界环向应力影响较大,而对径向应力影响较小,环向应力随薄基岩厚度的增大迅速递增,随天窗尺寸增大逐渐增大;增大矸石充填体强度能显著减小天窗附近应力,矸石充填体强度增大,环向应力大幅度降低,薄基岩天窗附近应力环境显著改善,防止天窗边界处出现破坏裂纹,导致薄基岩局部失稳.     

分数黏弹性可压缩油气井管杆准静态响应分析

将水平油气井管杆简化为受弹性约束的黏弹性圆柱管模型,采用分数阶黏弹性理论描述管杆的本构关系,并结合弹性力学理论,建立了可压缩黏弹性管杆平衡方程,求解得到了可压缩管杆体的黏弹性应力位移解析解.数值算例的分析结果表明:分数阶导数数值越大,所对应的管杆内壁处的初始应力越大,圆柱管内壁处的径向和环向应力值越大,所对应的竖向应力的上升段越大,管杆的竖向应力稳定值越大;外围套管泊松比越大,径向位移值越小,所对应的径向应力值越小,泊松比的大小对环向应力的影响并不明显,会对径向应力产生显著影响;套管的弹性模量对径向位移的影响较小;模型常数比越大,所对应的径向和环向应力值越大;外围套管的厚度对柱管内壁处的环向应力的影响很小,厚度越大,内壁所受的径向应力越大,竖向应力值会减小.     

冻胀过程管土相互作用规律及受力特征

为研究冻胀过程中管-土之间的相互作用规律及受力特征,以不锈钢管及冻胀敏感性粉质黏土为材料,在没有外界水源补充的小型环境模型试验机中进行试验。首先,黏贴电阻应变片于管道上,并将管道及其支架放置于敞口保温箱内;其次,填装土样并同步在每个测点布置温度、水分和土压力传感器;最后,在试验过程中实时监测土体的温度、含水率、土压力、冻胀量及管道的变形和应力等变量,主要分析与讨论降温阶段即持续70 h的冻胀阶段所采集数据。研究结果表明:冻胀过程中管道抑制土体冻胀的实质是抑制土体的水分迁移;管土之间相互协调发展且始终保持着动态平衡,冻胀导致管道发生变形的同时管道又约束着土体的冻胀,冻胀受约束而产生土压力;管道变形以及与管道的距离决定管道对土体冻胀的约束程度;管道变形越小,约束率越大,土压力越大,水分迁移量越小,冻胀越小;而同一时刻管轴线两侧土体的冻胀明显比管底土体的大,且距离管道越远的位置,约束率越小,土压力越小,水分迁移量越大,冻胀越大;土压力随着时间而增大,与约束率呈指数增大的关系,但与冻胀呈指数衰减的关系;冻胀引起管道产生轴向及环向应力,轴向最不利应力分布位置为管中4/8处;环向应力的存在说明管道发生截面变形,在较大的冻胀力或外荷载作用在管道上时,环向应力的影响不可忽视。     

考虑侧向刚柔边界约束的黄土填方路基沉降计算方法

提出一种新的考虑刚柔边界约束和侧向变形的黄土填方路基沉降计算方法。基于自主研发的三向加载设备和室内压缩试验,分析不同竖向加载方式和不同侧向约束对土体竖向及侧向变形的影响,提出考虑土体压实度和围压的边界影响系数,建立压实黄土侧向应变模型,给出考虑刚柔边界条件和侧向变形的黄土路基沉降计算方法。研究结果表明：边界影响系数与路基压实度和围压都呈正相关,且刚柔约束边界对黄土压缩性指标的影响程度最高能达到40%。提出的竖向和三向边界影响系数综合考虑了路基压实度、侧向围压以及边界条件的影响。利用工程实例验证了新模型计算方法的准确性和实用性,提高了传统分层总和法的精度。     

水平—竖向耦合荷载下单桩承载性状数值分析

为了研究单桩基础在水平—竖向耦合荷载下的承载性状,以工程实例为基础,通过数值计算的手段建立了均质海相软黏土层中单桩受耦合荷载的计算模型,研究均质土层中竖向与水平耦合荷载作用下单桩的承载力、变形特点。结果表明：当施加的水平力未超过临界荷载,水平力的施加对单桩竖向承载力无影响;当施加的水平力超过临界荷载,水平力的施加对单桩竖向承载力有着不利的影响;水平力的施加延缓了竖向抗拔承载力破坏点的出现,且随着施加的水平力的增大,抗拔极限破坏点出现得越晚,水平力的施加提高了单桩抗拔承载力;预先施加竖向力会减小水平力产生的桩顶水平位移,提高单桩水平承载力;且存在一个最优的竖向荷载,使得桩顶水平位移最小,桩身弯矩最小。     

地下连续墙-桩组合基础的水平承载性能

地下连续墙-桩组合基础是将地下连续墙与桩基础结合的一种新型变刚度基础形式。从设计理念上讲,地下连续墙-桩组合基础具有较好的抵抗侧向变形的能力且兼具经济型,然而目前还缺乏从受力特性角度对该新型基础形式的受力机理进行系统的研究。基于开展的大比尺现场模型试验真实模拟新型组合基础在水平荷载下的受力,将试验和数值模拟结果对比得出基础的荷载与位移的变化规律。通过分析不同等级荷载下组合基础的变形特性,揭示基础的荷载传递规律,并对桩墙组合基础的水平承载力进行了初步近似计算。结果表明：水平荷载作用下组合基础出现整体倾斜破坏;墙身弯矩远大于桩身弯矩,桩墙弯矩随加载等级的递增而逐渐增大,且弯矩最大处位置与弯矩峰值位置不变;随埋深、荷载的增加,墙侧土压力呈现非线性变化,地连墙边侧土压力大于中间土压力,并且最大土压力出现在连续墙中下部。     

板式橡胶支座的水平位移特性

为研究曲线梁桥板式橡胶支座在实际运营过程中的受力特性和水平位移发展规律。通过Abaqus建立矩形板式橡胶支座GJZ 500×600×130的有限元模型，对比模型与理论计算的剪切刚度说明了模型的正确性，基于此模型进一步对支座在单次和多次循环位移加载作用下来研究支座水平位移变化规律，然后考虑曲线梁桥板式橡胶支座实际受力情况进行加载，研究支座在变化的竖向压力荷载作用和考虑静动摩擦转变等情况下的位移变化特性，并分析了支座在长期重复荷载作用下的残余变形的发展规律。结果表明：通过此方法建立的支座有限元模型能够较好地模拟支座与上部结构之间的摩擦行为，精确的计算支座的剪切变形和滑动位移；动态的竖向压力作用对支座剪切变形阶段基本不受影响，但对滑动变形阶段有较大大的影响；支座由静摩擦转变为动摩擦时，其水平力和剪切变形会突然减小；支座的残余变形会随着加载次数的增加而累积增大，但增长幅度随着加载次数增长而减小。     

框架预应力锚杆边坡支护结构顶部静力位移求解及其所受影响因素分析

框架预应力锚杆支护结构的顶部静力位移是一个重要的变形控制指标.选取梯形土压力模型,基于稳定性极限平衡理论提出采用力法求解其顶部静力位移,分析地面施工荷载和锚杆间距设计参数即第一排锚杆离坡顶的距离、锚杆水平间距和锚杆竖向间距对顶部静力位移的影响.结果表明边坡地面施工荷载和锚杆水平间距对位移影响不明显,而第一排锚杆离坡顶的距离和锚杆竖向间距对边坡顶部位移的影响非常显著.     

条形荷载下三明治形加筋土挡墙模型试验

为研究一种新型挡墙结构—三明治形加筋土挡墙的受力变形特性,本文采用室内模型试验对比分析了条形荷载作用下三明治形加筋土挡墙与砂土加筋土挡墙的面板水平位移、挡墙沉降、水平土压力、竖向土压力的规律。结果表明：三明治形加筋土挡墙与砂土加筋土挡墙的变形与受力规律相似且差值不大;三明治形加筋土挡墙面板后水平土压力沿着挡墙高度的增加逐渐减小;填筑阶段时,三明治形加筋土挡墙筋材处的竖向土压力沿水平方向呈非线性分布,最大值发生在筋材中后部;加载阶段时,随着距面板的距离增大,筋材处竖向土压力先增大后减小。三明治形加筋土挡墙与砂土加筋土挡墙的变形与受力规律相似,两者性能较为接近。由于三明治形加筋土挡墙的成本较低,在实际工程中是一种较好的替代结构。     

多层砌体1/4比例模型墙体顶部裂缝试验研究

为了研究多层砌体结构房屋顶端裂缝问题,根据简单相似性原理构建了一1:4比例、每层均布有构造柱和圈梁的H型六层混凝土小型空心砌块砌体结构墙体模型.通过对墙体模型进行竖向加载的拟静力试验,模拟了纵横墙荷载差,深入研究了在竖向荷载差作用下砌体房屋顶端裂缝的产生行为和发展规律.研究结果表明:随着承重墙上竖向荷载的增加,承重墙与...     

车辆荷载作用下埋地管道动力响应分析

铺设在农田、荒地的埋地管道容易受地面车辆荷载的影响,管道在其作用下一旦达到强度极限就会产生安全问题。本文建立车-管-土耦合模型,分析车辆荷载作用下埋地管道的动力响应,得到不同时刻埋地管道的应力分布规律。再建立管道减荷有限元模型,分析不同轮压下承压板宽度对管道减荷的效果,得到管道中部等效应力与承压板宽度的对应关系。结果表明：埋地管道任一点处的力学响应与车辆荷载作用点的距离成负相关,承压板宽度与其对埋地管道的减荷效果成正相关,不同宽度的承压板存在承载力极限。该研究结果为车辆荷载作用下埋地管道的减荷提供了参考依据。     

海上风电大直径宽浅式筒型基础抗弯特性分析

风机属于高耸结构物,承受巨大的弯矩是海上风电基础区别于其他常见结构基础的重要特征．大直径宽浅式筒型基础是适应海上风电特征荷载作用的新型基础型式．筒型基础的直径、入土深度、顸盖及侧壁厚度是控制其抗弯能力的重要技术参数．结合某海上风电工程实例,采用数值分析方法,系统研究了不同尺寸特征参数对筒型基础传递及抵抗弯矩荷载的影响,揭示了弯矩荷载作用下宽浅式筒型基础的失效模式及基础转动点位置;研究了地基承载力设计中等效均质算法的合理性．研究表明：基础抗弯承载能力随筒型基础的直径及入土深度的增加而显著增长;在弯矩荷载作用下,筒周围土体出现贯通的弧形破坏面而在基础下方土体中存在曲边三角形的稳定区;对于实际工程中的上软下硬成层土地基,经等效均质化后,将导致计算得到的基础抗弯极限承栽力明显偏高．     

地面堆载对高后果区埋地管道承载能力的影响

为了分析地面堆载对高后果区埋地管道承载能力的影响,采用ANSYS workbench有限元软件建立了堆载-土壤-管道应力状态分析三维模型,采用堆载体直接加载在地基土壤上,分析管道在堆载下的承载能力响应,采用理论计算验证了模型的可行性,分别探讨了堆载高度、管道埋深、堆载距离、管径、壁厚和土壤泊松比因素对管道承载能力的影响。结果表明,堆载下管道应力最大出现在堆载下方,并且向管道两边递减,堆载范围内的承载能力明显减弱。堆载高度和堆载距离对管道承载能力的影响最大,堆载距离的微小改变可以明显提高管道的承载能力,堆载高度的增加同时又导致管道承载能力减弱,通过堆载高度和堆载距离的变化规律可以用来判断,在管道极限承载能力范围内,不同堆载位置下的极限堆载高度。在一定堆载高度下,管道存在一个临界埋深,此时管道承载能力最大。管径、壁厚和土壤性质对管道承载能力有影响但较小。通过本文的研究可以为判断高后果区埋地管道占压下安全状态提供指导。     

洞口大小及形状对剪力墙刚度影响的分析

随着高层建筑用途逐步从单一性向多样性过渡,剪力墙上的洞口尺寸越来越大,这必将引起剪力墙应力的变化。应用ANSYS程序,对6种不同洞口的剪力墙在顶部水平集中荷载作用下的受力、变形、裂缝进行了分析,并通过对各种剪力墙顶部位移—时间曲线图的分析得出了洞口大小、形状对剪力墙刚度的影响。