土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散的有限单元法动力分析

本文将地震产生的振动孔隙水压力与土坝和地基的变形和固结紧密结合起来,将振动孔隙水压力引入著名的皮奥(Biot)方程式中,用等参数有限单元法联立求解位移和残余孔隙水压力;提出了一种适用于土坝和地基动力分析的非线性二维有效应力分析方法.采用该法,不仅可以计算地震动应力、动应变、加速度,而且可以计算地震期和地震结束后的孔隙水压力增长、扩散、消散、液化的发生发展过程、土的残余体积变形及其随着时间的变化.文中以加权剩余值法为基础,进行了详细的有限单元法分析与公式推导.作为算例,文末给出了在地震作用下辽宁盖县石门土坝的计算结果.     

高尾矿坝的暴雨渗流和地震液化有限单元分析

本文先将连续暴雨期稳定渗流的水力势与尾矿坝的变形紧密结合起来,列出平衡方程和拉普拉斯方程,用等参数有限单元法联立求解位移和水力势,计算静应力;其次将振动孔隙水压力引入平衡方程式中,用有限单元法求解地震期间的位移和水力势;最后将平衡方程式与不稳定渗流方程式结合起来,联立求解地震结束后的位移与水力势,实际上本文提出了一个适用于尾矿坝和土坝非线性静力分析和渗流分析的以及动力分析的二维有效应力方法.利用该法对德兴铜矿4号高尾矿坝作了具体计算,求得该坝在连续暴雨期间的静应力、流网、在地震期间和地震结束后的水力势、地震孔隙水压力的增长、扩散、消散以及液化的发生、发展、地震残余变形及其随时间的变化等等.     

上海软土的动力计算模型

将上海饱和软土视为由固相和液相组成的两相饱和多孔介质,根据共振柱试验,动三轴试验,提出一种能够全面考虑应力、应变、振动孔隙水压力,震陷的上海饱和软土等效线性化动力计算模型,并进行了较为详细的参数研究,然后将其与Ｂｉｏｔ动力固结方程相结合,建立了土体有效应力动力计算方法,最后应用该方法对上海土层进行了地震反应分析,并得到一些有益的结论。     

粉煤灰坝非平稳有效应力随机地震反应分析

考虑地震动过程的随机性和非平稳性，考虑粉煤灰动力特性的非线性和 坝内孔隙水压力增长对动剪模的影响，将线性系统非平稳反应的时域模态分 析技术与非线性土结构平稳反应的等价线性化法相结合，对一座实际的粉煤 灰坝进行了有效应力非平稳随机地震反应分析；计算的液化区与模型试验结 果符合良好。     

饱和砂土液化过程探讨

根据饱和砂土地层地震液化现象及饱和砂土动力学试验所观察到的现象,从砂粒-孔隙水两相介质相互作用的角度出发,研究了饱和砂土在振动荷载作用下的液化过程和机制.研究结果表明,饱和砂土受振,砂粒相对滑动并重新排列,孔隙率降低,孔隙水受压产生超静孔隙水压力并不断增大,部分孔隙水挤出渗流,隙水渗流对砂粒产生渗流压力.渗流压力与超静孔隙水压力迭加,形成的上托力等于或大于砂粒水中重力时,砂粒在隙水中处于悬浮状态.此时,饱和砂土宏观上表现为液态.为此,根据下沉砂粒与向上渗流孔隙水之间相对运动过程中的动力作用特征,建立了描述饱和砂土液化过程的模型和液化判据.     

饱和砂土地基上边坡地震动力离心模型试验研究

地震液化导致地基土体强度丧失往往对土工建筑物安全造成严重威胁.为借助动力离心模型试验研究地震液化对边坡稳定性的影响,该文采用粘度50cs的硅油作为孔隙流体,通过二步抽真空法制作具有饱和地基的边坡模型,利用不规则任意波作为地震输入进行动力离心模型试验,研究了饱和地基边坡的动力响应、动孔压变化以及坡底液化和滑坡等规律.试验表明:地震中超静孔压有明显增长,地震结束后超静孔压逐渐消散;边坡不同位置超静孔压比明显不同;饱和地基部分液化导致边坡刚度减小和土体阻尼增大从而使边坡土体的加速度明显减小.     

地震时饱和黄土边坡的失稳模式分析

考虑到地震荷载作用下饱和黄土的孔隙水压力增长模式及液化规律,建立了饱和黄土无限边坡的动力稳定性分析模型。分析结果表明,此类边坡的失稳可分为液化型失稳和滑动型失稳两种基本形式,并给出了二者的判别指标。     

堤坝砂土地基液化的数值模拟

基于足立－岗循环弹塑性模型和固液两相介质耦合的有效应力反应分析方法,数值模拟分析了模型试验中的堤坝及其砂土地基,揭示了幅值为0.1g和0.2g正弦波动荷载下提坝的动力反应过程,并与振动模型试验的结果进行了比较分析。结果表明,该反应分析方法能够合理求得土体中孔隙水压力,有效应力,加速度变化过程以及堤坝的沉降变形。     

饱和细砂液化势动三轴试验研究

介绍了振动三轴试验判定饱和砂土液化势的试验分析过程.动三轴试验判定液化势属于试验—分析法,即以室内液化试验和土体地震反应分析结果为依据进行判定,其可靠性取决于室内液化试验和土体地震反应分析结果的可信程度.动三轴试验仪器设备结构比其它动力特性试验方法简单,易于操作,是室内判定饱和砂土液化势的比较普遍的方法.     

非饱和与饱和黄土统一性动力响应机制试验研究

动荷载作用下,非饱和与饱和天然黄土在直观表现上显著不同,前者以震陷(动残余应变)为特征,后者则表现为液化现象.基于室内静(动)三轴试验、土水特征曲线测试,结合天然黄土的水、气两相在固相介质中的渗透性,研究固、水、气三相介质控制黄土应力响应过程的差异性作用,揭示天然黄土动残余应变与液化在动力响应机制上的统一性.试验分析结果表明:不同加载过程中,加载应力与残余变形、残余变形与孔隙压力的相关系数,普遍高于加载应力与孔隙压力的对应量值;相较固相介质响应外部荷载作用的变形过程,水、气两相的响应明显具有受限于固相介质变形的特征;固相介质的受载变形和水、气两相介质的低渗透性,是黄土动力响应过程中孔隙压力增长的决定性因素;非饱和与饱和黄土在直观现象上的差异,与水、气相在渗透性与可压缩性方面的显著差别密切关联.     

饱和砂砾土的动强度与动孔压模型试验

由于砂砾土具有抗剪强度高、压实性能好、地震荷载作用下不易液化等优良工程特性,在工程界得到广泛应用.通过一系列的室内动三轴试验对饱和砂砾土进行了动力特性研究,主要分析了不同振动频率、固结压力和固结应力比对动强度和动孔压的影响规律.试验结果表明:当循环振动周期为某一定值时,随着固结压力、固结应力比的增大,土体发生破坏所需的动剪应力也随之增大,振动频率的增加对动剪应力的影响较小可以忽略不计;在同一振动周期下,当动孔压比为某一定值时,随着固结比Kc的增大,所需动剪应力比也随之增大;当动剪应力比为某一定值时,动孔压值随固结应力比Kc的增大反而减少,这说明固结应力比对饱和砂砾土的液化有很大影响.     

基于流固耦合两相介质动力模型的水下隧道结构地震反应研究

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,进行了水下饱和土体场地上隧道结构地震反应的计算研究.计算结果表明:对于饱和土体场地上的单洞隧道,在地震动输入结束后,隧道底部附近区域土体的孔隙水压力值最大,此时隧道两侧土体的孔隙水压力呈现对称分布;对于饱和土体场地上的双洞隧道,在地震动输入结束后,两隧道之间区域土体的孔压为正值,而隧道下方区域土体的孔压为负值;左右两侧隧道的应力呈对称分布.计算工作同时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.     

滩涂匡围区地基土体地震液化分析

运用FLAC3D软件,通过应力场和渗流场的耦合分析,模拟了条子泥滩涂围区南排水闸地基土在动力作用下的孔压积累直至土体液化的全过程.研究进一步证实了在地震作用下,土体孔隙水压力上升,有效应力下降,导致土体的液化的基本规律.结果表明:根据该地区的地震烈度,在地震作用下深层土体并不会发生液化,采取适量必要的加固措施即可.研究方法和成果可以为类似工程提供技术支持.     

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明：孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.     

大型贮灰坝动力反应及液化分析

通过对某石化企业热电厂贮灰场粉煤灰的静力和动力三轴试验,分析了粉煤灰固结排水条件和固结不排水条件下的应力-应变关系、动模量与动应变关系和液化应力比与破坏振动次数关系.同时应用有限元软件ANSYS对加高后的贮灰坝进行了静力分析,以及在Park Field波作用下尾矿坝的动力反应,并采用应力对比分析方法对该贮灰场进行了液化分析,说明相对密度对液化区面积有很大影响,相对密度越小,液化区越大.因此控制粉煤灰的相对密度对贮灰坝的液化稳定是非常必要的.     

两种土模型下饱和土中球空腔的动力响应

考虑土颗粒间库仑摩擦消耗的能量,采用弱非弹性介质模型研究饱和土中球形空腔的动力响应.基于Yamamoto模型,建立了具有球空腔饱和土体稳态振动的控制方程;通过引入势函数,分别得到了边界透水和不透水条件下饱和土体的位移、应力和孔隙水压力等解析表达式;利用界面连续性条件,确定了待定系数的具体表达式.以饱和砂土和粉土为例,分析了Biot两相饱和介质和Yamamoto两种土模型下饱和土中球形空腔动力响应的差异.在此基础上,分析了界面处具有球形空腔饱和砂土和粉土的径向位移、孔隙水压力和环向应力幅值随外荷载激振频率、空腔半径的影响.结果表明:在共振频率处,Yamamoto土模型下饱和土体的动力响应小于Biot土模型下饱和土体的动力响应;能量损失比对饱和土中球形空腔的动力响应有显著的影响.     

突加集中荷载作用下饱和土-深埋圆形隧道衬砌系统的非轴对称动力响应

考虑饱和土与深埋圆形衬砌的相互作用, 研究了突加集中荷载作用下饱和土-衬砌系统的非轴对称动力响应. 基于Biot理论和弹性理论, 采用Laplace变换和Fourier级数, 考虑衬砌边界条件以及衬砌与饱和土交界面处的连续性条件, 在Laplace变换域内求得突加集中荷载作用下饱和土-弹性衬砌耦合系统的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式. 利用Laplace逆变换Crump数值反演方法得到饱和土-衬砌系统动力响应的数值解, 并分析了土体和衬砌系统的力学、几何等参数对系统动力响应的影响. 结果表明: 5倍隧道衬砌半径以外处土体的动力响应远小于隧道附近土体的动力响应; 衬砌刚度和厚度对土体位移和应力影响显著, 但对孔隙水压力影响较小; 孔隙水的可压缩性对土体位移的幅值影响不大, 但对应力幅值的影响较为显著.     

饱和土体固-液两相介质动力耦合问题有限元解析

考虑了土体中土骨架的动态响应与土中孔隙水的渗流固结之间的相互耦合作用,在时间域内利用NEWMARK法系统推导了三维固—液两相介质动力响应有限元解析格式与数值分析方法;以引进的大型岩土工程分析软件系统FINAL为开发平台,开发出能分析二、三维饱和土体振动固结与振动液化问题的软件系统,弥补了该大型软件的不足。利用日本学者的实验结果对本文的力学模型与分析系统进行了检验与验证。     

球应力振动仪的研制与试用

鉴于复杂振动荷载下地基和土工建筑物动态反应的研究存在一定的困难，因此将 复杂振动荷载分解为球应力振动与偏应力振动进行研究。为了探讨球应力振动下土的 动力特性，研制了球应力振动仪。该仪器可以测出作用在试样上振动球应力的大小， 同时可以测出不排水试样在不同振动球应力作用下孔隙水压力的变化过程。将其结果 与动三轴试验相应的试验结果进行比较，可以获得振动球应力对饱和砂上液化影响的 情况。本仪器制造方便．经过初步试验．证明其性能基本良好．     

饱和砂的动孔压演化特性试验研究

利用GDS 10 Hz/20 kN双向振动三轴系统,对饱和砂进行不排水动三轴液化试验,研究了液化进程中动孔压的发展规律,并阐述了动孔压的演化机理.基于试验结果,提出适用于饱和砂的动孔压应变模型.该模型直接和动力分析中应变幅相联系,能够弥补应力模型的不足,并具有较好的适用性.等压固结条件下,动应力和固结压力对动孔压比与动应变比的关系影响较小,动孔压发展规律可近似用同一模型表示.不同动应力和固结压力作用下,饱和砂土动孔压的增长模式用Seed提出的孔压应力模型描述时,试验常数可取相同值.