考虑刚度非线性软化的修正硬化土模型

基于硬化土模型(HS模型)只能描述土体应变硬化行为和刚度线性软化现象,提出了考虑刚度非线性软化的修正硬化土模型。修正模型采用与分段幂函数关系描述初始骨干曲线,并考虑了初始静偏应力和加载速率对应力-应变关系的影响。修正HS模型能较好地描述不同初始静偏应力和加载速率下土体的应变硬化、应变软化和刚度非线性软化等特征。最后,基于原状杭州软粘土的三轴试验,验证了修正模型的合理性。     

考虑土体径向位移时桩土耦合纵向振动特性及其应用

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体竖向和径向位移,对完整端承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合纵向振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程解耦,求解得到了土体的振动模态形式,然后利用该解,以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到了桩的频域响应解析解、桩顶复刚度和速度导纳。利用所得解对土体动力反应特性和桩的纵向振动特性进行了无量纲参数分析,得到了许多新的结论。     

非等向固结砂土极小应变刚度的超弹性模型

反映砂土极小应变刚度的Hardin-Richart公式主要是基于等向固结的实验数据，但是天然土体基本都是处于非等向固结状态。实验研究表明，随着非等向程度的加深，Hardin-Richart公式对土体刚度的估算偏差越大，误差最大可超过20%。3种类型的超弹性模型能够反映土体极小应变刚度随应力水平增大而增大的幂律关系，但仅有HE1模型具有弹性剪胀等特殊的正剪耦合特性，对土体非等向固结状态下的刚度规律趋势预测正确。HE1模型对土体非等向固结状态下的刚度规律预测结果受到其参数取值的影响，但总体而言与实验结果总结的规律一致。     

径向软化成层土中单桩风机水平振动特性研究

基于多圈层平面应变土体水平振动模型,得到桩周土体径向软化水平动刚度的解析解。在此基础上,建立径向非均质成层土中桩基水平振动模型,利用传递矩阵法得到桩顶动刚度阵,采用等效固定梁模型将桩土系统耦合到风机仿真软件FAST 8中,对桩周土径向软化对风、波浪荷载作用下单桩风机水平动力响应的影响进行研究。结果表明:桩周土软化对桩顶动刚度影响显著,当土体模量衰减系数为0.25时,与均质土相比桩顶水平刚度降低28.66%;随桩周土模量衰减系数的减小,与均质土相比风机系统的1阶和2阶自振频率分别降低13.08%和16.67%;风机塔顶位移、转角的时程和谱响应表明桩周土土体模量衰减系数为0.25时,塔顶位移和转角的方差与均质土分别相差2.68%和1.37%,位移和转角响应谱峰值约为均质土的2.77倍和2.69倍。     

黏弹性土体中悬浮桩的纵向振动特性

将桩底下部土体视为虚拟土桩,桩周土体视为分数阶黏弹性介质,通过考虑桩土边界条件和连续条件,求解分数阶黏弹性土中悬浮桩的纵向振动响应。分析主要桩土力学参量对悬浮桩桩顶复刚度的影响。结果表明：分数导数的阶数对桩顶复刚度的实部和虚部有一定的影响,桩长越长土体对桩基的约束越大,本构模型参数越大,桩顶复刚度的实部越小,而模型参数对复刚度虚部的影响较为复杂。     

虚土桩扩散角对桩的纵向振动特性影响研究

在桩端土单层、桩侧土成层条件下,采用锥形虚土桩假设,研究虚土桩扩散角对桩纵向振动特性的影响。首先将桩体正下方到基岩的单层土体简化成锥形虚土桩,并划分为多个薄层,采用平面应变模型对桩侧士求解得到桩（和虚土桩）剪切复刚度,然后根据桩土耦合条件,求解桩（和虚土桩）纵向振动方程,利用复刚度传递法递推得到虚土桩桩顶的复刚度,并将...     

基于矩阵位移法的桩锚结构分析方法

采用将桩锚结构视为荷载作用-侧向弹簧支承的连续梁模型,支护桩为直立的弹性地基梁,主动土体转换为土压力,锚杆简化成为可逐步施加的弹簧支承,而被动土体则用侧向支承的土体弹簧替代.土体弹簧的刚度K是通过半无限大弹性空间内部水平荷载作用下的Mindlin 解来确定,这种方法降低了因深度加深而带来弹簧刚度的增长率,更加符合实际情况.针对这种弹性地基梁模型,提出了以矩阵分析为手段的计算方法,该法优点在于将桩锚视为桩-锚-土三者协同作用的支护结构,同时在计算过程中充分考虑了基坑分步开挖的施工过程对支护桩、锚杆以及被动土体的变形影响.通过实例分析表明:矩阵位移法为桩锚结构设计提供了一种合理、有效的计算方法.     

土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现

基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。     

穿越非均匀土体埋地管道地震离心实验研究

穿越非均匀土体经历不同地震作用的埋地管线的变形和残余强度严重影响着管道的安全。该文采用离心振动台分别平行于埋地管道长度方向输入0.6 g和0.3 g峰值地面加速度地震波,研究了埋地管道在一系列地震作用和不均匀土体变形共同作用下的响应,得到了PVC和铝合金两种埋地管道穿越软土/硬土土体的地震响应规律。地震引起不均匀土体的瞬时变形,导致埋地管道最大应变发生在土体分界面和软土中,管道拉伸应变幅值软土要大于硬土,而压缩应变幅值正好相反,硬土中管道拉伸应变幅值小于压缩应变幅值,硬土中管道压缩应变幅值受地震烈度影响比软土大。地震引起的土体永久变形对埋地管道残余变形影响很大,硬土中的管道残余应变为压应变,软土中管道的残余应变为拉压应变交替分布。     

高速列车荷载作用下无砟轨道地基竖向耦合动力响应研究

建立高速列车荷载作用下车辆系统-无砟轨道-地基耦合动力模型,通过Fourier变换求解弹性半空间地基土体的动力控制方程,同时根据轨道底座与半空间的接触条件得到了弹性半空间表面竖向位移在频域内的表达式,再采用快速Fourier 变换求得了时域内的土体位移解。结合算例,分析了列车速度、轨道结构参数等因素对地基动力响应的影响。研究结果表明:板下调整层弹簧刚度系数越大,地基土动力响应越大,地表振动越大;底座弯曲刚度越大,地基土动力响应越小;随着列车速度增加,地基土动力响应增大;距离轨道中心处越远,地基土动力响应越小。     

软土地铁盾构隧道垂向随机振动分析模型

针对我国地铁盾构隧道与长枕埋入式整体道床的常用形式, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 并通过引入软土动刚度与应变的非线性关系表达式, 建立了软土地铁盾构隧道垂向随机振动分析模型, 用以研究非线性变化的软土动刚度对地铁盾构隧道随机振动的影响规律. 研究结果表明:当软土动刚度随应变频响非线性变化时, 盾构隧道随机振动在10Hz以上的中高频段呈下降趋势, 与此同时10Hz以下隧道低频振动不降反升, 其上升幅度明显高于隧道中高频振动的下降幅度;此外, 从地基反力幅频曲线的变化来看, 非线性变化的软土动刚度既影响地基反力频域幅值大小, 还会导致反力幅值在频域内的重分布, 特别是10Hz以下的低频段.     

分数导数描述的层状饱和土中考虑扰动效应的直桩垂直阻抗

为了计算考虑施工扰动效应的单桩垂直阻抗,基于饱和多孔介质理论及分数导数理论对地基的复刚度传递多圈层平面应变模型进行改进,计算了径向非均质的桩周饱和土对桩身的垂直动刚度。其次基于Rayleigh-Love杆模型建立了考虑桩段横向振动效应的轴向振动微分方程,并利用传递矩阵法求解得到了层状饱和土中考虑土体扰动效应的桩顶垂直阻抗的半解析解。对考虑桩周土扰动效应下桩顶垂直阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明:①桩顶垂直阻抗的共振峰值会随着分数导数阶数的增大而减小,并且该效应会随着外荷载激振频率的增大而越发明显;②对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对桩顶垂直阻抗的影响;③与地基表层覆盖软土相比,表层覆盖硬土能在外激振荷载较低时提高桩顶的动刚度系数,在高频时降低系统的共振效应。     

分数导数微分算子描述的粘弹性土层中群桩的水平振动研究

将桩周土体视为粘弹性介质,利用分数导数粘弹性模型描述土体的力学特性,在Novak 平面应变假定的基础上,借助于势函数并考虑土体边界条件求得了分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数以及分数导数粘弹性土层的刚度和阻尼系数。利用Winkler 动力弹簧-阻尼器模型模拟桩-土之间的动力相互作用,并在此基础上利用初始参数法求解了分数导数粘弹性土层中桩-桩水平动力相互作用和群桩的水平振动问题。以数值算例的形式讨论了分数导数微分算子的阶数和土体的模型参数对分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数和群桩的水平动力阻抗的影响。研究表明:分数导数微分算子的阶数对土层水平位移的衰减函数的影响与桩间距和荷载方向角有关;分数导数粘弹性土中群桩的动力阻抗可以退化到经典粘弹性和弹性情况;分数导数微分算子的阶数和土体模型参数对群桩水平动力阻抗有较大影响。     

开闭裂纹转子的建模与弯曲刚度特性研究

利用应变能原理与应力强度理论计算了动坐标系列裂纹转子的局部柔度和弯曲刚度,研究了动坐标系开闭裂纹弯曲刚度变化率随裂纹深度的变化规律,在此基础上,借助坐标转换矩阵推导出惯性坐标系弯曲刚度的表达式,采用Fourier谐波分解法研究了惯性坐标系刚度的变化规律,并利用给出的刚度表达式直接建立了惯性坐标系开闭裂纹转子的动力学模型,得到裂纹转子系统的时变系数非线性振动方程与相应的裂纹参数激励的特性。     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶纵向振动阻抗的影响研究

基于平面应变模型和Rayleigh-Love杆模型,建立了成层地基中嵌岩桩纵向振动的计算模型和控制方程,结合边界条件和初始条件,采用Laplace变换技术和阻抗函数递推技术求得了任意荷载作用下嵌岩桩桩顶纵向振动复阻抗的频域解析解,并在桩基础动力设计关注的低频范围内详细讨论了嵌岩特性对嵌岩桩桩顶纵向振动阻抗的影响。结果表明：对于同一上覆土层,动刚度随着嵌岩深度的增大而减小,而动阻尼则逐渐增大;对于嵌岩桩段半径等于桩半径的嵌岩桩,动刚度和动阻尼均随着桩身截面半径的增大而增大,对于嵌岩桩段半径小于桩半径的嵌岩桩,随着嵌岩桩段半径的减小,动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大;随着岩层特性变好,动刚度逐渐增大,动阻尼逐渐减小。     

线弹性土壤中埋设悬跨管道的屈曲分析

建立了两端埋设在线弹性土壤中的悬跨管道的屈曲方程。利用细长梁小挠度理论,建立了含有轴向压力的悬跨段和埋设段管道的弯曲控制方程。基于埋设段管道的刚度和变形特性,建立了符合悬跨段管道实际情况的边界条件。导出了悬跨段管道对称屈曲和反对称屈曲的屈曲载荷方程,通过数值求解给出了不同土壤刚度系数条件下悬跨段管道屈曲载荷。研究表明:悬跨段管道的屈曲载荷系数依赖于土壤刚度系数,简支梁模型只在特定的土壤刚度系数下适用于悬跨管道;在土壤刚度系数很大时,两端固支梁模型才能反映悬跨管道的屈曲特性。建议采用该方法进行埋设悬跨管道的屈曲分析。     

基坑开挖数值模拟中土体本构模型的选取

基坑开挖数值分析中的一个关键问题是选取一个合适的土体本构模型。该文通过对基坑开挖过程中土体的主要应力变化路径进行分析, 指出开挖条件下的土体本构模型应能合理考虑土体变形特性的应力路径相关性和压硬性。在介绍与分析几种常用土体本构模型特点的基础之上, 通过模拟应力路径三轴试验、基坑工程算例与工程实例的对比分析, 探讨了常见土体本构模型的适用性。分析表明, Hardening Soil Model采用了不同的加荷与卸荷模量, 能够反映土体应力路径的影响, 且考虑了土体模量的应力水平相关性, 能预测得到较合理的坑壁侧移、地表沉降以及支护结构的内力, 因而建议采用Hardening Soil Model进行基坑开挖数值模拟分析。     

Modeling the behavior of natural gas pipeline impacted by falling objects

A numerical approach, based on the finite-element method was established in this paper to simulate impact behavior of buried gas pipeline. A three-dimensional elastic perfectly plastic soil model with plane strain conditions was employed in this analysis. The influence of relative stiffness of pipeline–soil, buried depth of pipeline and impact energy on the stress distribution of buried pipelines was discussed. The analysis results showed that the maximum pipeline stress decreased with the increase of the relative stiffness of pipeline–soil; however, the penetration depth was independent of the relative stiffness of pipeline–soil. Pipeline stress decreased with the increase of buried depths and began to stabilize when the buried depth was more than 3 m. The results of impact load and penetration depth considering the plasticity of soil were much larger than those not considering it. To minimize the discrepancy of results between the current approaches and the actual situation, a new method was put forward to improve the accuracy of the proposed formula computing impact load and penetration depth. The results from the new theoretical method were closer to those from the finite element analysis and tests.