移动冲击荷载作用下成层土变形的流固耦合数值分析

土体本构模型、地基-水模型和冲击荷载的模拟是研究土体受冲击荷载作用时的三个关键因素。通过摩尔库伦本构模型模拟土体的应力-应变关系,在考虑地下水位的情况下,运用FLAC3D软件建立了地基结构的空间模型,详细探讨移动冲击荷载在流固耦合作用下沉降变形规律。研究结果表明：冲碾作用在边缘位置时的沉降比作用在中间位置时的大,冲碾压实影响深度可达5m,有效压实深度约为1m。     

冲击荷载作用下地基土变形及动力特性

为研究冲击荷载作用下地基土变形及动力特性,在ABAQUS框架内,采用Mohr-Coulomb模型、刚体冲击荷载、非线性大变形有限元算法及ALE(arbitrary lagrangian eulerian)自适应技术,计算了变形、应力和加速度。计算与现场试验结果基本一致,验证了模型的合理性。以该模型为基础,研究了不同能级、不同冲击次数、不同土体弹模对地基土体变形、应力、速度及加速度的影响。结果表明:夯沉量、隆起高度与夯击能呈线性关系,夯沉量和弹性模量近似呈线性关系;冲击荷载作用下土体呈弹塑性变形→弹性变形逐渐恢复→仅剩塑性沉降变形;冲击能量沿40°～45°向下传递且不断衰减,在施工过程宜合理确定夯间距,分遍错位夯实,确保土体得以有效处理;竖向应力时程曲线呈近似三角形形状,仅出现一次峰值应力。     

爆炸荷载作用下饱和土体的液化特性分析

为了研究饱和土体在爆炸冲击荷载作用下的液化特性,在LS-DYNA软件框架内,建立了适合于爆炸荷载作用下土体动力分析的实用模型,并对某爆炸液化现场试验进行了数值模拟。模拟得到的孔压时程与试验结果基本一致,表明数值手段能够较好地预测土体在爆炸荷载作用下孔压的发展规律。同时,通过数值模拟结果还可以发现,爆炸荷载作用下土体可能发生液化的区域远大于爆炸直接冲击导致结构破坏的区域。因而,在防护结构设计中,不仅要考虑结构本身的强度是否满足抗爆设计的要求,还要考虑由于周围土体液化导致的地基失效而造成的结构失稳破坏。     

冲击+振动+静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型

从土体粘弹塑性理论出发,以冲击 振动 静碾复合压实装置及被作用介质-土壤为整体,分析了土体在冲击 振动 静碾复合压实作用下的形变特点,以及如何用粘性、弹性、塑性三元件的恰当组合反映土体的这种应力应变特性,并由此建立了冲击 振动 静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型和相应的运动微分方程,指出了在压实过程中土体的变形不仅与压实设备提供的压实力的性质和大小有关,而且与被压土壤的特性参数密切相关。     

2.5维有限元分析高铁荷载下弹塑性地基动偏应力与沉降

为分析高铁荷载引起的弹塑性地基动偏应力分布规律并据此开展沉降计算,建立了高铁荷载下弹塑性地基2.5维有限元计算模型,将高铁荷载分别简化为准静态列车荷载和考虑随机激振力的修正列车荷载,对比了2种荷载下弹塑性地基中动偏应力的分布规律,并利用循环荷载下软黏土累积塑性应变模型计算了均质弹塑性地基沉降。研究表明,弹塑性地基中动偏应力呈马鞍形分布,最大值出现在道床边缘附近土体中;车速小于土体瑞利波速时沿地基表面和轨道中心沿深度方向土体动偏应力的衰减曲线光滑,车速接近或大于土体瑞利波速时,在马赫效应的影响下动偏应力呈波动衰减;修正列车荷载下弹塑性地基中动偏应力分布更符合实际情况;高铁运营初期地基沉降较快,随时间增加沉降速率逐渐趋于稳定;计算高铁运行产生的地面沉降时,需同时考虑列车运行速度和随机激振力的影响。     

简谐移动荷载作用下饱和土地基上无限长梁的动力响应

根据Biot理论及Euler-Bernoulli理论,建立饱和土体地基上的无限长梁受简谐移动荷载作用模型;由梁-土体系的变形协调条件,推导梁-土体系的等效刚度;由Fourier变换得到时间-空间域的梁-土体动力响应;分析荷载速度、频率、饱和土体的参数对梁-土体系的影响。研究结果表明:当荷载在某一低频时,随着荷载速度增大,梁的最大竖向变形、弯矩也增大,而当移动荷载的频率较高时,荷载速度对梁的变形及内力的影响较小;对于饱和土体地基上的无限长梁,当荷载速度超过土体剪切波速时,梁仍然存在一系列其他模态所对应的关键速度,此时,梁有最大变形出现。     

广义Gibson地基内部作用线源荷载的基本解

针对广义Gibson地基在埋藏线源荷载作用下的静力学问题,通过将内源线荷载等效为在相同深度范围内连续的集中点荷载的累加,采用Hankel积分变换方法,再结合具体的边界条件,推导得到地基土体在内源点荷载作用下的Hankel变换域中的解,并利用Hankel逆变换将变换域内的解转换为物理域内的积分形式解。然后对该解沿深度方向积分求得了地基土体在三种沿深度分布线荷载作用下的竖向位移解,并对地基内部沿深度分布线源荷载作用下地基表面土体变形问题通过具体算例,运用数值积分计算方法,分析了地基土体的非均质性、荷载分布深度等因素对地基表面土体竖向位移的影响。结果表明:①地基土体的非均质性对地基表面竖向位移有较大影响,相对而言,线源荷载竖向分布深度及荷载分布形式对地表竖向位移的影响较小,且地表竖向位移主要受浅层荷载的影响;②荷载分布深度对地表位移的影响主要体现在土体非均质性较小情况下,且在荷载沿深度减小分布时最为显著。     

土工格栅加筋地基承载特性数值分析

为研究加筋地基承载性能,基于已有室内试验结果采用有限差分法建立加筋地基数值模型,分析竖向荷载下土工格栅加筋地基的力学特性及加筋层数对土体的荷载-沉降变形特性、应力分布及土工格栅位移的影响,探讨筋土结构的内部土体和土工格栅应力位移场的演变规律,引入承载力提高系数综合分析加筋层数对加筋地基的沉降及承载力的影响。研究表明:在竖向荷载作用下,地基土体呈拱状不均匀沉降,基础两侧土体隆起变形,加筋后能够改善地基的不均匀沉降及减小侧向变形,约束基础两侧土体的隆起;土工格栅具有良好的应力扩散作用,加筋地基的承载力随着加筋层数的增加而增加,但增长幅度逐渐变缓,加筋层数为4层时承载力最高,为最佳加筋层数;土工格栅的有效埋深约为1.5B(B为基础宽度),当筋材埋深超出筋材有效深度影响范围,筋材的加筋作用不再增强。     

非均匀地基在矩形移动荷载作用下的动力响应

利用半解析法研究矩形移动荷载作用下非均匀地基的动力响应问题.基于双向Fourier级数展开技术,建立矩形移动荷载作用下非均匀地基的动力计算模型,其中考虑地基剪切模量为随深度任意变化的连续函数.经过理论推导,给出非均匀地基在矩形移动荷载作用下地基中位移级数形式的解析解答.通过数值算例分析并讨论地基非均匀参数、荷载移动速度以及地基表面的剪切模量等对地基力学响应的影响规律.从数值计算结果看,表面土体的剪切模量越大、非均匀程度越大、移动荷载速度越小,都会使土体中各点的竖向位移减小.     

考虑非共轴特性的吸力桶基础竖向荷载-变形特性研究

土体在剪切变形过程中会产生较为显著的主应力方向旋转,主应力方向与塑性主应变增量方向将呈现出显著的差异即非共轴现象.采用砂土非共轴弹塑性本构模型,以吸力式桶形基础为研究对象,研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对地基荷载-位移关系的影响.研究结果表明:在竖向荷载作用过程中,土体主应力方向处于单调旋转状态,吸力桶形基础高径比对土体主应力方向的旋转规律(方向、速率和极值)有显著影响.非共轴特性对荷载-位移关系的发展趋势有显著的减缓滞后作用,该作用在地基变形中期比较显著.随着高径比的增加,非共轴特性逐渐显著,该特性对地基竖向荷载-位移关系的影响逐渐明显.     

轻轨列车和高架桥梁系统的动力响应分析

以一种简化的方法研究高架轻轨列车对桥梁的动力冲击作用与周围地基的振动效应，首先建立了二维的车─桥系统动力相互作用模型，通过模拟分析求得列车运行时作用在桥墩上的列车振动荷载，然后再采用＂桥墩─基础─地基＂的二维共同作用模型，计算通过桥墩并垂直于线路的横断面上的地基和地面的振动特性。并以一实际高架轻轨系统为实例，研究了平基和桩基两种情况下高架轻轨列车对周围地基振动的影响。     

考虑固结流变的软土地基单桩下拉荷载计算

为研究大面积堆载作用下软土地基中单桩下拉荷载计算方法,基于非达西流动定律引入软土流变模型,建立了拉格朗日坐标系中考虑固结和流变共同作用下软土地基大变形长期沉降非线性计算模型.模型中考虑了固结流变过程中孔隙比与渗透系数随孔隙水的排出而发生变化.进而以荷载传递法为基础,重点研究了固结流变土体中桩土相互作用时界面抗剪强度的时间效应,提出了软土地基在大面积堆载作用下考虑非达西流动固结与流变耦合效应时单桩下拉荷载理论计算方法,通过假定桩顶变形进行迭代求解,获得了桩身下拉荷载分布与中性点长期变化规律.最后与传统固结计算方法进行比较,并分析了平均固结度、非达西流固结参数、流变参数以及堆载大小对下拉荷载变化的影响.研究结果表明,基于传统土体固结理论的计算结果偏于保守,考虑固结流变共同作用对单桩受力的不利影响极为必要.     

循环荷载下天津软黏土不排水强度弱化模型研究及应用

波浪等循环荷载作用下,饱和软黏土产生超孔隙水压力,土体强度弱化,导致地基承载力和防波堤等近海结构稳定性降低.基于土体强度弱化的原理,建立一种表示土体不排水强度在不同动应力水平下随循环荷载作用次数变化的强度弱化模型.模型通过建立软黏土不排水强度与孔隙水压力增长规律的关系,表示出软黏土不排水强度弱化的具体过程.在有限元软件ABAQUS上进行二次开发,对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算,并与试验数据对比.结果表明,文中建立的强度弱化模型简单准确,能够较好地表示土体不排水强度弱化过程.将模型应用到波浪荷载作用下部分回填换砂处理的软土地基上沉箱结构进行沉降变形分析,并与未考虑土体强度弱化的静力、拟静力有限元分析结果进行对比,研究了强度弱化对结构沉降变形的影响.     

考虑基岩作用的圆形粘弹性地基振动分析

针对Merchant粘弹性本构模型，从轴对称饱和地基动力方程出发，运用Hankel积分变换，研究了粘弹性地基的竖向振动问题，获得了位移、应力、孔隙水压力及渗流量的积分形式解．并由此结合数值算例，讨论了粘弹性地基受动力荷载作用的振动特性．结果表明：地基竖向振幅沿半径呈波动衰减，粘弹性土体竖向振幅随半径变化要比弹性土体的小．     

超大地面荷载下盾构工作井叠合结构的力学响应

为了解决现行盾构工作井的设计缺乏对超大地面荷载作用的验算问题，通过开展室内缩尺模型试验，研究盾构工作井从施工期到服役期在超大地面荷载下地下连续墙与主体结构侧墙所构成叠合结构的力学响应，并考虑盾构工作井周围土体中地下水的作用，探讨土体抗剪强度减小对超大地面荷载最大值的影响。结果表明：在超大地面荷载作用下，盾构工作井中隔墙的抗压刚度较大，以受压的形式承担了大量的荷载效应，导致叠合结构上部容易发生低应力水平下的整体水平位移，进而在围护结构底部发生失稳，导致整体破坏；主体结构侧墙在施工期的初始挠度及叠合结构整体水平位移使得叠合结构中地下连续墙承担了大部分内力；通过观测室内缩尺模型中叠合结构的变形量，由模型数据换算得到盾构工作井顶部极限超载为445.5 kPa,远大于盾构工作井周围土体地基承载力特征值130 kPa,验证了采用地基承载力对超大地面荷载下地面硬化进行设计的安全、可靠性。     

泥炭质土地区盾构隧道列车运营期沉降研究

为研究运营期列车振动荷载作用下盾构隧道地基土体的沉降特性,本文以昆明地铁二号线二期工程某区间隧道为例,结合地质勘察资料,建立Midas GTS NX三维有限元模型,通过人工激励函数对模型施加动力荷载,分析了列车满载高速的情况下,隧道周边土体的沉降特征,结合经验模型公式,预测了隧道在长期循环荷载作用下基底土体的沉降变形.研究结果表明:在长期列车振动荷载作用下,隧道周围土体发生被迫振动,类似作简谐运动;土体的沉降幅值随与振源距离的增加而减小;线路运营期基底土体沉降呈指数型增长,最终趋于稳定,第一年沉降16.9 mm,达前10年累计沉降的67.6%.为保障线路的安全运营,应重点加强隧道运营期前期的监测养护.     

变荷载下考虑结构性的双层地基一维非线性固结分析

考虑变荷载下结构性软土双层地基在固结过程中压缩性和渗透性的非线性变化,基于e-lgσ′两折线压缩模型及e-lgkv渗透关系,利用半解析方法和成层地基一维固结解析解对结构性软土双层地基一维非线性固结问题进行求解。编制相应的计算程序,通过实例计算,分析变荷载下考虑结构性的双层地基一维非线性固结性状,分别讨论土体结构性、加载速率、结构屈服应力和渗透指数对地基固结性状的影响。研究结果表明:考虑土体结构性影响比未考虑土体结构性的固结速率增大,最终沉降量减小;当最终荷载不变时,随着加载历时的增大,地基固结过程变慢;结构性软土结构屈服应力增大,超静孔压消散加快,土体固结速率增大;双层地基各层渗透指数对超静孔压影响较为复杂,对上下层地基沉降速率影响不同。     

地铁列车移动荷载作用下饱和软粘土地基动力响应及长期累积变形研究

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,本文通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明：土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

竖向荷载作用下复合桩加固液化土沉降分析

为进一步研究复合桩加固液化土在地震荷载作用下桩体沉降变形,利用振动台对钢管—碎石桩加固的复合地基模型在不同荷载作用下进行对比试验。施加0 kg、0.5 kg、1.0 kg、1.5 kg、2.0 kg、2.5 kg六组竖向荷载下,对复合桩加固模型振动过程中不同埋深处超静孔隙水压力和地基沉降进行对比分析,揭示钢管—碎石桩复合加固模型超静孔隙水压力、沉降随荷载的变化规律。结果表明:同一竖向荷载下埋深越大孔隙水压力越大,孔隙水压力的峰值也越大;不同竖向荷载下,不仅随着荷载增大超静孔隙水压力峰值变大,而且超静孔隙水压力随荷载增大消散明显加快,说明竖向荷载作用加速了碎石桩排水功能;施加不同荷载,桩体沉降均随振动时间先缓慢增加又急速增大最后趋于平缓,竖向加荷1.0 kg成为突变点;随着碎石桩的排水,孔隙水压力逐渐消散,土体变密,超静孔隙水压力减小,液化土强度增强,桩周土体对桩约束力增强,桩体的沉降量减小。说明荷载作用下钢管—碎石桩加固复合地基对预防土体液化和提高地基承载力效果明显,并得出沉降量随时间变化的曲线方程,为今后复合桩加固液化土地基的应用提供一定参考。     

列车移动荷载下饱和软黏土地基的长期沉降计算

借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转路径的室内模拟,建立列车移动荷载引发的主应力轴心形旋转路径下土体的塑性累积模型和孔压模型;在动力有限元中引入等效移动列车荷载,并结合分层总和法的思想,建立高速列车移动荷载作用下饱和软黏土地基的长期沉降计算方法,进一步研究交通荷载下地基软土的长期变形规律。研究结果表明:总沉降量随着振次的增加而增大,其增大速率迅速减小,并在振动约250万次时出现拐点,总沉降速率趋于稳定,此时沉降量占4 a总沉降量的90%以上;土体总沉降量随着深度的增加而不断减小,整体沉降主要发生在距地面5 m以上部分,该部分的沉降量占总沉降量的95%以上;随着列车运行速度的增大,地基土层的总沉降增大,当列车速度超过临界速度时,地基的总沉降量反而大幅度减小。