海洋环境下桩-土相互作用问题的数值解

考虑波压力对海床土体应力状态的影响,基于Biot固结理论及虚拟桩技术对海洋桩-土相互作用体系进行了数学建模,并应用FlexPDE对所建立的数学模型进行了数值求解,得到了作用在桩体上的侧向土压力、桩体周围土体有效正应力以及自由场土体相对水平位移和相对垂直位移的分布,这些结果可为海洋桩基的设计与监测提供依据。     

内水压作用下粘弹性饱和土-隧洞衬砌相互作用

混凝土衬砌既有粘弹性性质,又有渗透性。实际工程中内水压力值由衬砌和孔隙水共同承担,该文通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数合理地分配了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。根据衬砌和土体界面处衬砌中流体速度和土体中流体速度相等以及应力和位移连续性条件建立了部分透水边界条件。将衬砌和土体分别视为多孔粘弹性材料和液固两相介质,采用饱和多孔介质理论和粘弹性理论,在频率域内给出了内水压力作用下粘弹性饱和土-衬砌相互作用时饱和粘弹性土位移、应力和孔压和衬砌的位移和应力解析表达式。进行了参数研究,表明:应力系数以及衬砌和土体相对渗透系数对系统动力响应影响很大。另外,应力系数合理地确定了边界衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。     

粘弹性土体中深埋圆形隧道的应力和位移分析

基于Biot固结理论,采用渗流-力学耦合模型,研究分析了粘弹性饱和土体中因开挖深埋圆形隧道而引起的周围土体的应力和位移场。假设衬砌和土体均为多孔介质,隧道处于半封闭状态,边界半透水。在拉普拉斯变换域中得到的应力、位移场和孔隙水压力解答,运用拉普拉斯数值逆变换得到数值计算结果,分析了隧道周围土体中应力、位移场及孔隙水压力的消散规律,讨论了隧道边界的渗透特性和土体的流变性质对应力、位移场以及孔隙水压力消散的影响。     

准饱和粘弹性土-隧道衬砌系统的动力特性

将衬砌和土骨架分别视为多孔弹性材料和具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,在频率域内研究了饱和度对分数导数型准饱和粘弹性土-半封闭圆形隧洞弹性衬砌系统动力特性的影响。将水-气混合物视为一种均匀流体,基于Biot两相动力固结理论和弹性理论,分别得到了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数型准饱和粘弹性土的位移、应力和孔压以及衬砌的位移和应力解析表达式。利用衬砌内边界上的边界条件及土体和衬砌界面处的连续性条件,得到了待定系数的具体表达式。通过算例分析,发现:衬砌和土体相对渗透系数对孔压幅值的影响与饱和度有关;流体压力作用下,随着饱和度的减小,位移幅值逐渐增大。另外,分数导数模型参数对系统动力响应有较大影响。     

饱和横观各向同性分数导数黏弹性土中半封闭衬砌振动响应

在频率域内研究了饱和横观各向同性分数导数黏弹性土体中深埋圆形隧道半封闭衬砌振动响应问题。根据土体在长期沉积过程中存在各向异性的特点,将土骨架视为具有分数导数本构关系的横观各向同性黏弹性体,采用饱和多孔介质理论和弹性理论,利用衬砌内边界应力协调以及土体和衬砌界面处应力和位移连续,得到了简谐荷载作用下饱和横观各向同性黏弹性土和弹性衬砌的位移、应力和孔隙水压力解析表达式。考察了饱和经典弹性土、饱和分数导数性黏弹性土和饱和经典黏弹性土三种条件下饱和黏弹性土和衬砌各参数的影响,表明：横观各向同性面的弹性模量和衬砌厚度对系统动力响应的影响与分数导数阶数和土骨架的黏性有关;渗透系数较小时,系统存在明显的共振现象。另外,在三种条件下半封闭衬砌振动响应存在较大差异。     

饱和黏弹性土中圆柱形隧洞的振动特性

基于流体不可压缩饱和多孔介质理论,将衬砌视为具有分数导数本构关系的多孔黏弹性体,在频率域内研究了在内水压力作用下饱和黏弹性土和衬砌系统的振动特性。通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数,合理地确定了隧洞边界衬砌和孔隙水共同承担的内水压力值。利用衬砌内边界上的边界条件以及衬砌和土体界面处应力和位移的连续性条件,给出了隧洞边界部分透水条件下饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统简谐耦合振动时系统动力响应的解析解。结果表明:饱和黏弹土和衬砌结构的动力响应与衬砌材料的黏性有关;应力系数合理地确定了衬砌和孔隙水共同承担的内水压力值。     

紧邻既有建筑基坑有限土体主动土压力计算方法

当拟开挖基坑周边存在既有建筑物时,在基坑支护的挡土构件与既有建筑基础间土体宽度有限,此时土压力不能采用传统的朗肯理论或库伦理论进行计算。由于采用滑移土体为刚性体、墙土界面光滑等假设,此前针对该问题进行研究的文献未能很好反映实际情况。该文通过对挡土墙与既有建筑基础间的有限土体进行完整的受力分析,考虑了既有建筑基础与有限土体间的法向及切向相互作用力,建立了求解有限土体主动土压力的计算公式,并进行了适当的简化。与有限元计算结果的比较表明,该公式较以往的算法更接近于有限元结果,同时它还能考虑对墙土界面强度折减系数的不同取值。该文给出的简化公式形式较为简捷,精度较高,可方便工程技术人员对此类土压力问题进行初步计算。     

挡土墙地震土压力的拟动力分析

基于均匀土层剪切梁理论建立了边坡水平地震动力运动方程,得到了边坡坡后土体的水平位移和加速度响应。将水平加速度应用到挡土墙地震土压力拟动力分析中,对坡体刚性假定和加速度沿坡高恒定的不足进行了改进,推导出主动、被动土压力的计算公式。结合实际工程分析了墙后填土面倾角、填土内摩擦角、挡墙与填土界面摩擦角对于总土压力大小的影响,并与传统的拟静力法和拟动力法进行了比较,结果表明:地震土压力随着时间呈一种类似正弦或者余弦状波动;随着墙后填土面倾角增大挡土墙地震总主、被土压力的也呈逐渐上升趋势;随填土内摩擦角、以及挡土墙与填土界面摩擦角的增大挡土墙地震总主动土压力逐渐减小,而被动土压力则随之增大;传统的计算方法由于计算值偏小而不安全。     

砂土中刚性挡墙不同主动变位模式任意位移土压力计算

已有模型实验及现场实测表明,刚性挡墙随着变位模式和位移量的变化,主动土压力合力和分布均发生改变,有时甚至与经典理论的线性分布有很大不同。采用中间状态系数定义非极限状态,提出了砂土中刚性挡墙不同主动位移模式下非极限状态土压力合力系数的计算公式;将墙后土体简化为连续非线性弹簧和刚塑性体的组合体作用在挡墙上,得到了不同位移模式任意位移的土压力分布和合力作用点高度。与已有理论方法和实验结果对比表明,该文方法在三种典型位移模式下与实验数据吻合更好。研究还发现,平动模式土压力呈线性分布,其合力随挡墙位移量的增大易趋于稳定并到达极限状态;绕墙底和绕墙顶转动模式下土压力合力随着位移增大只能接近极限状态且呈非线性分布。绕底转动时,土压力分布曲线逐渐向上凹,合力作用点高度趋于降低;绕顶转动时,分布曲线则逐渐向上凸,合力作用点高度趋于升高,墙顶附近表现出明显的土拱效应。     

饱和粘土中挤土桩球形孔扩张的弹塑性分析

将桩体的贯入模拟为球形孔扩张过程,基于球形孔扩张理论,在大变形假定情况下,结合修正剑桥模型及水力压裂理论,由最小耗能原理从能量的角度推导出了饱和粘土中挤土按球形孔扩张后,土体整个范围内,包括弹性区、塑性区、破坏区内的应力、位移及超孔隙水压力分布的解析解,并分析了土的超固结比对结果的影响,和其他文献的比较结果证明了理论解析解的准确性。其结论可为饱和土地区的静压桩、打桩等岩土工程问题提供理论依据。     

土工合成材料加筋土挡墙筋材内力分析

土工合成材料加筋土挡墙是一种新型的挡土结构,它具有经济性好、性能优越、适应性强等优点。而筋材内力计算是该类结构设计的一个关键步骤,因此该类结构的推广应用需要一种合理易用的内力分析方法。该文讨论了几种土工合成材料加筋土挡墙的筋材内力分析方法,并对这些方法的优缺点进行评述。这些方法包括基于主动土压力系数的方法、基于经验的K刚度法、基于极限平衡的加筋边坡稳定分析方法、基于非线性弹性与变形协调的理论方法、以及基于增量非线性及填土剪胀性的筋材内力分析方法等。通过比较分析发现,如忽略面板作用且填土强度得到完全发挥,基于主动土压力系数以及极限平衡边坡分析的方法适用于分析加筋土挡墙在强度极限状态时的筋材内力,但填土强度的发挥水平决定于筋材的长期刚度。另一方面,如能合理考虑筋材的长期刚度以及面板的约束作用,基于筋土变形协调的理论分析方法适用于分析加筋土挡墙在正常工作荷载作用下的筋材内力。     

刚性挡土墙粘性填土被动土压力简化计算

利用水平条分法计算刚性挡土墙粘性填土的被动土压力，得到了刚性挡土墙粘性填土时被动土压力的非线性分布表达式且计算模型满足切应力互等定理。根据摩尔-库仑准则得到侧压力系数的计算公式，并且得到了被动土压力合力的简便公式。通过两种计算模型讨论了土条带间切应力增量对被动土压力影响。将计算结果与现有经典理论进行对比分析，结果表明:当挡土墙墙背光滑且无均布荷载时该文计算公式退化为Rankine公式，当填土为无粘性土时，该文方法所得结果与考虑土拱效应的经典文献结论趋于一致，并且与现有的试验结论保持一致。     

考虑合力作用点位置的主动土压力计算

从滑动土体整体静力平衡方程出发,推导了坡面起伏,且有不均匀超载,墙背倾斜,黏性填土等一般情况下的主动土压力泛函极值的等周模型。在此基础上,引入拉格朗日乘子,将主动土压力问题转化为确定含有两个函数自变量的泛函极值问题。依据泛函取极值时必须满足的欧拉方程,得到了对数螺旋线的滑裂面函数和沿滑裂面分布的法向应力函数。结合边界条件和横截条件,主动土压力泛函极值问题进一步转化为以两个拉格朗日常数为未知量的函数优化问题。通过算例表明,对于一般土体,在作用点位置系数下界限处,主动土压力最小,滑裂面为平面;随着作用点位置的上移,主动土压力呈非线性增长,相应滑裂面为对数螺旋面,在作用点位置系数上界限处,主动土压力达到最大。在作用点位置系数上下界限处所对应的主动土压力构成的数值范围,包含了各种挡墙变位模式下的主动土压力。通过算例对比分析,采用库仑土压力理论进行的抗倾覆设计存在安全系数偏低的缺点,应该根据主动土压力和作用点位置的区间估计来指导设计。     

公路工程路堤临界填土高度一种计算方法研究

路堤临界填土高度是公路工程中一个非常重要的问题,填筑高度小于临界填土高度时,地基的变形和稳定能得到控制。依据极坐标表示的弗拉曼公式和统一强度理论,考虑中间主应力σ₂对地基承载力的影响,推导出土的静止侧压力系数K₀≠1条件下地基的临塑与临界荷载公式,提出路堤临界填土高度一种计算方法。结合算例,对中间主剪应力系数b和土的静止侧压力系数K₀取不同值时,临界荷载与路堤临界填土高度计算结果进行了对比分析,结果表明:基于统一强度理论得到的计算方法能确切地反映地基承载力的实质,使地基土体强度得到充分的发挥。     

浅圆仓散料侧压力计算探讨

浅圆仓散料侧压力一般采用Rankine或Coulomb土压力理论计算,而Rankine理论和Coulomb理论适合于直线形挡墙,对仓壁这样在平面上投影为圆形的墙不一定适用,况且,在应用上述理论时往往假设侧压力沿墙高是线性分布的,但众所周知,散体不同于流体,其侧压力沿高度的分布不可能是线性的。基于此,依据极限平衡理论,研究浅圆仓散料侧压力的实际分布规律及计算方法。首先得到散粒体作用在单位弧长的墙壁上的合压力,然后通过严格的数学推导,求得侧压力的曲线分布规律。将结果与实仓试验结果对比,说明公式不论对贮料平堆还是锥堆都比较适合,而上述两种理论用于浅圆仓均有缺陷。     

被动土压力作用的变分极限平衡法研究

在极限平衡法的框架内,引入Lagrange乘子,将被动土压力问题以变分学观点来描述,转化为含有两个函数自变量的泛函极值问题,进而根据力系几何关系将其转化为带有约束的函数极值问题。极值问题的计算结果表明,挡墙背后土体在被动临界状态时存在着沿某平面滑动和绕对数螺旋柱面转动两种破坏形式。在平面滑动破坏的情况下,土压力的大小完全等同于Coulomb(1776)和Rankine(1857)理论的结果;对于土体转动破坏情况,土压力的大小与Sokolovskii(1956)和Chen(1975)的结果比较吻合。与已有测试数据的对比表明,两类理论计算结果构成的有序实数对可以作为被动土压力大小的一个区间估计,包含了各种墙体变位模式下刚性挡墙上作用的被动土压力。     

MgO过渡层对PET基SiO2薄膜结合强度的影响

采用磁控溅射镀膜机制备了含有MgO过渡层的SiO2/MgO/PET复合薄膜,并通过垂直拉伸法测量了所得复合薄膜的结合强度,探讨了过渡层对复合膜结合强度的影响规律.结果表明:在PET基材与SiO2膜层之间引入MgO过渡层后,SiO2/MgO/PET复合膜的结合力较SiO2/PET复合膜提高了80%以上;MgO过渡层的制备参数对SiO2/MgO/PET复合膜的结合强度有着重要影响,结合强度随本底真空度的增高而增大,随射频功率、氩气流量、溅射时间的增大而呈现先增大后减小的变化规律;4个制备参数对结合强度的影响程度由大到小依次是本底真空度、射频功率、氩气流量和溅射时间;4个制备参数较优的水平组合为本底真空度0.5×10-3Pa、射频功率250 W、溅射时间12 min、氩气流量20 mL·min-1.     

考虑基坑宽度影响的基坑抗隆起稳定分析

地铁车站、地下管廊建设中狭窄基坑日趋增多,目前深基坑抗隆起稳定性的计算方法主要基于地基承载力模式和绕最下道内支撑或拉锚点的圆弧滑动模式,不能考虑基坑平面尺寸的影响。对不同宽度的深基坑进行数值模拟,得到坑底潜在隆起滑裂面的分布规律,并提出了考虑基坑宽度影响的基坑坑底抗隆起稳定分析模式,基于有限土体的被动土压力研究,修正了狭窄基坑被动侧的被动土压力系数。通过算例分析基坑宽度、支挡墙嵌入深度等对基坑抗隆起稳定的影响。研究表明狭窄基坑抗隆起安全系数更高,砂性土地基基坑宽度效应比淤泥质黏土地基更明显。将该文法应用于工程实例分析,实测数据验证了该文法的合理性。     

基于自适应控制技术的盾构掘进监控系统

为了实现盾构在不同地质情况下掘进的土压平衡自适应控制,研制功能更加完善、可靠性更高的掘进监控系统,根据盾构施工的可靠监测和自动控制要求,采用集中监测和分布控制相结合的模式设计了基于工业网络架构的盾构监控系统,并详细分析了监控系统软硬件的结构特点.针对盾构监控过程中的土压平衡技术,采用基于土层识别的自适应控制方法,以不同地层中的试验数据为依据,建立盾构施工的专家经验库,实现掘进过程中的土压自适应控制.整套监控系统软件通过LabVIEW和Matlab联合开发来实现.该监控系统经测试运行良好,人机界面直观,操作性好,系统安全性和可靠性高,为先进盾构掘进监控系统的研制和掘进过程的自动化管理奠定了基础.     

弹塑性本构模型计算冻结壁应力场和位移场

应用冻结壁在卸载状态下冻结壁-周围土体共同作用的力学模型,基于大量的冻土应力-应变关系曲线的试验,采用弹塑性非线性本构模型计算冻结壁应力场和位移场.计算结果表明,由于冻结壁在周围土体共同作用下外载比原始水平应力要低,计算的应力场和位移场和有限元模拟接近地.