真空排水预压下土体变形的应力路径分析

通过室内试验, 对真空排水预压下土体变形特性进行了应力路径分析, 测定软土地基在真空预压加固后应力路径的改变对沉降量的影响, 论证真空排水预压加固软土地基不能消除其剪应力引起的剪切变形, 结合实例, 计算其后期沉降量与固结沉降量的比值, 并推算软土地基在真空预压下其最终沉降量计算公式的修正系数。     

饱和土–隧道动力响应的2.5维有限元–边界元耦合模型

针对饱和土中异形隧道的三维动力响应问题,建立了2.5维有限元与边界元耦合模型.将隧道结构视为弹性体,采用2.5维有限元建立隧道模型;将地基土视为饱和多孔介质,采用2.5维边界元建立饱和土体模型.借助组合辅助问题基本解消除了边界积分方程的奇异性.利用饱和土与隧道接触面的位移、面力连续和完全透水或完全不透水边界条件,实现2.5维有限元和边界元模型的耦合求解.模型具有计算效率高、适用范围广的优点.通过与完全透水和完全不透水边界条件下轴对称问题的半解析解以及单相介质的2.5维有限元与边界元耦合模型对比,验证了本文模型的正确性.最后利用该模型计算了饱和土体中类矩形隧道在移动载荷作用下的三维动力响应,分析了不同土体渗透性下位移及孔隙水压力沿隧道轴向、环向和深度的分布规律.结果表明:(1)孔隙水压力随土体渗透性增大而显著减小,位移受土体渗透性影响小;(2)位移及孔隙水压力在隧道环向主要分布在距载荷作用点两侧约2 m的范围内;(3)孔隙水压力沿深度的衰减比土体位移快,且孔隙水压力和轴向位移沿深度的分布受土体渗透性影响大.     

流变性地层基坑开挖过程中土体长时位移预测

软土基坑开挖更易导致施工事故的发生,因此有必要对该类基坑施工过程进行变形预测分析。本文引入改进的Singh-Mitchell蠕变模型及土体位移时效系数概念,提出了利用三轴流变试验数据和三维FEM模拟瞬时结果的软土基坑开挖过程中土体长时位移预测方法并给出了计算步骤。以宁波地铁车站基坑施工为案例,预测了土体长时水平位移和分层沉降量,并与现场监测结果进行了比较分析。结果表明,模型预测值与监测结果趋势一致。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

考虑次固结的软土地基一维非线性固结理论

将软黏土变形分为有效应力变化引起的变形和次固结引起的变形,推导了软土新型应力应变关系。然后结合Davis固结理论,建立了考虑次固结的一维非线性固结控制方程,并对其进行解析求解。通过与数值方法对比,验证了解析解的可靠性。在此基础上,分析了次固结对软土地基固结沉降的影响。结果表明:考虑次固结的孔压消散速度与固结速度较不考虑次固结的慢;忽略次固结将低估软黏土地基的工后沉降。     

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型，其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型，并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响；(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下，传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析，比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别，得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果；(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

考虑横向拉伸影响的FGM板的静态分析

在三阶剪切变形理论的基础上,添加关于厚度坐标z的幂函数项,并假设板结构的上下表面剪切力为0,提出了一种考虑横向拉伸影响的高阶剪切变形理论。并且研究了简支边界条件下受静态载荷作用的功能梯度材料矩形板的静态弯曲行为。基于虚功原理推导出了功能梯度矩形板的基本方程,利用Navier双三角级数法计算了功能梯度材料矩形板在静态载荷作用下沿厚度方向的位移及应力分布的数值结果。计算结果与三维精确解理论、其他高阶剪切变形理论得到的数值结果进行了比较。对比结果表明,改进的考虑横向拉伸影响的高阶剪切变形理论的正确性和优越性。     

基于物理中面FGM简支梁的弯曲行为

基于一阶非线性梁理论,利用物理中面概念导出了FGM梁的基本方程,分析了热载荷作用下简支FGM梁的弯曲行为.当坐标面置于功能梯度材料(FGM)梁的物理中面上时,其本构方程中,面内力与弯矩并不耦合,使得问题的控制方程以及边界条件得以简化.分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向、并按成分含量的幂指数形式变化;利用打靶法数值地求解了所得方程.数值结果表明:热载荷作用下,夹紧FGM梁发生过屈曲变形,而简支梁则发生较为复杂的热弯曲变形;在同一热载荷作用下,简支FGM梁将会产生三种构形问题;剪切变形对夹紧FGM梁的热变形影响比简支梁更明显.     

离心模型试验边界效应分析

通过对模型土进行加卸载的离心模型试验，分析边界摩擦力对土体变形的影响。由试验可以得到土层表面的弹性变形曲线，根据模型土体的位移边界条件，假设土层的位移函数，运用最小势能原理，求出边界磨擦力的大小，以及离心机加载过程中，在惯性力场和边界摩擦力作用下，模型土体的位移计算公式。通过试验和计算认为，在离心模型试验中，边界摩擦力对粘性土体的位移场有很大影响，应采取一定的措施减小摩擦力。     

基于非保守体力的大变形固结有限元法

考虑土体固结过程中体力的非保守特点,完善了T.L.描述的大变形固结平衡方程,并以伴生体力代替非保守体力,提出了相应的大变形固结增量有限元列式. 当忽略土体体积应变的影响时,改进的大变形固结平衡方程及其有限元法均可退化为基于保守体力的传统形式. 采用自主开发的程序对大变形自重固结算例进行分析,结果初步表明:传统方法低估了地基固结度,但高估了地基沉降量和超静孔隙水压力. 基于非保守体力的大变形固结分析在理论上能够更合理地预测地基的固结性状.      

ONE-DIMENSIONAL NONLINEAR CONSOLIDATION THEORY FOR SOFT GROUND WITH CONSIDERATION OF SECONDARY CONSOLIDATION1)

将软黏土变形分为有效应力变化引起的变形和次固结引起的变形,推导了软土新型应力应变关系。然后结合Davis固结理论,建立了考虑次固结的一维非线性固结控制方程,并对其进行解析求解。通过与数值方法对比,验证了解析解的可靠性。在此基础上,分析了次固结对软土地基固结沉降的影响。结果表明：考虑次固结的孔压消散速度与固结速度较不考虑次固结的慢;忽略次固结将低估软黏土地基的工后沉降。     

单向压缩状态下上海地区软土的蠕变变形与次固结特 性研究

基于上海地区原状软土的一维固结试验,讨论了在不同加荷比、加荷速率及超载预压情况下软土的蠕变变形特性和次固结特性。试验结果表明:蠕变变形随应力水平、加荷速率的增大而增大。相同应力水平下,加荷比较大的土样蠕变变形较小。蠕变变形为非线性,随着应力水平的增加,蠕变变形从粘弹性到粘塑性转变,加荷比较大时,这种转变更明显。对试验结果进行曲线拟和,确定Metchell一维经验模型参数,拟和曲线与试验结果吻合较好。通过对次固结阶段试验数据的线性拟合可知,对于正常固结土,次固结系数Ca值受应力水平和加荷比的影响不大,而与加荷速率密切相关,加荷速率较大时,Ca值随荷载的增大急剧增大后略有降低。超载预压可有效减小次固结系数,从而有利于减小工后次固结沉降。     

用切比雪夫多项式研究短梁的弯曲计算

考虑剪切效应,利用切比雪夫多项式构造严格满足表面切应力边界条件的轴向位移表达式,建立了短梁弯曲问题的新理论．利用奇异函数把作用在短梁上的复杂外载荷表示为分布载荷,推导出了短梁弯曲时的截面正应力公式及挠曲线表达式．把采用切比雪夫多项式推导出短梁的弯曲计算公式计算结果与弹性理论计算结果进行比较,可知该方法的计算精度较高．研究结果表明：在复杂外载荷作用下,当长高比小于等于6时,剪切变形对梁的弯曲挠度影响较大,而当长高比小于3时,剪切变形对梁的弯曲应力影响较大;因此建议采用切比雪夫多项式方法给出的挠度表达式、弯曲应力进行计算,因为切比雪夫多项式方法不但给出了复杂外载荷作用下梁截面挠度、弯曲应力的计算通式,而且该方法具有计算过程简便、精度高的优点．     

高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征

在地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下,城市地面沉降分布愈加复杂。以天津塘沽地区为例,考虑到土体在固结沉降中的平衡条件、弹性本构条件、变形协调条件和水流连续条件,以比奥固结理论为基础,建立了高层建筑荷载和地下水开采叠加作用下三维地面沉降模型,采用有限元方法进行了数值计算。结果表明,高层建筑物的附加荷载作用在其建成后的3~4a内将产生可观的地面沉降量; 抽水和高层建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应,叠加作用下的地面沉降值小于可比条件下单独抽水和单独荷载作用下地面沉降值之和。     

考虑固结的基坑开挖回弹问题有限层求解

在综述前人有关基坑变形研究成果的基础上,指出开挖回弹量直接影响到基坑的稳定性和建筑物的后期沉降,但相关研究很少考虑土体在开挖过程中的固结影响.现引入固结有限层法,通过增加开挖部分的耦合矩阵和开挖部分的渗透矩阵,建立三维横观各向同性土体考虑固结的开挖回弹问题的有限层求解格式,并编制了相应的计算程序,以分析开挖过程中坑底土体的动态固结过程和负孔压的消散规律,研究固结对坑底土体回弹的影响程度.结果表明坑底土体的孔压随时间逐步消散,从负孔压慢慢消散到零,且符合Mandel-Cryer效应,坑底的回弹量随时间不断增加,且中心点回弹量较大,边缘点回弹量相对较小,总体成中心对称的倒锅底形.     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后,舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题,上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型,列出了侧限压缩模型的平衡微分方程,分析了方程解析计算时存在的难点,结合摩擦应力边界条件的特点,构造函数迭代法对该方程进行数值求解,展示了计算的收敛过程,得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律,并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明,函数迭代法收敛速度较快,计算过程稳定,对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后,舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题,上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型,列出了侧限压缩模型的平衡微分方程,分析了方程解析计算时存在的难点,结合摩擦应力边界条件的特点,构造函数迭代法对该方程进行数值求解,展示了计算的收敛过程,得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律,并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明,函数迭代法收敛速度较快,计算过程稳定,对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

广义双重抗侧力结构体系的统一位移计算理论

在广义概念上将建筑结构视为由同时考虑弯曲变形、剪切变形的两种子结构组成的双重抗侧力结构体系, 提出弹性阶段广义双重结构水平位移的统一的计算方法. 子结构单独承受水平外载荷时其内力与变形的关系服从Timoshenko剪切梁基本理论, 在子结构协同工作的基础上, 采用水平变形连续化的计算方法, 建立了广义双重抗侧力结构体系的统一位移微分方程, 以结构承受均布载荷作用为例推导出两个子结构的弯曲变形、剪切变形及结构总水平位移的通用解析表达式. 对框架-剪力墙结构与广义双重结构的位移微分方程式、微分方程特解、水平位移解析解进行了全面对比分析, 证明了框架-剪力墙结构是隶属于广义双重结构体系的一种具体表现形式; 算例分析表明, 对于一般中高层双重抗侧力结构, 采用解析法计算所得的位移结果能够满足一般工程设计的精度要求.      

基于虚拟柱状等效模型的层状异性地层桩基沉降位移分析

根据层状异性软土地层桩基的力学特性，通过构建虚拟柱状等效模型，采用分层总合方法，推导了桩基轴向变形及桩底沉降位移的理论解，建立了适用于任意层状异性地层及荷载条件下桩基沉降位移的计算方法。研究层状异性地层中桩基沉降位移特性、界面突变现象及其随工程和地质因素的演变规律。结果表明，桩基承载时，桩体截面或桩底土体存在深度随荷载及工程地质参数变化的零轴力水平面，当零轴力面深度小于桩基长度时，桩基处于摩擦承载模式，桩基沉降位移等于截面上部桩体的变形量；反之，桩基处于摩擦与桩端共同承载模式，桩基沉降位移等于桩体变形与桩底沉降的叠加。现场试验结果验证了理论方法的正确性。所建立的层状模型和理论方法能方便地模拟近似水平分布的软土地层及其工程地质参数并可直接推广应用于任意层状异性地层的桩基承载设计计算。     

拟合地震波作用下综合管廊抗震有限元分析

以包头市城区综合管廊为研究对象,利用工程场地土的剪切波速等参数,合成基岩地震加速度作为输入地震动时程,并利用Midas GTS NX软件对其进行模拟,得到了土体位移响应、土体加速度响应、管廊加速度响应、管廊相对位移变化以及管廊最大剪应力,并进行了分析。结果表明:土体深度越小,土体加速度放大系数越大;综合管廊各点处加速度时程曲线与输入地震波时程曲线基本吻合;管廊最大剪应力出现在右侧顶板,证明了在地震作用下管廊受土体变形的影响发生了一定的扭曲破坏。因此,在设计、施工过程中应该对管廊的顶板进行重点设计与防护。