地震时浅埋地下管线上浮机理及减灾对策研究

论文摘要

地震时,浅埋地下管线的破坏主要是由于地基液化引起管线上浮所导致的,研究地震时地下管线上浮机理及减灾对策是岩土工程和生命线工程的重要课题。本文结合国家自然科学基金项目《地震时浅埋地下管线上浮机理及减灾对策研究》（50278009）和《饱和砂砾土的液化特性及变形、强度参数的相关性研究》（50578029）,围绕了饱和砂土地基中浅埋地下管线上浮机理及其影响因素、饱和土非线性有限元程序开发、饱和土有效应力分析方法、减轻地下管线震害的工程措施等进行了较为深入的研究。论文的主要研究内容如下:（1）通过类比的试验方法,精心设计了一系列的振动台模型试验,着重观察了饱和砂土地基的地震加速度反应、振动孔隙水压力的产生和消散过程,初步探讨了地震时地下管线上浮机理和几种不同排水（或加固）措施对抑制管线上浮的效果。（2）利用Windows开发平台,采用面向对象设计方法和Visual C++MFC开发工具开发了饱和土非线性有限元程序GEODYNA及其有限元后处理软件POST2D。GEODYNA引入了多核并行计算、命令式输入等一些先进技术,实现了大量的本构模型和单元类型。通过对饱和土的一维固结问题和动力问题进行数值模拟,验证了GEODYNA计算结果的可靠性。这些程序为进一步深入研究饱和地基中地下管线上浮机理和减灾措施奠定了数值分析基础。（3）在广义Biot固结方程的基础上,联合采用等效线性粘弹性模型和Seed建议的孔压模型,建立了饱和砂土地基的动力固结有效应力分析方法。据此,对振动台模型试验的部分工况进行了数值模拟,进一步研究了管线上浮机理,并对抗上浮措施的效果进行了评价。（4）基于总应力分析方法,联合采用等效线性粘弹性分析方法和液化流动变形分析方法,对地下管线的上浮反应进行分析,并讨论了管线直径、埋深、地下水位、地基土相对密度等因素对地下管线上浮位移的影响。（5） GEODYNA框架中实现了广义Biot固结原理和Pastor-Zienldewicz Mark-Ⅲ广义塑性模型为基础的有效应力分析方法,模拟了饱和砂土地基中地下管线的上浮过程及抗上浮措施的效果,进一步研究了U形碎石排水对液化土中地下管线上浮的减灾效果及机理,并讨论了排水措施竖向排水带宽度、竖向排水带与管线的距离、水平排水带厚度、排水碎石渗透系数等因素对管线上浮位移的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 工程背景及研究意义
• 1.2 地震时地下管线上浮研究现状
• 1.2.1 振动台模型试验
• 1.2.2 地震反应分析
• 1.3 土体动力反应分析方法
• 1.4 土体动力反应分析程序
• 1.5 本文的主要工作
• 2 地震时饱和砂土地基中管线上浮机理及抗震措施试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 测试设备
• 2.2.1 地震模拟系统
• 2.2.2 模型槽和传感器
• 2.3 试验工况设计
• 2.4 模型制作
• 2.5 模型材料
• 2.5.1 砂土
• 2.5.2 碎石材料和管线
• 2.6 输入地震动
• 2.7 试验结果分析
• 2.7.1 模型试验所观察到的一般现象
• 2.7.2 液化地基的加速度反应
• 2.7.3 管线的上浮反应
• 2.7.4 地基的超孔隙水压力
• 2.8 本章小结
• 3 面向对象的饱和土非线性有限元分析程序开发
• 3.1 引言
• 3.2 饱和土体有限元分析理论
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 有限元离散和求解
• 3.3 开发平台
• 3.4 编程语言和开发工具
• 3.5 面向对象的设计方法
• 3.5.1 面向对象的基本概念
• 3.6 面向对象的饱和土非线性有限元类设计
• 3.6.1 单元类—CElement
• 3.6.2 结点类—CNode
• 3.6.3 应力模型类—CStressModel
• 3.6.4 渗流模型类—CDiffusionModel
• 3.6.5 荷载类—CLoad
• 3.6.6 时间积分类—CTimeIntegration
• 3.6.7 方程组类—CEquationSystem
• 3.6.8 求解器类—CSolver
• 3.6.9 容器类—CContainer
• 3.6.10 矩阵类—CMatrix
• 3.6.11 向量类—CVector
• 3.6.12 有限元控制类—CDomain
• 3.7 多核并行
• 3.7.1 OpenMP执行模型
• 3.7.2 GEODYNA并行化处理
• 3.8 其它先进技术
• 3.8.1 存储方式和方程求解
• 3.8.2 后台计算
• 3.8.3 定时计算与关机
• 3.8.4 命令行式数据输入
• 3.9 程序功能
• 3.10 后处理程序
• 3.11 程序验证
• 3.11.1 饱和土固结问题
• 3.11.2 饱和土动力问题
• 3.12 本章小结
• 4 饱和砂土地基中地下管线的振动台试验数值模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 有效应力分析方法
• 4.2.1 广义Biot固结有限元方程
• 4.2.2 土的本构模型
• 4.2.3 孔压模型
• 4.2.4 有效应力方法的计算步骤
• 4.3 振动台模型试验数值模拟
• 4.3.1 有限元计算模型
• 4.3.2 输入地震动
• 4.3.3 计算参数
• 4.3.4 计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 基于液化后变形分析方法的地下管线上浮影响因素研究
• 5.1 引言
• 5.2 Yasuda双线性模型
• 5.3 液化安全率计算方法
• 5.4 地下管线上浮反应分析算例
• 5.4.1 有限元模型
• 5.4.2 计算参数
• 5.4.3 地震输入
• 5.4.4 结果分析
• 5.4.5 地下管线上浮影响因素研究
• 5.5 本章小结
• 6 液化土中管线上浮反应弹塑性有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 广义塑性理论
• 6.3 砂土广义塑性PZM-III模型
• 6.4 PZM-III模型在GEODYNA中的数值实现
• 6.5 地下管线算例
• 6.5.1 有限元模型
• 6.5.2 计算参数
• 6.5.3 地震输入和阻尼
• 6.5.4 时间积分参数
• 6.5.5 时间步长与收敛标准
• 6.5.6 地震反应分析
• 6.5.7 管线与砂土接触面参数敏感性分析
• 6.6 不同抗震措施的抗上浮效果研究
• 6.6.1 管线上浮位移
• 6.6.2 地基超孔隙水压力
• 6.7 U形排水措施参数分析
• 6.7.1 竖向排水带宽度
• 6.7.2 竖向排水带与管线的距离
• 6.7.3 水平排水带厚度
• 6.7.4 排水带渗透系数
• 6.8 本章小结
• 7 结论和展望
• 7.1 论文的主要结论
• 7.2 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及参与的课题情况
• 致谢