基于完全耦合理论的饱和土地基上结构动力响应研究

论文摘要

在岩土工程动力问题研究·中，饱和地基地震液化问题仍是当前一个重要的研究课题，也是研究的难点。由于影响地基液化因素很多，人们对地震液化的认识还远远不够，特别是当和不同的结构的结合，使问题变得更加复杂化。另外，随着城市地铁和高速铁路的发展，高频移动荷载引起环境振动问题日益突出。目前关于环境振动问题研究中，大多将土体视为单相介质，没有考虑土体中孔隙水对波的传播的影响。本文基于Biot动力固结理论，开发了一个新的水土耦合动力有限元计算程序，并以此程序为平台，研究饱和可液化地基上堤坝为代表的地面结构和地铁车站为代表的地下结构的地震响应，同时对饱和土中地铁运行引起环境振动问题进行探讨。全文的主要研究内容如下：1.基于Biot动力固结理论，对固相和液相分别采用有限元法和有限差分法进行离散，推导了两相体耦合动力有限元方程，开发了水土耦合动力有限元计算程序，并在程序中成功加入了应力诱导各向异性弹塑性模型。通过算例分析，并与解析解和实验结果比较，验证了程序的正确性和可靠性。在有限元前处理方面，开发了与通用软件Hypermesh对接的接口程序，可以将Hypermesh的模型直接转换为计算程序的输入文件。2.采用完全耦合动力有限元方法研究了饱和可液化地基上堤坝地震响应。详细分析了地震作用下饱和地基和堤坝体系的超孔压，变形和加速度响应，揭示了其地震响应力学机理；讨论了库区水位变化、防水措施和坝后压重平台对堤坝地震响应的影响规律，并对多次地震作用下可液化地基上堤坝的动力特性进行了探讨，得到了震动历史对堤坝地震响应影响规律。3.采用完全耦合动力有限元方法研究了饱和可液化地基中地铁车站地震响应。详细分析了地震作用下饱和土超孔压、地基土体与结构的变形以及地下结构的内力响应，揭示了地震液化引起地下结构上抬的机理，讨论了可液化土层厚度、可液化土体初始状态参数、下卧土层模量、地震加速度、地下水位及基底加固措施对地下结构地震响应的影响。研究结果可为地下结构的抗震设计提供理论参考。4.采用水土耦合分析方法研究了饱和土中地铁运行引起周围环境振动响应。首先根据轨道动力学原理，得到了作用在道床上的地铁振动荷载；然后通过对振动荷载作用下土体加速度、位移和超孔隙水压力响应的分析，得到了饱和土中地铁振动对周围环境影响规律；最后讨论了隧道结构埋深和列车运行速度对环境振动的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状综述
• 1.2.1 饱和土动力分析方法
• 1.2.2 饱和土地基地震液化研究
• 1.2.3 地铁列车运行引起周围环境振动研究
• 1.3 研究内容和创新点
• 1.3.1主要研究内容
• 1.3.2 主要创新点
• 第二章 饱和土完全耦合动力分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 完全耦合动力分析理论
• 2.2.1 完全耦合动力分析基本方程
• 2.2.2 完全耦合动力方程空间离散
• 2.2.3 完全耦合动力方程时间离散
• 2.3 应力诱导各向异性弹塑性模型
• 2.3.1 模型的主要内容
• 2.3.2 模型的特点
• 2.4 水土耦合计算程序实现
• 2.4.1 程序主要功能与特点
• 2.4.2 程序组织结构
• 2.5 程序验证
• 2.5.1 解析解验证
• 2.5.2 离心模型实验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 饱和可液化地基上堤坝地震响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 饱和可液化地基上堤坝有限元计算模型
• 3.2.1 工程背景
• 3.2.2 计算模型
• 3.2.3 材料参数
• 3.2.4 输入地震波
• 3.2.5 初始应力场计算
• 3.3 饱和可液化地基上堤坝地震响应分析
• 3.3.1 超孔压分析
• 3.3.2 变形响应分析
• 3.3.3 加速度响应分析
• 3.3.4 力学机理分析
• 3.4 饱和可液化地基上堤坝地震响应影响因素分析
• 3.4.1 库区水位的影响
• 3.4.2 防水措施的影响
• 3.4.3 坝后平台的影响
• 3.5 多次地震作用下饱和地基上堤坝动力响应分析
• 3.5.1 计算模型
• 3.5.2 输入地震波
• 3.5.3 计算结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 饱和可液化地基中地下结构地震响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 饱和土中地下结构有限元分析模型
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 材料参数
• 4.2.3 输入地震波
• 4.2.4 有限元计算步骤
• 4.3 饱和可液化地基中地下结构地震响应分析
• 4.3.1 饱和地基超孔压分析
• 4.3.2 加速度响应分析
• 4.3.3 土体与地下结构变形响应分析
• 4.3.4 地下结构内力分析
• 4.3.5 地基土体状态参数分析
• 4.3.6 地震响应机理分析
• 4.4 饱和土中地下结构地震响应的影响因素分析
• 4.4.1 可液化土层厚度的影响
• 4.4.2 可液化土层初始状态参数的影响
• 4.4.3 下卧土层模量的影响
• 4.4.4 输入地震加速度的影响
• 4.4.5 地下水位的影响
• 4.5 饱和地基中地下结构基底加固措施研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 饱和土中地铁运行引起环境振动响应研究
• 5.1 引言
• 5.2 地铁振动的有限元计算模型
• 5.2.1 工程背景
• 5.2.2 计算模型
• 5.2.3 材料参数
• 5.2.4 地铁振动荷载施加
• 5.3 地铁运行时饱和土与隧道结构动力响应
• 5.3.1 加速度响应分析
• 5.3.2 位移响应分析
• 5.3.3 饱和土超孔压分析
• 5.4 影响因素分析
• 5.4.1 隧道埋深的影响
• 5.4.2 列车速度的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表论文