基于完全耦合理论的饱和土地基上结构动力响应研究

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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。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第13-31页
    1.1 研究背景第13-15页
    1.2 研究现状综述第15-28页
        1.2.1 饱和土动力分析方法第15-17页
        1.2.2 饱和土地基地震液化研究第17-24页
        1.2.3 地铁列车运行引起周围环境振动研究第24-28页
    1.3 研究内容和创新点第28-31页
        1.3.1主要研究内容第28-29页
        1.3.2 主要创新点第29-31页
第二章 饱和土完全耦合动力分析方法第31-69页
    2.1 引言第31页
    2.2 完全耦合动力分析理论第31-41页
        2.2.1 完全耦合动力分析基本方程第31-33页
        2.2.2 完全耦合动力方程空间离散第33-39页
        2.2.3 完全耦合动力方程时间离散第39-41页
    2.3 应力诱导各向异性弹塑性模型第41-53页
        2.3.1 模型的主要内容第41-48页
        2.3.2 模型的特点第48-53页
    2.4 水土耦合计算程序实现第53-58页
        2.4.1 程序主要功能与特点第53页
        2.4.2 程序组织结构第53-58页
    2.5 程序验证第58-68页
        2.5.1 解析解验证第58-61页
        2.5.2 离心模型实验证第61-68页
    2.6 本章小结第68-69页
第三章 饱和可液化地基上堤坝地震响应分析第69-105页
    3.1 引言第69-70页
    3.2 饱和可液化地基上堤坝有限元计算模型第70-75页
        3.2.1 工程背景第70页
        3.2.2 计算模型第70-71页
        3.2.3 材料参数第71-73页
        3.2.4 输入地震波第73-74页
        3.2.5 初始应力场计算第74-75页
    3.3 饱和可液化地基上堤坝地震响应分析第75-83页
        3.3.1 超孔压分析第75-77页
        3.3.2 变形响应分析第77-80页
        3.3.3 加速度响应分析第80-82页
        3.3.4 力学机理分析第82-83页
    3.4 饱和可液化地基上堤坝地震响应影响因素分析第83-97页
        3.4.1 库区水位的影响第83-88页
        3.4.2 防水措施的影响第88-93页
        3.4.3 坝后平台的影响第93-97页
    3.5 多次地震作用下饱和地基上堤坝动力响应分析第97-104页
        3.5.1 计算模型第97-98页
        3.5.2 输入地震波第98-99页
        3.5.3 计算结果分析第99-104页
    3.6 本章小结第104-105页
第四章 饱和可液化地基中地下结构地震响应分析第105-153页
    4.1 引言第105页
    4.2 饱和土中地下结构有限元分析模型第105-111页
        4.2.1 计算模型第105-107页
        4.2.2 材料参数第107-109页
        4.2.3 输入地震波第109页
        4.2.4 有限元计算步骤第109-111页
    4.3 饱和可液化地基中地下结构地震响应分析第111-122页
        4.3.1 饱和地基超孔压分析第111-113页
        4.3.2 加速度响应分析第113-115页
        4.3.3 土体与地下结构变形响应分析第115-117页
        4.3.4 地下结构内力分析第117-118页
        4.3.5 地基土体状态参数分析第118-120页
        4.3.6 地震响应机理分析第120-122页
    4.4 饱和土中地下结构地震响应的影响因素分析第122-148页
        4.4.1 可液化土层厚度的影响第122-126页
        4.4.2 可液化土层初始状态参数的影响第126-133页
        4.4.3 下卧土层模量的影响第133-137页
        4.4.4 输入地震加速度的影响第137-144页
        4.4.5 地下水位的影响第144-148页
    4.5 饱和地基中地下结构基底加固措施研究第148-152页
    4.6 本章小结第152-153页
第五章 饱和土中地铁运行引起环境振动响应研究第153-175页
    5.1 引言第153页
    5.2 地铁振动的有限元计算模型第153-158页
        5.2.1 工程背景第153-154页
        5.2.2 计算模型第154-155页
        5.2.3 材料参数第155-156页
        5.2.4 地铁振动荷载施加第156-158页
    5.3 地铁运行时饱和土与隧道结构动力响应第158-167页
        5.3.1 加速度响应分析第158-163页
        5.3.2 位移响应分析第163-166页
        5.3.3 饱和土超孔压分析第166-167页
    5.4 影响因素分析第167-173页
        5.4.1 隧道埋深的影响第167-170页
        5.4.2 列车速度的影响第170-173页
    5.5 本章小结第173-175页
第六章 总结与展望第175-178页
    6.1 主要研究结论第175-176页
    6.2 研究展望第176-178页
参考文献第178-186页
致谢第186-187页
攻读博士学位期间已发表论文第187页
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