海底隧道與海床動(dòng)力相互作用及其失穩(wěn)機(jī)理研究

本項(xiàng)目針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物與海床的非線性動(dòng)力相互作用問題開展了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算工作。主要的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下： 1. 復(fù)雜應(yīng)力路徑下海洋土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究 對(duì)“豎向-扭轉(zhuǎn)雙向耦合空心圓柱扭剪儀”進(jìn)行了開發(fā)與完善，并針對(duì)密實(shí)度為60%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂開展了室內(nèi)土工試驗(yàn)研究，探討了不同固結(jié)條件和不同應(yīng)力釋放條件下(排水和不排水)土體的液化特性，總結(jié)了動(dòng)荷載作用下海洋土層中孔隙水壓力的增長(zhǎng)模式以及偏壓固結(jié)狀態(tài)下土體的變形特性和孔隙水壓力特性。所得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合獲得孔壓應(yīng)力模式的數(shù)學(xué)模型，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好，而且用于數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀。根據(jù)一系列的土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的歸納與分析，確定動(dòng)力彈塑性本構(gòu)模型PZ-III中的模型參數(shù)，并針對(duì)砂質(zhì)海床的模型參數(shù)給出合理的建議值和適用范圍。 2. 海洋結(jié)構(gòu)物-海床非線性動(dòng)力相互作用體系的數(shù)值計(jì)算模型和方法 以飽和土動(dòng)力固結(jié)分析程序DIANA-SWANDYNE III為平臺(tái)，利用針對(duì)海床-結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力相互作用問題開發(fā)的有限元計(jì)算子程序，建立了海洋結(jié)構(gòu)物-海床相互作用體系的有限元模型，并通過對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物和海床進(jìn)行的三維數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了海床中累積超孔隙水壓力的空間分布與時(shí)程變化規(guī)律，探討了土性參數(shù)和結(jié)構(gòu)物幾何特性對(duì)動(dòng)力荷載所引起的結(jié)構(gòu)物周圍海床中累積超孔隙水壓力分布的影響。計(jì)算中采用三維動(dòng)力非線性本構(gòu)模型Pastor-Zienkiewicz III廣義塑性本構(gòu)模型，并與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和彈性數(shù)值模型進(jìn)行了比較，考查了波浪參數(shù)、海床土參數(shù)以及結(jié)構(gòu)物外形尺寸對(duì)波浪引起的超孔隙水壓力的影響。 3. 考慮復(fù)雜影響條件的海洋結(jié)構(gòu)物-海床動(dòng)力相互作用體系的破壞機(jī)理和失效模式 以飽和孔隙介質(zhì)的Biot動(dòng)力固結(jié)理論為基礎(chǔ)，以飽和土動(dòng)力固結(jié)分析程序DIANA-SWANDYNE III為平臺(tái)建立了海床-海洋結(jié)構(gòu)物相互作用的計(jì)算模型，考察了了在地震荷載和波浪荷載的聯(lián)合作用以及波流荷載共同作用下海底結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)物周圍土體的孔隙水壓力的變化，并討論了荷載作用對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)的影響，揭示了海床-結(jié)構(gòu)物體系動(dòng)力失穩(wěn)破壞的機(jī)理和規(guī)律。 2100433B

本課題擬以先進(jìn)的土工試驗(yàn)、理論分析與非線性數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法，基于u-p格式的廣義Biot動(dòng)力固結(jié)理論、彈塑性動(dòng)力學(xué)理論以及摩擦接觸理論，建立地震、波浪荷載耦合作用下海底隧道-海床土動(dòng)力相互作用的有限元計(jì)算模型和分析方法，綜合考慮海床土多相孔隙介質(zhì)性、土體與結(jié)構(gòu)接觸非線性以及無限域能量輻射效應(yīng)等多種復(fù)雜因素，探討處于地震、波浪荷載耦合作用下的實(shí)際海洋土體和海底隧道結(jié)構(gòu)物相互作用體系的非線性動(dòng)力響應(yīng)特性。在總結(jié)大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律的基礎(chǔ)上獲取海洋土樣的物理力學(xué)指標(biāo)與相關(guān)本構(gòu)模型參數(shù)，研究復(fù)雜的海洋環(huán)境下飽和海床土體的動(dòng)力強(qiáng)度和動(dòng)力變形特性以及海底隧道的動(dòng)力變形模式，揭示海底隧道-海床動(dòng)力相互作用系統(tǒng)的破壞機(jī)理和失效模式，從而為我國(guó)近海重大交通工程的抗震減災(zāi)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及海洋資源開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，也為完善海洋平臺(tái)建筑物的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

應(yīng)用理論分析和大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的方法，研究了海床—基礎(chǔ)—海水—橋梁結(jié)構(gòu)互饋體系在地震和海浪聯(lián)合作用下的動(dòng)力學(xué)建模及動(dòng)力反應(yīng)分析與計(jì)算方法，重點(diǎn)建立了重大跨海橋梁工程結(jié)構(gòu)與海洋沉積層相互作用體系動(dòng)力反應(yīng)預(yù)測(cè)理論。并用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)校核和修正理論模型與分析方法。研究結(jié)果將對(duì)我國(guó)正在規(guī)劃中的跨海大橋建設(shè)提供直接的技術(shù)支持。 2100433B

序

上篇 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的理論基礎(chǔ)

第一章 緒論

1.1 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的研究對(duì)象和內(nèi)容

1.2 相互作用對(duì)土與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

1.3 無限域和人工邊界問題

1.4 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的分析方法

1.5 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究的發(fā)展

1.6 本書的主要內(nèi)容

參考文獻(xiàn)

第二章 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的基本理論

2.1 巖土介質(zhì)的動(dòng)力性質(zhì)及其力學(xué)模型

2.2 巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程

2.3 動(dòng)力學(xué)方程的位移勢(shì)函數(shù)分解

2.4 輻射條件和正規(guī)性條件

參考文獻(xiàn)

第三章 土與結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析方法

3.1 動(dòng)力學(xué)分析的解析方法

3.2 動(dòng)力學(xué)分析的半解析方法

3.3 動(dòng)力學(xué)分析的有限元方法

3.4 非線性動(dòng)力問題的增量分析法

3.5 巖土介質(zhì)一結(jié)構(gòu)的耦合分析

參考文獻(xiàn)

第四章 自由場(chǎng)的波動(dòng)

4.1 波動(dòng)微分方程

4.2 自由場(chǎng)波動(dòng)問題的解答及其物理意義

4.3 運(yùn)動(dòng)荷載下的自由場(chǎng)的反應(yīng)

4.4 孔室對(duì)波的散射及動(dòng)應(yīng)力集中問題

4.5 不規(guī)則地面對(duì)波的散射

4.6 動(dòng)力源作用下正交各向異性層狀半平面的響應(yīng)

參考文獻(xiàn)

下篇 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問題的解析分析

第五章 移動(dòng)荷載下土體與結(jié)構(gòu)的相互作用分析

5.1 爆炸行波下土體一地下室一管道體系的動(dòng)力分析

5.2 橫觀各向同性地基上無限板的動(dòng)力反應(yīng)頻域求解

5.3 地下軌道交通系統(tǒng)的動(dòng)力分析與抗振問題

參考文獻(xiàn)

第六章 土體與基礎(chǔ)的動(dòng)力相互作用分析

6.1 剛性基礎(chǔ)對(duì)SH地震沖擊波的動(dòng)力反應(yīng)

6.2 樁基一平臺(tái)一地基一水流系統(tǒng)的動(dòng)力反應(yīng)分析

6.3 海洋平臺(tái)一群樁(柱)一地基系統(tǒng)的動(dòng)力反應(yīng)分析

參考文獻(xiàn)

第七章 地下結(jié)構(gòu)與圍巖介質(zhì)動(dòng)力相互作用分析

7.1 系統(tǒng)基本方程

7.2 輸入波在柱面上和球面上的展開

7.3 圓柱結(jié)構(gòu)與圍巖介質(zhì)相互作用的平面問題解答

7.4 相鄰多個(gè)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用分析的復(fù)變函數(shù)方法

7.5 映射函數(shù)的應(yīng)用

7.6 結(jié)構(gòu)與圍巖介質(zhì)相互作用的空間問題解答

參考文獻(xiàn)

第八章 地基與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震響應(yīng)的分叉與突變性

8.1 地基一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震響應(yīng)的分叉與突變性

8.2 地基與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震響應(yīng)的共振突變性分析

8.3 地基一滑動(dòng)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的突變性分析

8.4 地基上多自由度非線性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的共振突變性分析

參考文獻(xiàn)

第九章 土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的有限元解析及穩(wěn)定性問題

9.1 有限元模擬的人工邊界條件

9.2 離散網(wǎng)格中波動(dòng)的頻散性及穩(wěn)定性問題

9.3 頻散性和穩(wěn)定性的改進(jìn)

參考文獻(xiàn)

附錄