海底隧道与海床动力相互作用及其失稳机理研究

本项目针对海洋结构物与海床的非线性动力相互作用问题开展了较为系统的试验研究与数值计算工作。主要的研究内容和研究成果如下： 1. 复杂应力路径下海洋土力学特性的试验研究 对“竖向-扭转双向耦合空心圆柱扭剪仪”进行了开发与完善，并针对密实度为60%的福建标准砂开展了室内土工试验研究，探讨了不同固结条件和不同应力释放条件下(排水和不排水)土体的液化特性，总结了动荷载作用下海洋土层中孔隙水压力的增长模式以及偏压固结状态下土体的变形特性和孔隙水压力特性。所得的试验结果进行非线性拟合获得孔压应力模式的数学模型，与试验数据拟合良好，而且用于数值计算简单、直观。根据一系列的土工试验结果进行系统的归纳与分析，确定动力弹塑性本构模型PZ-III中的模型参数，并针对砂质海床的模型参数给出合理的建议值和适用范围。 2. 海洋结构物-海床非线性动力相互作用体系的数值计算模型和方法 以饱和土动力固结分析程序DIANA-SWANDYNE III为平台，利用针对海床-结构体系动力相互作用问题开发的有限元计算子程序，建立了海洋结构物-海床相互作用体系的有限元模型，并通过对海洋结构物和海床进行的三维数值模拟，预测了海床中累积超孔隙水压力的空间分布与时程变化规律，探讨了土性参数和结构物几何特性对动力荷载所引起的结构物周围海床中累积超孔隙水压力分布的影响。计算中采用三维动力非线性本构模型Pastor-Zienkiewicz III广义塑性本构模型，并与已有的试验数据和弹性数值模型进行了比较，考查了波浪参数、海床土参数以及结构物外形尺寸对波浪引起的超孔隙水压力的影响。 3. 考虑复杂影响条件的海洋结构物-海床动力相互作用体系的破坏机理和失效模式 以饱和孔隙介质的Biot动力固结理论为基础，以饱和土动力固结分析程序DIANA-SWANDYNE III为平台建立了海床-海洋结构物相互作用的计算模型，考察了了在地震荷载和波浪荷载的联合作用以及波流荷载共同作用下海底结构物的动力响应以及结构物周围土体的孔隙水压力的变化，并讨论了荷载作用对海洋结构物动力响应的影响，揭示了海床-结构物体系动力失稳破坏的机理和规律。 2100433B

本课题拟以先进的土工试验、理论分析与非线性数值计算相结合的研究方法，基于u-p格式的广义Biot动力固结理论、弹塑性动力学理论以及摩擦接触理论，建立地震、波浪荷载耦合作用下海底隧道-海床土动力相互作用的有限元计算模型和分析方法，综合考虑海床土多相孔隙介质性、土体与结构接触非线性以及无限域能量辐射效应等多种复杂因素，探讨处于地震、波浪荷载耦合作用下的实际海洋土体和海底隧道结构物相互作用体系的非线性动力响应特性。在总结大量的实验现象和规律的基础上获取海洋土样的物理力学指标与相关本构模型参数，研究复杂的海洋环境下饱和海床土体的动力强度和动力变形特性以及海底隧道的动力变形模式，揭示海底隧道-海床动力相互作用系统的破坏机理和失效模式，从而为我国近海重大交通工程的抗震减灾关键科学技术发展以及海洋资源开发提供理论依据和技术支持，也为完善海洋平台建筑物的设计和施工提供参考依据。

应用理论分析和大型振动台模型试验的方法，研究了海床—基础—海水—桥梁结构互馈体系在地震和海浪联合作用下的动力学建模及动力反应分析与计算方法，重点建立了重大跨海桥梁工程结构与海洋沉积层相互作用体系动力反应预测理论。并用振动台模型试验校核和修正理论模型与分析方法。研究结果将对我国正在规划中的跨海大桥建设提供直接的技术支持。 2100433B

序

上篇 土与结构动力相互作用的理论基础

第一章 绪论

1.1 土与结构动力相互作用的研究对象和内容

1.2 相互作用对土与结构系统动力特性的影响

1.3 无限域和人工边界问题

1.4 土与结构动力相互作用的分析方法

1.5 土与结构动力相互作用研究的发展

1.6 本书的主要内容

参考文献

第二章 土与结构动力相互作用的基本理论

2.1 岩土介质的动力性质及其力学模型

2.2 岩土介质和结构的动力学方程

2.3 动力学方程的位移势函数分解

2.4 辐射条件和正规性条件

参考文献

第三章 土与结构相互作用系统的动力学分析方法

3.1 动力学分析的解析方法

3.2 动力学分析的半解析方法

3.3 动力学分析的有限元方法

3.4 非线性动力问题的增量分析法

3.5 岩土介质一结构的耦合分析

参考文献

第四章 自由场的波动

4.1 波动微分方程

4.2 自由场波动问题的解答及其物理意义

4.3 运动荷载下的自由场的反应

4.4 孔室对波的散射及动应力集中问题

4.5 不规则地面对波的散射

4.6 动力源作用下正交各向异性层状半平面的响应

参考文献

下篇 土与结构动力相互作用问题的解析分析

第五章 移动荷载下土体与结构的相互作用分析

5.1 爆炸行波下土体一地下室一管道体系的动力分析

5.2 横观各向同性地基上无限板的动力反应频域求解

5.3 地下轨道交通系统的动力分析与抗振问题

参考文献

第六章 土体与基础的动力相互作用分析

6.1 刚性基础对SH地震冲击波的动力反应

6.2 桩基一平台一地基一水流系统的动力反应分析

6.3 海洋平台一群桩(柱)一地基系统的动力反应分析

参考文献

第七章 地下结构与围岩介质动力相互作用分析

7.1 系统基本方程

7.2 输入波在柱面上和球面上的展开

7.3 圆柱结构与围岩介质相互作用的平面问题解答

7.4 相邻多个结构与围岩相互作用分析的复变函数方法

7.5 映射函数的应用

7.6 结构与围岩介质相互作用的空间问题解答

参考文献

第八章 地基与结构系统地震响应的分叉与突变性

8.1 地基一结构系统地震响应的分叉与突变性

8.2 地基与结构系统地震响应的共振突变性分析

8.3 地基一滑动隔震结构地震响应的突变性分析

8.4 地基上多自由度非线性结构地震响应的共振突变性分析

参考文献

第九章 土与结构动力相互作用的有限元解析及稳定性问题

9.1 有限元模拟的人工边界条件

9.2 离散网格中波动的频散性及稳定性问题

9.3 频散性和稳定性的改进

参考文献

附录