浅论（准）饱和土与地下结构非线性动力相互作用问题研究

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1、北京工业大学博士学位论文（准）饱和土与地下结构非线性动力相互作用问题研究姓名：李立云申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：杜修力20070410摘要随着社会经济的迅猛发展，城市化程度不断提高，城市人口急剧增加，城市住房与交通的压力不断增大，使得城市用地紧张的矛盾愈来愈突出。高效、合理地利用地下空间资源是解决城市地域规模与土地资源矛盾以及建筑空间拥挤、交通堵塞、环境污染严重、城市综合防灾能力薄弱等“城市综合症”的重要途径，地下结构在城市建设中的应用和发展越来越普遍。因此，对土与结构动力相互作用的研究愈来愈重要。纵观已有的土与结构动力相互作用的研究成果，大多以经典弹性动

2、力学为理论依据，将天然土体简化为理想的各向同性单相介质进行分析。考虑到土与结构动力相互作用问题本身的复杂性，以及土体性质的多样性，针对于(准)饱和土与结构动力相互作用问题，下述方面需要加以考虑：(1)土体和结构的非线性动力本构关系模型的研究；(2)基于多相介质理论的(准)饱和土与结构的动力相互作用问题的研究，包括数值理论分析中人工边界的处理问题及(准)饱和土体与结构的接触边界问题；(3)土壤的液化问题(包括复杂应力状态下的土壤液化判别和液化后土体的大变形对结构响应的影响)；(4)采用模型试验手段进一步揭示结构与(准)饱和土体的动力相互作用机理。针对上述问题，本文主要开展

3、了以下方面的工作：1．土体动力本构关系模型方面。(1)基于次加载面模型理论，推导了一种土体的动力弹塑性本构关系模型；(2)假设土体介质损伤前后均为各向同性材料，其损伤细观上表现为孔隙率的发展变化，基于Mori．Tanaka方法，推导了以体应变和孔隙水压力为自变量的两种土体损伤演化模型。2．基于饱和多孔介质理论的土力学模型，考虑重力作用、孔隙率的变化及土骨架非线性性质的影响，推导建立了基于增量形式的流体饱和多孔介质波动分析的显式有限元法；编制了相应的流体饱和多孔介质非线性动力显式有限元计算程序。3．对有限模型数值方法求解能量开放系统中的人工边界处理方式进行了研究，在考虑多

4、孔介质中固相和液相的相互作用的情况下，通过在人工边界处分别施加反映固相和液相介质波传播效应的弹簧及阻尼来模拟饱和多孔介质中波的能量辐射效应影响，提出了饱和多孔介质近场波动分析中的一种黏弹性人工边界。4．以内源问题为例，探讨了非线性土骨架对饱和土体动力响应的影响。5．基于提出的黏弹性人工边界条件，建立了饱和多孔介质外源近场波动闯北京工业大学工学博士学位论文题的数值分析方法，以河谷地形为例分析了局部地形对多孔介质中弹性波传播的影响。6．探讨了饱和土体与结构的动力接触边界条件，依据接触处力的平衡条件及位移连续或滑移条件，推导了相应的数值计算公式；对地震作用下饱和土一地下结构体

5、系的动力响应进行了有限元数值分析。7．开展了可液化土层中地铁地下结构的大型振动台试验，得出了一些有价值的结论。、8．基于饱和粉土的振动三轴试验，分析了循环荷载作用下饱和粉土液化的机理及影响因素，提出了一种孔隙水压力增长的经验公式，并通过小型振动台试验进行了验证；采用此孔隙水压力增长模型，基于有效应力分析方法，进行了工程场地地震液化的有限元分析。9．基于两相介质理论，建议了一种土壤液化的判别条件，并进行了算例分析。关键词：饱和土一地下结构动力相互作用；土体动力本构关系模型；显式有限元法：黏弹性人工边界；振动台模型试验；土壤液化ⅡABSTRACTUnderdynamiclo

6、ading。soilbodyandstructureworkasanintegrality,interactingactivityofdeformationandmotionmakesoil-structuredynamicinteractionmustbeconsidered．Withswiftdevelopmentofsocialeconomy,urbanizationlevelandthepopulationofcityaregrowingrapidly．Thesewillcausetheincreasingofcitypressurefromhousingand

7、tra伍c，andLaketheconflictofdtylandmoreandmoreobvious．Efficientandlogicalusingoftheundergroundspaceresourceisanimportantapproachtosolvesocalled‘‘citysyndrome’’whichincludeconflictbetweencityterrenescaleandlandresource；congestionofarchi_tecturalspace；tra伍cjamming；seriousenvi