饱和地基离心机振动台试验数值模拟研究

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我国西南地区水能资源蕴藏量丰富,修建高坝大库,高效利用水能资源,已经成为促进我国国民经济绿色低碳和可持续发展的重要举措。然而我国西南地区地震频发,具有“震源浅、震级大、破坏性强”的特点。且地形起伏较大,坝址区存在的深厚覆盖层现象愈发普遍,由地震引发的饱和砂土地基液化问题将会给今后西南地区的一批高坝建设带来严重的安全隐患,危及人民群众的生命财产安全。在岩土工程界,作为研究地基抗震液化问题的先进手段,离心机振动台试验虽然能等效还原原型应力场,但仍然是基于特定相似准则下的缩尺试验,存在一定误差。开展离心机数值模拟,并与离心试验数据对比,可以验证理论模型和求解方法的可靠性,从而可以应用于相关实际工程问题的研究中。然而受限于数值模拟分析软件的计算效率不高以及本构模型自身局限性等原因,当前数值模拟与试验结果仍然存在一定的偏差。在上述背景下,本文结合国家自然科学基金重点项目(U1965206)、国家自然科学基金青年基金项目(52109151)以及中央高校基本科研业务费资助项目(DUT21TD106),以我国西南地区某在建水电站为研究背景,基于u-p形式Biot固结理论,地基土体采用改进的广义塑性本构模型,对可液化自由场地基和闸坝基础开展的超重力离心机振动台模型试验进行了相应的弹塑性有效应力模拟分析,概述如下:(1)针对可液化自由场地基,建立了可以模拟真实剪切边界的二维叠环式剪切箱模型,并通过网格密度敏感性分析,探究了不同区域网格密度对数值模拟精度的影响,研究表明仅靠近剪切箱边界处的网格密度对孔压模拟结果影响较大。(2)在网格密度敏感性分析的基础上,选出能同时满足数值求解精度和效率的模型,对自由场饱和砂土地基试验进行有限元动力模拟分析,量化分析了关键测点的加速度和孔压的模拟效果,验证了上述理论方法以及有限元程序在模拟自由场地基砂土液化特性问题上的适用性。(3)对闸坝基础离心机振动台试验,在自由场模型的基础上,分别建立了一种二维有限元模型和一种可以反映真实剪切边界的三维叠环式剪切箱模型,开展了静、动力数值模拟分析。不同指标的量化对比结果表明,三维模型能有效降低坝-基两侧交界处的应力集中程度,所模拟出的加速度和孔压响应规律比二维更接近实测结果。(4)三维数值模拟出的加速度时程与试验结果基本吻合,同时,也能够很好地再现闸坝荷载作用下地基土体的孔压增长、积累和消散(趋势)过程。验证了上述理论方法在分析“坝-基”复杂应力场下地基液化问题中的可靠性,能够为相关离心机数值模拟和工程问题研究提供参考和借鉴。
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