地基地震液化問題的無網(wǎng)格相關方法研究.pdf

1、砂土液化現(xiàn)象作為地震災害的一種主要形式，常常會引起建筑物基礎的不均勻沉降及土工構造物的破壞，給人類帶來巨大的災難。液化引起的大變形是強震中飽和砂土地基破壞的主要形式，定量地預測實際邊值問題中液化引起的變形具有重要的工程價值。近年來，有限元方法已經(jīng)廣泛地應用于巖土工程問題，但是有限元方法的模擬結果依賴于網(wǎng)格質量，并且往往由于液化過程空間分布的不均勻性而引起局部單元嚴重扭曲，使得有限元計算無法正常運行。無網(wǎng)格法是通過一組離散的點來構造逼近函

2、數(shù)，不需要節(jié)點間的連接信息，因而能夠克服因網(wǎng)格扭曲而造成的計算中斷，適合于易發(fā)生大變形的液化問題的數(shù)值模擬，本文的研究內容主要圍繞無網(wǎng)格法在液化分析方面的應用，共分為三個方面：
　　 1.將無網(wǎng)格法應用于液化問題的數(shù)值模擬，通過算例驗證了無網(wǎng)格法能夠克服有限元方法在液化模擬中由于大變形造成網(wǎng)格扭曲而引起的計算中斷。同時，作為一種數(shù)值近似計算方法，無網(wǎng)格法的計算誤差是不可避免的，因此引入自適應方法。本研究的自適應方法采用TB應力平

3、滑技術和Z-Z誤差估計，利用平滑應力和無網(wǎng)格法所得應力解差值的能量范數(shù)來估算誤差，如果局部相對誤差超過了允許誤差，則在高誤差域插入新的離散點進行加密。材料參數(shù)由加密點直接傳遞給新增節(jié)點，應力、應變等變量以插值的方式傳遞，下一步計算以新的節(jié)點布局為基礎。通過對一上表面承受均布荷載作用的飽和土塊進行數(shù)值模擬，驗證了自適應程序能夠有效的改善計算精度。選取了建筑在飽和砂土地基上的填筑壩作為算例進行地震反應分析，該算例也可采用有限元方法完成，以此

4、來驗證無網(wǎng)格法應用的有效性。通過將采用自適應方法分析的結果與疏松和精細節(jié)點布置方案的無網(wǎng)格法分析結果對比，既驗證了自適應過程的有效性，又獲得了填筑壩的地震響應規(guī)律。
　　 2.無網(wǎng)格法在大變形模擬方面存在著諸多的優(yōu)勢，但也有計算時間長的缺點。將有限元與無網(wǎng)格法耦合起來，則可以很好地將這兩種離散方法的優(yōu)點組合在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。即根據(jù)經(jīng)驗在容易發(fā)生網(wǎng)格扭曲的部位使用無網(wǎng)格法離散，不易發(fā)生扭曲的區(qū)域使用有限元法離散。在交界區(qū)

5、域引入過渡單元，按照Belytschko等人的方法構造過渡單元的位移和孔隙水壓力近似函數(shù)，把兩種方法耦合到一起。通過對可液化邊坡模型的數(shù)值模擬，驗證了該方法比單純的無網(wǎng)格方法節(jié)約計算時間，并能夠達到合理的精度。并采用該方法對邊坡模型進行了參數(shù)分析。
　　 3.分析可液化砂土地基上結構的動力響應，需要考慮土一結構相互作用。有限元方法在相互作用分析方面已經(jīng)很成熟，但涉及到無網(wǎng)格法的相互作用分析還很少見。通過編制程序，將易液化產(chǎn)生大變