形状传感技术结合了应变-形状算法，使测点的应变与空间位置对应。该技术能真实地反映待测物的空间姿态与形状变化，可实现动态实时监测。该文提出了一种基于i Beam3单元的逆有限元法来实现管道变形状况的实时监测。建立了基于iBeam3单元的逆有限元法的理论框架模型；试验验证了其合理性；设计了冻土区管道变形试验，结合应变传感器所测表面应变信息建立逆有限元分析模型；实现了在整个冻融循环过程中对管道形状的重建。试验结果表明：该方法不仅能实时监测管道随土体冻融循环的完整变形过程，而且可以保证精度。在解决寒区管道结构健康监测问题上潜力巨大。
针对高原寒区多年冻土环境中的地下工程防护问题,在考虑冻土特性和环境对冻土性能的影响基础上,对多年冻土的抗侵彻性能进行了数值模拟研究。依据冻土分布和力学基本性能,考虑温度梯度对冻土抗剪指标的影响,采用LS-DYNA有限元法建立了高原寒区多年冻土层的抗侵彻计算模型。弹体和靶板分别采用J-C和D-P模型,并加入失效准则使模型更加贴近侵彻实际。通过数值模拟并对比理论计算和经验公式,认为冻土温度的连续性变化对冻土抗侵彻性能的影响较为显著,与前期理论计算结果较吻合,可为高原寒区地下工程建设的防护计算提供理论依据。
针对青藏高原多年冻土区路基在地震作用下出现大量破坏这一实际问题,以G214公路工程地质条件为基础,以西宁台站、大武台站、都兰台站等实测地震加速度数据作为边界条件,建立有限元模型,计算地震荷载下多年冻土区路基动力学响应。计算了-0.2℃、-0.5℃、-0.8℃年平均地温工况下路基动力响应,并以此为基础研究温度对路基动力响应影响;以1、4、7、10月温度场计算结果为依托,计算了不同季节工况对路基动力响应影响;以5、10、15m高填路基为样本,通过动力分析,确定填方高度对路基动力响应影响;同时考虑阴阳坡效应对路基稳定性影响,对比分析阴阳坡侧动力响应差异,并对比分析各因素对路基动力稳定性影响权重,确定其中主要因素。研究结果表明:地震荷载作用下,填土高度对路基稳定性的影响大于季节及温度的影响;受路基阴阳坡效应的影响,阳坡侧路基位移峰值大于阴坡侧,路肩处阳坡侧水平位移峰值比阴坡侧高42.9%,阳坡侧坡脚水平位移比阴坡侧高42.8%;10月份为路基体受力及变形最不利季节,冻土地温越高,路基顶面及坡脚点位移幅值越大,且地温对坡脚点位移的影响大于路基中心点;在地震作用下,有明显阴阳坡效应的多年冻土路基坡...
为研究土的不同状态对桩基础桥梁地震反应的影响,以青藏线某跨度32m的高桩承台简支梁桥为工程背景进行分析。根据桩基础桥梁的振动特点,建立非线性有限元动力模型,分别分析冻土和非冻土2种不同状态下结构的地震响应。结果表明,冻土状态下承台加速度反应及振动频率较大,非冻土状态下承台的水平位移、桩尖压入变形及震后残余缝隙较大;非冻土状态下桩的水平位移较大,冻土状态下桩的剪力及弯矩最大值较大;冻土模型桩顶部内力较大,内力较大值的分布区域相对较小;非冻土模型桩底部内力较大;承台底部力~位移滞回曲线在冻土状态下呈滑移接触的特点,非冻土状态下呈饱满的纺锤状。
由于高速铁路对变形的高要求,在季节性冻土区修筑高速铁路,路基的防冻胀问题尤为关键。通过借鉴、分析国内外各行业对地基、路基填料的冻胀敏感性分类,以及国内外公路、铁路等行业对防冻层设置的具体技术要求和工程措施,结合哈大客运专线工程具体要求,讨论适应我国季节性冻土地区高速铁路路基填料的冻胀分类的技术指标。通过现场监测数据对比分析冻胀量沿路基冻深的分布状况,发现高速铁路路基冻胀变形量的70%出现在路基基床底层上部,以此来评价防冻层设置厚度。并应用有限元法进行数值计算,结果表明,使用改性A,B组填料的路基最大冻结深度要较使用普通A,B组填料的路基小20～30 cm,同时回暖速度也快于普通路基,说明使用改性填料的路基具有良好的保温效果和升温速率。
根据冻土与混凝土圆柱间冻结强度试验,得出冻土温度对冻结强度影响强烈的特点。将混凝土灌注桩、桩周冻土及桩土接触面简化成有限元集合体,编制了三维非线性有限元程序。计算的荷载-沉降曲线与漠河多年冻土区现场试验荷载-沉降曲线吻合程度良好,验证了该模型的适用性;对不同的冻土温度、桩径、桩长等因素进行了参数影响分析,得到对桩承载力影响规律,并相应地提出提高多年冻土地区单桩承载力的设计原则。
推导冻土相变温度场的数学模型及有限元计算公式,在此基础上分别利用热弹塑性和热弹塑性—蠕变的本构关系,考虑融土和冻土的应力和变形,给出相应的有限元计算公式。以青藏铁路北麓河试验段为计算模型,计算冻土路基的温度场和温度影响下的应力、变形场,并且与实测温度和路基变形数据进行对比分析。计算和分析结果表明:冻土路基下多年冻土层温度随着路基使用年限的增加而逐步升高,形成高温冻土层;冻土路基变形随着时间的增加而增加,最后趋于稳定,这表明冻土的蠕变为衰减型蠕变;路基修筑后3～5年的变形量占变形的绝大部分,此后路基变形进入一个相对稳定的阶段,可满足铁路的正常运营。
多年冻土地区路面结构出现大量早期损坏,究其原因,与多年冻土地区独特的工程特点有直接关系。多年冻土地区路基的融沉变形使沥青混凝土路面结构层产生附加应力,其与荷载应力的综合作用,直接导致路面结构的破坏。采用有限元法,并将融沉变形简化为二次曲线,建立沥青混凝土路面结构的横向计算模型。计算分析了路面材料与基层底面附加应力的变化关系,并得出附加应力的主要影响参数,为多年冻土地区路面的结构设计提供依据。
基于ANSYS有限元软件平台,建立了多年冻土地区单桩桩土空间体系的有限元模型,结合工程实例系统地分析了桩长、桩径以及桩的长径比变化时对钻孔灌注桩承载性能的影响。研究结果表明:对于多年冻土地区的钻孔灌注桩,桩径的增加不仅能提高桩的极限承载力、而且能有效地控制桩顶的沉降,因此应选取合理的长径比才能充分发挥桩基的作用。
根据车载下冻土路基受力特征,应用虚拟裂纹的概念,并考虑了冻土特有的冰体胶结力作用,提出了路基稳定性的二维模型。应用断裂力学理论,对车载下路基简化模型进行理论推导,建立了在车载及胶结力作用下的路基破坏过程的计算公式,可以计算路基破坏的特征参数,为路基稳定性设计提供参考和依据。在计算方法上采用了半解析有限元法,即计算车载引起的破坏用有限元法,计算胶结力引起的破坏用解析法,然后将二者结合起来计算整个破坏过程。给出了数值算例,计算了不同土质的破坏过程及特征值,与理论预测值相符,说明了方法的有效性。