王建华教授学报发文专辑 责任编辑：蒋霞，黄伟，孙启艳
为探讨土钉支护基坑的变形特性与荷载传递机理，结合土钉支护的施工特点，采用FLAC 3D建立了考虑分步开挖与土钉支护的基坑计算模型，分析了基坑侧向变形、土体剪应变增量及土钉轴力传递特性．结果表明：逐级放坡开挖基坑的最大侧向变形深度位于下部斜坡，阳角是平面内变形的不利位置，放坡平台对于控制基坑变形具有积极作用；拉伸破坏与剪切破坏是坡面破坏的主要形式，采用剪应变增量可以直观判断基坑边坡滑动面的变化规律，土钉加固作用使滑动面有向土钉末端移动的变化趋势；土钉轴力沿长度分布与土钉深度位置相关，一般呈现中间大两端小的特点，土钉轴力最大值位置与潜在滑动面位置基本一致．
为优化现有的顶管管道受力模式及其设计方法，结合上海市污水治理南线工程，采用数值模拟方法，对内径4 m的大直径钢筋混凝土顶管管道的受力特性进行了分析，研究了施工过程中管土接触压力的变化及顶管覆土厚度对管道外土压力的影响，比较了管道受力分布与《给水排水工程顶管技术规程》的区别，并分析了管道内力的差异．计算结果表明：土拱效应随覆土厚度的增加逐渐增强，管土接触压力分布比较平均，侧向土压力采用主动土压力计算偏于保守，地基反力也可适当均匀化，并且在此基础上的管道弯矩减小，轴力相应增大．因此，管道设计可以进一步优化，使工程更加经济．
通过室内模型试验和数值分析研究了灌注螺纹桩的竖向承载机理．室内模型试验和数值反分析结果表明，灌注螺纹桩承载力取决于土体抗剪强度，承载力达到极限值时，桩周土体出现竖向剪切带．采用数值方法进行了参数分析，研究接触面属性、土体抗剪强度和螺纹桩构造尺寸等不同因素对其承载力的影响，进而分析承载机理及其规律．结果表明，影响螺纹桩竖向承载力的关键因素为土体抗剪强度指标、螺纹桩螺距和螺牙宽度．在此基础上提出了螺纹桩承载计算公式，并用现场试验和数值分析结果进行了验证．
以上海500 kV世博地下输变电站为工程背景，以Biot固结理论为基础，采用数值方法对深基坑降水开挖过程进行了流固耦合分析．模拟抽水试验，并采用位移和孔压反分析法确定土层计算参数．建立流固耦合分析模型，分别采用稳态分析法和生死单元法模拟基坑的降水和开挖过程，同时求解出渗流场和位移场的变化．通过计算值与实测值的比较，证明了流固耦合方法分析基坑降水的正确性和可行性．
针对跨越运营地铁隧道的超大面积深基坑建立了大型三维有限元模型，并对基坑开挖引起的周边环境和隧道变形进行分析．根据工程的重要性和信息化施工的需要，利用施工过程的变形监测数据，使用单纯形法对其土体参数进行了反分析．根据编制的单纯形反分析程序和有限元方法计算得到了相关的土体参数，并预测了基坑开挖最终引起的隧道隆起量．结果表明，计算所得隧道隆起预测结果与实际监测数据较为接近．
为了使自然单元法能够应用于土体等多孔介质的流固耦合计算，通过结合Biot固结理论及自然单元法自身特点，利用经典变分原理推导了固结微分方程的离散形式，并针对二维问题编制了相应的计算程序．算例结果表明，自然单元法的结果与解析解吻合良好，其精度高于有限单元法．从而验证了自然单元法在固结分析中的正确性，拓展了自然单元法的适用范围．
通过模型试验研究了冲击荷载引起的振动在砂土中传播和衰减的规律，并探讨了隔振板的隔振效果．结果表明：在模型箱边界处设置泡沫隔振板，能够较好地控制振动波在边界处的反射效应；在冲击荷载作用下，土体振动随测点与震源的距离增大而迅速衰减，加速度峰值沿水平、竖向和对角线方向的衰减可用公式amax=kR-β进行拟合；隔振板对隔振板后面的土体能够起到一定的隔振和减振作用，但对隔振板前面的土体起到了相反的效果，这是由于振动波在隔振板处发生反射的缘故．
随着钢顶管直径和顶进距离的不断增大，复杂受力条件下的钢顶管屈曲破坏成为了施工过程中的工程隐患．通过简化长径比超过100的钢顶管受力模型，探讨了长钢顶管稳定特性有限元分析方法．首先进行钢顶管管道的特征值屈曲计算，得到管道的一阶屈曲模态．再将一阶模态作为初始缺陷引入到钢管，进行弹塑性屈曲极限分析．通过算例分析了钢顶管在各种基本荷载及不同组合荷载下的屈曲模态，并探讨了其弹塑性稳定极限荷载的变化规律．分析结果反映了钢顶管屈曲工程案例现象，并建议通过控制注浆效果和顶进措施来提高管道的稳定安全性，对于高围压下的钢顶管尤其需要注重顶力控制．
通过对上海软土地区地铁车站基坑实测数据的分析，探讨了基坑围护结构变形、坑外土体变形及地表沉降的一般规律．结果表明：上海软土地区地铁车站基坑围护结构的最大侧向位移为开挖深度的0.04%～0.6%，平均值为0.3%;围护结构侧向变形通常为深层凸鼓形，围护结构最大侧移点深度一般位于开挖面以上1.5 m至开挖面以下7 m; 基坑周边最大地表沉降为开挖深度的0.05%～0.7%，为围护结构最大侧向变形的0.4～1.0;采用钻孔灌注桩结合高压旋喷桩止水帷幕的地铁车站基坑的变形控制通常优于地下连续墙和SMW工法．
采用软土蠕变（SSC)模型模拟不同工况下基坑开挖的全过程，对比分析了不同施工工艺对基坑围护变形以及其周边环境的影响．结果表明：逆作土方通道式施工工艺与传统施工工艺的基坑围护变形特征相似，且通道式施工工艺可有效控制围护结构的变形，减小坑外土体的最大沉降量、坑底隆起量和坑外土体侧向变形，对周边环境起到了较好的保护作用；当考虑上覆列车荷载时，逆作土方通道式施工工艺所产生的铁路路基变形在铁路正常运营范围以内．
针对工程中常用的双曲线荷载传递函数，以上海地区不同场地的7根有实测桩身轴力分布的试桩资料、12根无实测轴力分布的单桩静载荷试验以及上海青浦某场地75根工程桩试桩资料为基础，对荷载传递函数参数a、b取值进行统计分析，研究了在不同土层中桩基荷载传递参数的变异性．研究表明，参数a、b反分析所得的均值与实测值较为接近，a、b之间呈负相关．相比地基土的常规物理力学性质指标，荷载传递参数a和b的离散度较大．柯尔莫哥洛夫-斯米诺夫（Kolmogorov-Smirnov, K-S)检验的结果表明，参数a、b不拒绝正态分布．
通过对深基坑在开挖过程中变形受力特性的力学机理研究，结合基坑施工中各参数指标间的力学相关性及其统计关系，定量确定多参数之间协调关系和所对应的风险情况，提出融合多参数的风险评估预警方法并编制多参数风险评估程序．该方法相对常规单参数风险预警控制方法，更能反映基坑支护结构及周围环境的内力变形情况．采用该方法对上海某地铁车站基坑工程进行多参数风险评估．结果表明，该方法能够判定出单参数方法所不能识别的基坑风险，有效弥补单参数控制的不足和漏洞，具有很好的实用价值．
以建筑抗震设计规范标准为依据，采用有限元法对某核电低压缸及凝汽器结构的地震响应进行了分析，通过地震时程分析法和反应谱分析法得到低压缸及凝汽器在水平和竖向方向地震荷载作用下的位移响应特征．结果表明，该低压缸及凝汽器结构的地震响应呈现出板结构的振型特征，其抗震性能优于一般的建筑结构．
利用饱和-非饱和多孔弹性介质控制方程建立有限元计算模型，考虑弹性模量随深度增加及其在水平方向的变化，分析了非饱和土中超静孔隙水压力消散和土体的变形特性．通过与相关文献结果对比可验证文中采用的计算模型的正确性．研究结果表明：土体的非均质性对超静孔隙水压力的消散和土体的变形均有显著影响；弹性模量沿深度方向变化率越大，非饱和土体吸收的压力越多，导致超静孔隙水压力消散得越快，并且初期变形阶段和固结完成后，土体的变形幅度减小．
结合上海市人民广场地铁换乘大厅枢纽工程，建立了基于黏弹性边界的三维有限元分析模型，利用Newmark数值方法对在拆除临时混凝土支撑振动条件下结构的动力特性进行研究，并将数值计算结果与现场监测结果进行比较．结果表明：所建立的基于黏弹性边界的数值模型不仅能够较好地模拟施工振动下结构的动力特性，消除土体与结构交界面的振动波虚假发射；而且可以预测激励荷载下结构发生共振的可能性．
基于饱和土两相混合u-p（土骨架变形-饱和土孔隙水压力）理论，采用基于上下负荷面和各向异性的砂土液化本构模型，建立一个多孔介质弹塑性海床模型，用于分析波流共同作用下砂质海床动力响应规律．计算分析了波流共同作用下，砂质海床瞬时振荡孔隙水压力与残余孔隙水压力累积的响应规律，并获得了海床液化深度的变化规律．此外，比较了采用弹性与弹塑性砂土本构模型时，海床在波流作用下的动态响应差异．
基于饱和土体Biot固结理论，考虑土体体力与表面作用力，结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程，在计算域内采用Galerkin加权余量法，推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程．理论推导表明：与单相弹性土体不同的是，由于孔隙水的存在，饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵，而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵；该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件，而且在径向（与饱和土体-结构接触面垂直方向，指向无限远）上具有严格的精确性，环向上（与饱和土体-结构接触面平行方向）具有有限元单元无限收敛的准确性．
采用现场实测方法，对深覆软土、长距离顶进、外径4.64 m钢筋混凝土顶管的管壁接触压力和环向钢筋受力进行了测试，并与已有文献研究进行对比分析．结果表明：顶管在良好泥浆套中顶进时，管壁接触压力整体分布较均匀，注浆时呈突然增大变化，停顶后逐渐恢复正常水平；管道环向钢筋以受压为主、应力不大，其变化由管道轴向偏移和注浆控制，测试阶段管道受力状态以偏心受压为主；管壁接触压力实测值与按规程计算的设计值相比，管顶处相近、管侧处实测值略大、管底处实测值较小，规程的土压力分布模式用于管道设计计算偏于保守．
根据椭圆余弦波理论，计算了在滨浅海区域波浪作用下海床表面的波压力．通过参数分析，研究了海床弹性参数、渗透性以及孔隙水的压缩性对椭圆余弦波作用下海床孔压响应的影响．研究表明：孔隙水的压缩性、海床的渗透性、剪切模量、泊松比对海床的孔压响应有明显的影响，海床的渗透各向异性对孔压响应影响较小．
依托上海地区地铁车站基坑，提出了结合有限元的多目标反分析参数确定理论与算法，以不同开挖工况中的围护墙体水平位移和临近地表沉降作为目标，分析确定典型软土层的修正剑桥模型参数．对基坑开挖施工过程用ABAQUS进行有限元模拟，同时选取AMALGAM算法，利用Matlab对基坑工程中的土体参数进行反分析．结果发现，根据基坑开挖前一步实测变形确定的计算参数能够有效预测下一步开挖变形，开挖到一定深度时所确定的土体参数能够准确地预测后续步开挖的影响．证实了多目标反分析对后续施工步预测的精确度，并且得到了长寿路车站基坑第2～6步的9个土体参数反分析结果，可作为基坑工程的借鉴．
通过现场监测的方法，对顶管工程圆形沉井在不同顶力作用下后背土体反力和位移变化进行分析研究，并结合有限元数值模拟方法，对现有不同的工作井后背土抗力分布形态进行对比验证．研究结果表明：圆形沉井工作井后背土抗力分布近似直线，但在沉井底板深度处因底板处刚度较大而产生突变，而后在刃脚处达到最大；顶力作用下沉井后背土体发生的位移较小，并表现为整体移动；验证了在沉井后背土体产生较小位移情况下视沉井前壁未达主动状态的合理性，进一步给出沉井后背土反力随距离的变化规律．
利用极限分析上限解理论分析了泥浆护壁作用下阳角处槽壁的稳定性，建立了失稳面为对数螺旋锥面的三维失稳模型，得到内耗散功率、重力功率、泥浆压力功率的表达式，通过求解能量平衡方程得到了槽壁安全系数的上限解，并研究了在不同参数（泥浆容重、泥浆液面深度和内摩擦角等）下槽壁安全系数的变化规律．结果表明，随着泥浆容重、黏聚力、内摩擦角的增加，槽壁安全系数增大；随着泥浆液面深度、开挖深度、开挖步长的增加，槽壁安全系数减小．
为了研究顶管施工过程中注浆压力对控制土体变形的作用，建立有限元模型对注浆压力作用进行理论分析．通过对比实测数据与有限元结果，讨论了不同工况对孔隙水压力与土体变形的影响．分析了在不同注浆压力作用下，顶管周围土体的扰动情况，在此基础上提出了衡量土体受扰动程度的孔隙水压力变化率概念．结合土体变形状况与扰动分析结果，建议在实际工程中将注浆压力控制在管顶上覆土压力值的1.1倍，按此原则设定的注浆压力对周围环境影响较小，该研究结果可供今后类似顶管施工参考．
采用非线性平面有限元方法研究紧邻基坑同步施工下坑间土体与隧道的变形特性．将该方法运用到上海某基坑工程中的隧道位移预测，实测数据与有限元结果比较吻合，验证了其可行性．通过参数分析，讨论了基坑之间的距离、开挖宽度对坑间土体竖向位移的影响，并由此推算出了使得坑间地表土体平均竖向位移接近零的最优基坑间距与开挖宽度的关系．同时讨论了盾构隧道、明挖暗埋隧道与基坑的距离对于隧道竖向位移、支护结构侧移的影响．研究表明，开挖完成后，坑间盾构隧道的沉降比周围土体的沉降略小，而有围护结构的明挖暗埋隧道则表现为上抬，距离基坑越远，上抬量越小．
为模拟井点抽水引起的圆形基坑内外水头变化以及地面变形，考虑水力特性和力学特性的横观各向同性及地下结构物的影响，建立了轴对称柱坐标系下的饱和-非饱和土固结模型．基于该模型，模拟两组圆形基坑抽水-水位恢复试验，分别研究弹性模量和初始饱和渗透系数的横观各向同性对水头和土体位移的影响．结果表明，当弹性模量越大时，水头越易改变，土体位移越小；当初始饱和渗透系数越大时，水头变化量和土体位移越小．
基于深基坑开挖过程中，不同实体的几何参数、物理参数和力学参数之间的关联性，提出深基坑参数融合数据模型，实现将深基坑的几何模型和力学模型统一在一个框架之下．根据面向对象的编程思想，采用C++语言对各基坑实体进行描述，为模型设计一个能够体现各基坑实体类之间层次关系的数据结构，并开发了深基坑三维建模与风险预警软件．将开发的软件应用于上海市汉中路地铁车站深基坑项目，结果表明，该数据模型很好地实现了不同基坑实体之间的关联，可以有效地预测深基坑施工过程中的潜在风险．
基于Biot动力方程，利用COMSOL多物理场有限元计算软件构建了波浪-海床-管线动力响应的计算模型，模拟了一阶斯托克斯波作用下管线周围土体孔压和有效应力分布情况，对海床土体的液化情况进行判断，研究了波浪诱发海床液化及管线失稳的机理．研究过程中采用Partly dynamic动力方程（u-p模式）．在Partly dynamic模型中，将海床视为多孔弹性介质，并且将孔压和位移视为场变量，考虑土体位移加速度，忽略孔隙流体惯性项的作用．模型得到验证后的参数研究表明：土体渗透系数、饱和度以及管线埋深、波高等参数对海床的孔压和有效应力影响显著．
基于Biot固结理论，结合波流相互作用理论，采用数值模型分析了分层海床在波浪-流共同作用下的响应，尤其是分层海床的液化可能性及剪切破坏深度．结果表明，顺流的存在不仅会增加液化风险，还会使剪切破坏深度增加，而采用高渗透性土作为覆盖层不仅能有效降低原海床液化风险，且能减小甚至避免原海床的剪切破坏，可用于海床保护．
针对基坑开挖卸荷会导致桩基承载力损失和引起桩身拉力作用所带来的安全问题，研制了一套可控制复杂应力状态变化的桩土接触面三轴模拟试验仪．该试验仪采用三轴围压室的气压加载控制接触面法向应力，利用围压室顶部的双套活塞实现对顺接触面向土体应力状态和桩土接触面剪切加载的分别控制，通过设置土样上下表面孔压来控制接触面的渗流状态和有效应力变化．其测试系统可对接触面总摩擦阻力、桩土相对位移和土样分层变形进行量测，实现对复杂应力状态下的桩土接触面相互作用特性的研究．通过等向加卸载应力作用下的接触面试验验证了该试验仪的有效性．试验结果表明，桩土接触面的极限摩擦阻力和摩擦系数随着法向应力的增加而增大，土层的变形也随着法向应力的增加而变大．
利用CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）有限元大变形方法模拟了不排水条件下软黏土中沉桩施工对桩周土体的影响．利用有效应力的方法实现了修正剑桥（MCC)模型Vumat子程序中超孔压的计算，通过与室内土工试验（一维压缩试验和三轴试验）结果对比证明了子程序的可靠性．将修正剑桥模型的Vumat子程序嵌入到Abaqus/Explicit的CEL方法中用于软黏土中沉桩效应的模拟分析．对计算得到的桩周土体流动、水平位移、超孔压、水平应力的分析表明，所采用的考虑孔压的CEL数值分析方法可以较好地模拟软黏土非排水条件下沉桩效应问题．
采用三维快速拉格朗日方法（FLAC3D)建立了考虑基坑分步开挖与支护全过程的三维动态计算模型，土体采用修正剑桥模型模拟，考虑了支护结构与土体的接触滑移作用，分析了基坑施工中围护墙变形、地表沉降、坑底隆起、坑外深层土体变形的基本特性．计算得到的地表沉降曲线与已有文献的经验沉降曲线基本一致，验证了计算结果的适用性．分析结果可为类似基坑工程的设计和施工提供有益参考．
基于随机场理论，采用协方差矩阵分解随机场模拟和蒙特卡罗方法相结合的方法，建立非饱和土固结的流固耦合随机有限元模型，研究弹性模量和饱和渗透系数的空间变异特性对非饱和土固结的影响．结果表明，弹性模量变异系数COVE对沉降的均值和标准差的影响都很大．COVE增大，沉降的均值和标准差相应增加，说明弹性模量的空间变异性可显著增大沉降预测的不确定性．弹性模量的竖向相关距离越小，空间平均效应越大，超孔隙水压力和沉降的标准差越小，尤其在土层厚度小于相关距离时影响较为显著．饱和渗透系数的空间变异性对非饱和土固结的影响较弹性模量小得多，且主要影响固结中间过程．
针对基坑群开挖过程中工况复杂、信息量大、开挖与监测信息难以进行耦合分析的问题，开发了监测数据与施工信息动态同步分析系统．利用结构化查询语言（SQL)标准中的数据库软件Microsoft SQL Server进行基坑施工与监测信息的标准化管理，以时间信息作为索引标志，建立两者的动态同步耦合关系；通过对Excel与Visio的二次开发分别实现监测数据与施工工况的可视化模拟，最终开发全局控制台将基坑施工信息与监测数据的可视化模型进行关联以实现动态同步分析．将该系统应用于上海世博园某地块基坑群，实现了基坑群施工中的分块开挖工况与各项监测数据的动态同步分析，呈现了相邻基坑开挖在宏观与局部时空尺度上的相互影响特征．该系统可为基坑群施工对基坑与周围环境受力变形影响机制的分析与验证提供高效的分析手段．
采用有限元法和非线性规划的序列二次规划（SQP)算法，解决了三维可静应力场的构造问题．基于刚塑性假设，采用极限分析下限原理，求解了矩形表面基础的承载力问题．算例分析表明，SQP算法在三维下限法中的应用是可行的．
以上海地区高架道路桩基础为例，采用控制地下水流量的流-固耦合方法分析了季节性变化的地下水开采及回灌作用下的桩基长期沉降特征．数值分析表明，地下水的季节性抽灌使得高架及大地变形发生波动性变化，区域地面沉降略小于高架沉降，但变形趋势一致．采用流-固耦合方法对上海地区典型高架桩基实例进行数值模拟，所得分析结果与实测结果基本吻合，高架桩基在上部荷载和深层回灌耦合作用下出现隆沉变化，其长期沉降受深部土层隆沉位移的影响更大．通过分析回灌参数，得到深层回灌荷载影响高架桩基变形的基本规律，为高架桩基长期沉降的预测分析提供了参考．
对上海某大型船坞工程双排钢板桩围堰进行现场监测，并结合施工工况对监测结果进行分析，对大跨度双排钢板桩围堰的变形特性进行研究．监测结果表明，大跨度双排钢板桩围堰的变形较大，且具有明显的三维空间效应，围堰前、后排钢板桩的变形特性存在一定差异．利用考虑应力场与渗流场完全耦合的有限元方法模拟现场施工情况，分析了现场施工中加固围堰内侧土体对控制围堰变形的效果．
结合上海地区某邻近明挖暗埋隧道基坑工程案例，采用数值方法模拟了深基坑开挖的过程，并通过与实测数据进行对比验证了模型的合理性．针对隧道与基坑之间的连接墙进行对比分析，揭示了连接墙所起的作用．通过分析相邻地连墙竖向位移以及其两侧土体位移，得出地连墙与隧道之间以及墙土之间的相互影响规律．根据地连墙墙体轴力分布，研究墙体在开挖过程中的受力形态，揭示临近基坑开挖对地下结构（明挖暗埋隧道）的影响机理．结果表明，对于明挖隧道与基坑共墙的情况，隧道的隆起主要由地连墙以及连接墙的共同影响所致．明挖隧道受到基坑地连墙变形的影响明显大于受周围土体位移的影响．地连墙发生竖向隆起的原因为坑内土体提供的摩擦力大于坑外土体提供的摩擦力．
根据Saenz公式将混凝土本构模型简化为双折线线性强化弹塑性模型，推导了混凝土弹塑性参数的计算公式．应用大型结构分析有限元软件Algor对装配式管片接头进行三维线弹性和弹塑性有限元分析，得到了混凝土应变、接头位移、接缝转角、螺栓拉力等计算结果，并将有限元计算结果与接头荷载试验测试结果进行了对比．研究表明，有限元计算值与试验值两者的变化规律是一致的，计算结果在反映结构应力／应变分布规律方面有重要参考作用．
将Muki提出的半无限弹性体作用一水平荷载时的基本解应用于每一层，根据两层弹性半空间模型的自由边界条件和各层之间的位移和应力连续条件，利用Hankel变换推导出水平集中荷载作用下两层弹性半空间的基本解，得到了内部任意一点的位移场和应力场，从而为研究层状地基中水平受荷的单桩和群桩的工作性态提供了有力的工具．文中给出了数值计算实例，并将其与Mindlin解以及Davies & Banerjee的计算结果进行了比较．
为了研究钢顶管在施工及运营阶段的内力特征，采用现场测试的方法，依托黄浦江上游水源地连通工程，对深覆软土、长距离顶进、内径4 m的钢顶管在施工荷载和温差作用下的环向、纵向应变进行监测．分析实测结果表明：管道固定截面随顶进距离增加受力状态改变较小，不同截面中靠近机头处受到顶力的影响较小；纵向应力主要受顶力影响，以受压为主，环向应力主要受到管道埋深影响，深覆软土情况下，管道顶部环向可能出现拉应力，左右受压为主；纵向和环向应力之间相互影响，埋深较大时影响较为明显，长距离顶进下顶进偏心对管道应力有较大影响；顶力的施加会使纵向应力产生较大波动，顶力撤除应力恢复平稳；大直径钢材管道在温差6℃时，温度应力达25 MPa左右，环向、纵向区别较小，不影响正常运营，但仍需谨防极端温差下可能造成的破坏．
王建华教授学报发文专辑
