王建华教授学报发文专辑 责任编辑：蒋霞，黄伟，孙启艳
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．
以上海国际航空中心基坑群工程为例，通过现场实测数据统计分析结合数值分析方法，分析了分隔型基坑群变形特性．深入研究了分隔型基坑群施工过程中隔墙变形、围护结构侧向变形和坑后土体沉降的发展规律，分析对比了不同区域围护结构变形和坑外地表沉降的差异．对比基坑群工程和传统基坑工程．结果表明，基坑群施工中隔墙变形先增大后减小，受后续开挖影响显著；基坑群分隔带处围护结构最大变形平均为0.16%H（H为基坑开挖深度），远小于上海地区平均值0.60%H；分隔带处坑外地表沉降仅有0.14%H，小于上海地区平均值0.40%H．研究可以揭示基坑群变形叠加机制，评估基坑群施工对环境的影响，对后续基坑群施工和敏感建构筑物保护有一定的借鉴意义．
采用数值方法研究了桩土接触面特性对水平受荷桩受力特性的影响，并通过对工程实例的分析验证了计算方法的有效性．实例分析表明，设置接触面对于正确模拟桩土受力特性有较大影响．计算所得的桩身弯矩和位移曲线表明，水平受荷桩的入土深度有个临界值，桩身过长对提高水平承载力无明显作用．
以上海浅部和深部土层变形数据、承压含水层变形和水位数据、基础设施（主要是地铁隧道、高架和地面道路）变形数据为基础，研究了上海深部土层、浅部土层变形特征和承压含水层变形机理，探讨了浅部、深部土层共同变形作用下地铁隧道、高架和地面道路的变形特征．研究结果表明：上海浅部土层持续缓慢压缩，压缩量较小，深部土层在2009年之前出现大幅度压缩，2009年之后逐渐出现膨胀变形特征；上海承压含水层变形与该土层水位高标有紧密的关系，第I、II、III和V承压含水层水位上升时，该土层很快出现膨胀变形，而第IV承压含水层膨胀变形滞后于该土层水位的上升；深部土层与基础设施有相似的变形趋势，不同厚度的浅部土层影响着基础设施的绝对变形量．距离深部土层越近的基础设施，伴随着深部土层的膨胀，其隆起量越明显；相同条件下，浅部土层越厚的基础设施其沉降量越明显．
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．
结合有限元数值模拟，以盾构隧道施工过程中环境变形的实测数据为基础，通过引入AMALGAM作为遗传算法，依据Pareto最优理论为评价标准，采用均方根误差进行误差校准，提出了一种基于实测数据得到准确土体参数的方法．针对上海市长江西路越江隧道工程试验段的工程案例，以周围土体侧移和隧道上方地面沉降为目标，以关键土层参数为分析对象进行多目标反分析，并对最优解和实测结果进行验证比较，结果证明多目标反分析精确度优于单目标反分析，并且更接近实际工况．应用基于实测环境变形确定的土体参数分析预测盾构施工对临近桩基础的影响，与测试结果的比较验证了计算方法和参数的可靠性，为隧道工程的环境影响分析提供参考．
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．
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②～⑥层原状土样进行了一系列室内试验，得到了整个浅层土基本物理参数，并由标准固结和三轴试验综合分析了上海浅部土层超固结度（OCR)的分布规律．研究认为上海浅层黏土天然含水率、初始孔隙比、液塑限、液性指数与塑性指数沿深度具有与OCR相反的变化规律．上海浅部土层的弱结构性导致一维压缩曲线无明显拐点，引用Becker能量法得到：②层土的OCR最大，达到8.0左右，之后急剧减小；③、④和⑤层土的OCR=1.15～1.40;⑥层土的OCR>2.0.三轴排水试验结果体现了浅部各土层超固结性的差异，与标准固结试验的结果基本一致．这种固结试验与三轴试验相结合的研究方法为进一步准确得到原位土体尤其是弱结构性土的应力历史提供了新的途径．
基于改造的圆筒试验设备，通过加载装置控制模型土体上方的波压力，实现对波浪荷载作用下的桩周土体响应试验的模拟．研究不同的波浪周期、波压力和土体相对密实度等参数对桩周土体孔隙水压力的影响；分析试验中土体孔隙水压力最大振幅值随深度的变化情况以及液化情况．结果表明：较小的波浪周期、波压力会使土体内孔隙水压力最大振幅值随深度衰减得更快；桩底附近的土体内孔隙水压力出现突然增大现象，即出现桩端孔压放大效应；波浪周期、波压力等对桩端孔压放大效应的影响较大．
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．
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．
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．
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．
以Navier-Stokes方程作为波浪控制方程，并采用VOF（Volume of Fluid）法进行自由表面追踪来准确模拟海洋表面波浪运动，建立了波浪-海床-桩基动力问题的数值模型来模拟波浪对桩基和海床的作用．把海床视为多孔介质，以Biot动力理论为基础，考虑土体骨架的加速度，并用孔隙水位移的速度场（位移-孔隙水压力动态模型）来模拟海床土体动态响应的过程．在模型验证的基础上，分析了水深对桩身弯矩、水平位移的影响，以及波高和海床渗透系数对桩周孔隙水压力的影响，并且对不同渗透系数时桩周土体的液化特性进行了讨论．
采用准静态三维数值分析方法直接模拟短峰波作用于海床表面与桩身的三维波压力分布，在考虑了海床土体的流固耦合和桩土界面的接触特征的基础上，研究了短峰波荷载作用下饱和砂质海床中的单桩响应问题．根据数值分析结果，研究了波浪荷载作用下土体的孔压变化规律、桩柱的位移和弯矩分布情况，探讨了桩土接触面不同处理方式的影响，并与自由海床和完全埋置单桩的模型结果进行比较．结果表明：泥线附近与桩端处土体的响应局部现象明显；采用桩土耦合模型时，孔压与弯矩响应相比于接触面模型有放大效应，而位移响应则正好相反．完全埋置桩在波浪作用下的响应主要受海床影响，在桩柱伸出海面的模型中，波浪荷载在桩柱上的影响起主导作用．
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．
以某海底顶管工程为背景，针对其施工中需要在加压条件下用微差爆破的方法来穿越岩层的特殊工况进行了三维有限元分析．数值分析充分考虑了不同地层、不同堵塞长度条件下，爆破对顶管及其周围土体的影响．分析结果表明：爆破对设备的冲击随堵塞长度的增加而减小，合适的堵塞长度可以明显减小爆破对工具的影响；全断面爆破比半断面爆破对岩层的影响较小；中心孔比周边孔对周围土体影响小．
建立三维有限元模型对采用格型地下连续墙和高桩梁板地下连续墙围护结构的船坞基坑进行分析，计算中假定土体为横观各向同性体，考虑土与结构的共同作用以及土体分区开挖．通过分析实测数据和计算结果，研究了无支撑船坞基坑开挖过程中格型地下连续墙和高桩梁板地下连续墙的变形特性．计算结果表明，船坞基坑围护结构的变形性状受其结构形式以及施工工况的影响，基坑内部桩基对船坞基坑围护结构变形影响较大，船坞基坑的开挖对临近基坑的影响很小．
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．
采用基于有效应力的完全耦合动力分析方法和Cyclic mobility动力本构模型，以某水库大坝作为工程实例进行分析，讨论在设计水位和死水位情况下坝基的地震液化可能性．计算结果表明，Cyclic mobility本构模型可以很好地模拟饱和砂土的液化．通过分析可以得出如下结论：在死水位情况下坝基的液化区域较设计水位情况下减少，但由液化所引起的上游变形明显增大，因此设计时需要对此引起注意．
针对大口径玻璃钢夹砂顶管在施工过程中的受力特点，通过室内试验测试大口径玻璃钢夹砂顶管管材的抗压强度和弹性模量，得到了管材在受压状态下的全过程破坏曲线，进而分析玻璃钢夹砂顶管管材的破坏模式，并对缠绕式和离心浇铸式两种不同加工工艺的材质进行了比较分析．结果表明，玻璃钢夹砂顶管管材属于脆性材料，且两种加工工艺的材质破坏模式不同，离心浇铸式管材的均匀性好于缠绕式管材．
采用考虑连续墙与土体接触面的三维弹塑性有限元方法对上海银行深基坑工程进行了数值分析，得到了基坑围护墙体的变形与基坑开挖引起的周围地表沉降．结合实测数据，与不考虑接触面的分析结果进行比较，讨论了连续墙与土体接触面特性对基坑变形分析结果的影响．结果表明，考虑接触面特性的计算方法与实测结果更加吻合，不考虑墙土接触面特性所得到的基坑变形和坑外地面沉降偏小．
采用数值方法建立了桩端后注浆灌注桩桩土体系分析模型，并对某工程注浆前后的钻孔灌注桩的承载性能进行了数值模拟，结果计算值与实测值较吻合，验证了该方法的有效性．按照该模型模拟单桩静载试验，对均质土层中的后注浆钻孔灌注桩的承载性能进行了模拟分析，结果表明：注浆量以及注浆体强度对承载力的影响存在一定范围；桩长的变化也影响注浆量对承载力的贡献；桩侧翻浆高度以及桩侧摩阻力提高对承载力影响显著；承载力随着桩侧翻浆高度和侧摩阻力的提高而线性增加．
根据300根有桩顶和桩端沉降的单桩荷载试验结果，研究了软土地区的单桩变形特性．将单桩分成预制混凝土方桩、空心混凝土桩、钢管桩和灌注桩四大类，利用弹性理论解对实测资料进行分析，得到基于桩长径比的桩身压缩量简化计算方法．结果表明，预制桩的桩身压缩量最大，空心混凝土和钢管桩其次，灌注桩最小，说明挤土效应对单桩的压缩变形有较大影响．用分层总和法分析桩端沉降，在此基础上改进了预估工作荷载下单桩沉降的简化计算方法．300多根试桩的分析结果表明，本方法能较好地预估单桩在工作荷载下的沉降．
软粘土地基在大面积堆载作用下会产生大量沉降，并影响区域内桩基和邻近桩基的正常工作．采用有限元方法分别研究大面积堆载作用下负摩擦桩的受力与变形性状，并通过算例分析讨论了不同接触面对桩土沉降差、侧移以及桩身轴力的影响．现场试验的数值分析结果验证了本方法的有效性，并得到大面积堆载作用下土体沉降、桩身轴力和弯矩的变化规律，为计算与设计提供了依据．
基于轴对称情况下土体的极限平衡理论，将圆形基坑主动土压力的滑移线解推广到非均匀堆载情况．通过分析得出基坑半径和土体参数对基坑主动土压力的影响规律，并发现与朗肯土压力理论一致．比较了非均匀和均匀堆载作用下的滑移线场和相应的土压力分布，发现基坑周围不同位置的堆载大小只影响基坑侧壁某部分深度范围内的土压力分布．因此，可根据基坑周围堆载的分布形式，定性估计得到基坑侧壁的土压力分布．
利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论，研究剪应力作用下断续多节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场，将精确弹性区应力场和脆断区应力场匹配，确定了脆断区长度和荷载之间的关系，继而从理论上确定了断续任意多节理岩体的强度．该方法可以解决任意多节理岩体的强度特性问题，而且得到的是精确的理论解．
为了使自然单元法能够应用于土体等具有弹塑性本构关系的材料的分析计算，通过结合弹塑性理论及自然单元法自身特点，研究了在自然单元法中采用Von-Mises、Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则解决二维弹塑性问题的算法，并利用面向对象的程序设计方法编制了相应的计算程序．通过算例验证了各屈服准则下算法的正确性，证明了自然单元法相对于常规有限元算法在精度上的优势．在自然单元法中实现了Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则，拓展了自然单元法的适用范围．
自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法，其实质是基于自然相邻插值（C∞）的伽辽金法．文中推导了基于Lasserre凸多面体体积公式的三维自然邻结点坐标及其导数的算法，给出了三维自然单元法算法的流程图．该算法实际上可以用于任意维数的自然单元法计算．对于Lasserre算法带来的多余约束问题，提出了2种可行的解决算法．经验证算例，三维自然单元法的计算结果精度同六面体单元有限元法相当．
由于饱和土中流固耦合，饱和土的动力问题不但要考虑土骨架的运动，而且还要考虑流体的运动．对此，不忽略流体相对于土骨架运动的惯性项，应用Hankel积分变换方法，对Biot波动方程逐次解耦后直接求解得通解；根据通解和半空间内部或表面作用水平力时的边界条件和作用面上的连续条件，求得边值问题的解；对边值问题的解进行相应的Hankel逆变换，就可求得应力、应变、位移、孔压等．最后给出了Hankel逆变换的数值方法．
基于扰动状态概念（DSC)理论，定义饱和软粘土的相对完整状态、完全调整状态及扰动函数，建立了饱和软粘土应力—应变关系的DSC模型．通过三轴固结不排水剪切试验，对上海地区典型软粘土的力学特性进行了分析，得到了软粘土在不同围压下的轴向应力、应变和孔压等参数之间的关系，并应用试验结果验证了饱和软粘土的DSC本构模型．结果表明，理论与试验结果较为吻合．
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．
针对土工织物筋土接触面的软化和塑性流动现象，根据拉拔试验的结果，提出了剪应力—位移关系的三阶段弹塑性模型．由筋材的受力特性建立微分控制方程，并通过有限差分法进行求解，得到了拉拔试验中的非线性位移、应变、拉力和剪应力等参量．算例分析了拉拔试验中的拉拔力—位移关系，并与线弹性模型和双曲线模型分析的结果进行比较．结果表明，分阶段弹塑性模型分析更符合实际情况．
探讨了压剪条件下复杂形状裂隙间的相互作用对应力强度因子的影响．利用裂纹孤立原理将原始问题分解为5个只含单一直裂纹的问题．根据裂纹表面应力自由的边界条件，利用伪力的Legendre多项式展开和连续分布位错使相互作用裂隙边界条件得以满足，最后推导了第1种Cauchy型和第1种Fredholm型奇异积分方程．该方法可以解决弯折裂纹、周期性排列的裂纹相互作用对应力强度因子的影响．数值结果表明，本文解与精确解、BEM解吻合较好，表明本方法是正确、可行的．
将自适应有限元与弧长法迭代算法相结合，用于软化材料的弹塑性有限元计算．讨论了程序中软化材料的弹塑性计算、本构积分、弧长法迭代、自适应有限元，得到了自适应有限元与弧长法结合计算软化问题的流程图．算例分析结果验证了本文分析方法的有效性，表明自适应有限元在模拟局部化问题中具有优势．
提出用上限法对c-O材料进行三维极限分析的原理和方法．分析过程基于非线性规划和线性有限元法，通过求解一个非线性规划问题，使外荷载消耗的功率最小，求得结构的极限荷载．算例分析表明，该方法是正确可行的．它避开了传统的有限元法中c-O材料复杂的本构关系，直接得到结构的极限荷载的上限．
基于Mohr-Coulomb理论的地基极限承载力公式，没有考虑中间主应力的影响．利用双剪强度理论建立了考虑中间主应力影响时的地基极限承载力公式．推导了凝聚力和基础两侧土的超载影响及自重作用影响的理论公式．以条形基础为例，计算了考虑中间主应力对地基极限承载力的影响．研究结果表明，考虑中间主应力影响，地基极限承载力将提高．
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．
基于面向对象的程序设计方法，以C++语言构造了自适应有限元P加密程序，它涉及到形函数的构造、高阶单元的形成、自升阶的算法以及误差估计一系列类及成员函数．解线性方程组时，根据P加密的特点，提出了一种节约存储和运算空间的数据结构．所给算例的计算结果表明，理论推导和程序实现是正确的．
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