岩土毕业设计外文翻译Word文档格式.docx

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摘要

桩基础是公路桥梁和高层建筑等众多土木结构不可或缺的一部分。

在地震过程中的动态桩土的相互作用的研究是一个复杂的课题，并且当桩位于有不同程度的饱和度（DOS）的非饱和土中时，其复杂性会进一步增加。

在本文中，位于有两个不同的dos的非饱和土中的桩的整体响应采用了完全耦合的有限元计算机代码。

利用弹塑性的材料模型被用来表示土骨架的应力-应变行为。

并对饱和度对周期和谱加速度的影响以及在地震过程中桩身周围液体和气体压力（吸力）的发展与消散进行了讨论。

分析表明，在地面和上层建筑层面的横向位移、主要周期和谱加速度受土壤最初的饱和度的影响。

INTRODUCTION

简介

Mostengineeringstructuresmadeofsoilsorotherengineeringmaterialsareultimatelysupportedontheearth’ssurfacethatmayconsistoffullysaturatedsoil,unsaturatedsoilorfullydrysoil.Inunsaturatedsoil,theporespaceispartlyfilledwithwaterandtherestwithair.Theamountofwaterpresentintheunsaturatedsoilinfluencesthesoilbehaviorwhensubjectedtostructuralandenvironmentalloadings.Inadditiontothebulkphases,theinterface,knownascontractileskin,betweentheliquidandthegasalsoaffectsthedynamicsofunsaturatedsoils.Thepressuredifferencebetweentheliquidandthegasphasemaintainedbythecontractileskinisthematricsuction.Achangeinsoilmoistureduetochangeinweatherwillcauseachangeinmatricsuction.Matricsuctionisoneoftheimportantvariablesinthecharacterizationofunsaturatedsoil.Thematricsuctiontogetherwiththenetstressareconsideredasthestatevariablesthatcontrolthemechanicalbehaviorofunsaturatedsoils（FredlundandRahardjo,1993）.Therefore,fornumericalstudiesofthebehavioroftheunsaturatedsoil,coupledgoverningequationstakingintoaccounttheinteractionbetweenthebulkphasesandinterfaceshavetobewrittentocorrectlyrepresenttheunsaturatedsoilbehavior.Theproblembecomesmorecomplicatedwhenstructuralelementsareembeddedintotheunsaturatedsoil.

大多数由土壤或其它工程材料建成的工程结构最终均是支撑于由完全饱和的土壤、非饱和土或完全干燥的土壤构成的大地表面。

在非饱和土中，孔隙空间部分被水填充，其余部分为空气。

在受到结构和环境荷载的影响时，不饱和土壤中水的含量会影响到土的特性除了体相，在液体与气体之间被称为收缩层的界面也会影响非饱和土的动力特性。

存在于收缩层之间的液相与气相的压力差是吸力。

天气变化所引起的土壤中水分的变化会带来基质吸力的变化。

基质吸力是非饱和土特征中的一个重要变量。

基质吸力的连同净压力被认为是控制非饱和土的力学特性的状态变量（Fredlund和Rahardjo,1993）。

因此,对于非饱和土性质的数值研究,考虑了体相与界面之间的相互作用的耦合控制方程必须书写正确，这样才能变现出非饱和土的性质。

而当结构因素参与到非饱和土中时，此问题会变得更加复杂。

Atypicalanalysisprocedureforasoil-structureinteractionproblemmightinvolvefreefieldsiteresponseanalysisofsoilfollowedbyadynamicanalysisofthestructure.ThebaseshearandthebendingmomentonthestructureatthegroundsurfacelevelarecalculatedusingtheAccelerationDesignResponseSpectrum（ADRS）calculatedforthesiteatthegroundsurface.Suchananalysis,however,willnotcapturetheinfluenceofthestructureonthesoilresponseorthetrueinfluenceofsoilonthestructure.Inthecaseofunsaturatedsoil,theamountofwaterpresentinthesoil（degreeofsaturation）willinfluencethepilebehavior.TheinfluenceofpartialsaturationonthebehaviorofpilefoundationsubjectedtostaticaxialloadisstudiedbyGeorgiadisetal.（2003）anditshowsthattheloadcapacity（ultimatepileload）increasesassoilbecomesunsaturated.Alsoitshowsthatthepartialsaturationinfluencesthepilebehaviorwhenthepile（toptotip）isinunsaturatedsoil.Sincetheyhavecarriedoutstaticanalysiswithverticalloading,thetipofthepileshouldbeinunsaturatedsoiltorecognizetheinfluenceofpartialsaturationbutfordynamicanalysisthepartialsaturationisexpectedtobesignificantevenifthetipisoutsidethepartialsaturationzone.Finiteelementanalysesofpartiallysaturatedsoilpredictedlargerultimateloadincreasethansimilaranalysesofsaturatedsoils,i.e.,saturatedsoilanalysessignificantlyunderpredictedtheloadcapacity.Alsoinpartiallysaturatedfiniteelementanalyses,excessivesettlementisrecognizedbecauseofthecollapseexperiencedbythesoilunderthetipofthepileandthissettlementcouldnotberecognizedwithsaturatedfiniteelementanalyses（Georgiadisetal.,2003）.Thisliteraturestudyshowstheimportanceofunsaturatedsoil–pileinteractionanalysistopredicttheoveralldynamicresponseofpilesandthesoil.

一个典型的分析土-结构动力相互作用问题的过程可能包含自由站点响应分析和一个动态的结构分析。

在地面表层的结构计算基底剪力和弯矩用到了加速度设计反应谱（ADRS），这是一个专供地表计算的站点。

然而，这样的分析无法得到土层响应对于结构的影响和土壤对于结构的直接影响。

在不饱和的土层的情况下，土层中的含水量（饱和度），会影响桩的特性。

Georgiadis等（2003）研究了部分饱和土层在静态轴向荷载下对桩基础特性的影响。

研究表明，桩的承载能力（极限荷载）随着土层不饱和度的增加而提高。

此外，研究也表明，当桩尖端位于不饱和土层中时，部分饱和会影响到桩的特性。

由于他们已经利用垂直加载进行了静态分析，桩的前段应当被置于非饱和土层中以便确定部分饱和的影响，但对于动态分析而言，即使桩的前端在部分饱和土层之外，部分饱和的影响仍然是十分显著的。

部分饱和土的有限元分析相比其他类似的饱和土分析而言，能得到较大幅度的极限荷载的增长，饱和土分析的结果显著低于预计的承载能力。

此外，在部分饱和土的有限元分析中，大量的计算是被认可的，因为桩的前端下的土层会破坏并且这种计算在饱和土的有限元分析中能够得到认可（Georgiadis等，2003）。

本文献通过研究分析非饱和土层中土与桩的相互作用，来预测桩和土层的整体动态响应。

Inthispaper,theresponseofpilefoundationsinunsaturatedsoilsubjectedtobaseshakingisinvestigatedusingcoupledfiniteelementprogram.Stress-strainbehaviorofunsaturatedsoilisrepresentedbyanelastoplasticmodelandofstructureismodelledusingalinearelasticmodel.Theresponseofpileandthesoilwithtwodifferentinitialdegreeofsaturationarepresentedandcompared.Theresultsoftheanalysisshowthatthedynamicresponsessuchaspredominantperiod,displacementandspectralamplificationfactorareinfluencedbytheinitialdegreeofsaturationofthesoil.

在本文中，分析在不饱和土层中的桩基础受到基础震动时的响应采用的是耦合有限元程序。

非饱和土的应力-应变特性用弹塑性模型来表示，结构的应力-应变特性则用线弹性模型来表示。

介绍桩和最初有着两种不同饱和度的土层的响应并将二者加以对比。

研究结果表明诸如主要周期、位移和光谱放大系数的动态响应会受到土层最初饱和度的影响。

SUMMARYOFGOVERNINGEQUATIONSANDFINITEELEMENT

控制方程和有限元的总结

FORMUALTIONS

公式

Thekeyequationsgoverningthedynamicsofunsaturatedsoilsaresummarizedinthissectioninusualsolidmechanicsnotations.ForthedetaileddescriptionreferRavichandranandMuraleetharan（2009）.

在本节中，我们用通常的固体力学公式总结了控制非饱和土动态的关键方程。

有关的详细说明请参阅：

RavichandranandMuraleetharan（2009）。

Massbalanceequations

质量守恒方程

Solidphase:

（1）

wherenistheporosity（volumeofvoids/totalvolume）oftheunsaturatedsoilsystem,

isthevelocityvectorofthesolidphase,

isthedivergence.

固相：

（1）

其中n是非饱和土的孔隙率（容积空隙/总体积），

是固相的速度矢量，

是散度。

Liquidphase:

Incorporatingthemassbalanceequationforthesolidphaseintothemassbalanceequationfortheliquidphase,thefollowingequationcanbederivedforthemassbalanceoftheliquidphase.

whereuisthedisplacementofthesolidphase,

isthedisplacementoftheliquidphase,

isthebulkmodulusoftheliquidphase,Sisthematricsuction,

isthevolumefractionoftheliquidphase,

istheliquidpressure,

isthegaspressure,and

isthevolumetricstrainofsolidskeleton.

液相：

将固相的质量平衡方程推广到液相的质量守衡方程，下列方程可推导出液相的质量守衡方程。

其中，u为固相位移，

是液相位移，

是液相体积模量，S为基质吸力，

是液相的体积分数，

是液体的压力，

为气体的压力，

是固体骨架的体积应变。

Gasphase:

Similartotheliquidphase,themassbalanceforthegasphasecanbeexpressedas

Where

isthedisplacementofthegasphase,

isthevolumefractionofthegasphase,and

isthebulkmodulusofthegasphase.

气相：

与液相类似，气相的质量平衡可表示为

其中，

为位移气相，

为气相的体积分数，

是气相体积模量。

Momentumbalanceequations

动量平衡方程

ThemomentumbalanceequationsforthesefluidsareessentiallythegeneralizedDarcy’sflowequations.

Linearmomentumbalanceforthemixture:

Linearmomentumbalancefortheliquid:

Linearmomentumbalanceforthegas:

where

isthetotalstresstensor,

isthegravitationalaccelerationvector,

istheinvertedpermeabilitytensoroftheliquidphase（i.e.,in1-Dkk/wherek=coefficientofpermeabilityofliquid）.

istheinvertedpermeabilitytensorofthegasphase,and

istheKroneckerdelta.Thetotalstresstensorcanbeexpressedintermsofnetstressandporegaspressure

液体的动量平衡方程在本质上是广义达西定律。

混合态的线性动量平衡

液态的线性动量平衡

气态的线性动量平衡

为总应力张量，

是重力加速度矢量，

是液相的反相渗透张量（即，在1-​​D中

，其中，k为液体的渗透系数）。

是气相的反相渗透张量，

为克罗内克增量。

总应力张量可以用净应力（

）和孔隙气压表示。

FINITEELEMENTFORMULATIONANDSIMULATIONTOOL

有限元公式和仿真工具

Thesystemofequations（2through6）whichtakesintoaccounttherelativeaccelerationsandvelocitiesiscalledthecompleteformulation（RavichandranandMuraleetharan,2009）.Thesystemofequationssimplifiedbyneglectingtherelativeaccelerationsandvelocitiesoftheporefluidsiscalledthereducedformulationorsimplifiedformulation（RavichandranandMuraleetharan,2009）.Inthisparticularstudythereducedformulationisusedtogaininitialinsightsintothebehaviorofthepilefoundationsubjectedtoearthquakeshaking.

方程组（2至6式）考虑了相对加速度和速度，因此称为完全方程（RavichandranandMuraleetharan,2009）。

而忽略了相对孔隙流体的加速度和速度的方程组，被称为缩减的方程或简化方程（RavichandranandMuraleetharan,2009）。

在此特定的研究中，简化方程用来初步探求桩基础受到地震震动时的特性。

Reducedformulation

缩减的方程

Thepermeabilitycoefficient