不可压饱和粘弹性多孔介质的变分原理及其无网格模拟

基于饱和多孔介质理论,在固相和液相微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,建立了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应的若干Gurtin型变分原理,包括Hu-Washizu变分原理.利用所建立的变分原理,导出了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应无网格数值模拟的离散控制方程,此方程是一个关于时间的对称微分方程组,便于分析计算.作为数值例子,研究了流体饱和粘弹性多孔柱体的一维动力响应,数值结果揭示了流体饱和粘弹性多孔柱体中波的传播特性以及固相粘性的影响.     

一维流体饱和粘弹性多孔介质层的动力响应

本文研究了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层的一维动力响应问题。基于粘弹性理论和多孔介质理论，在流相和固相微观不可压、固相骨架服从粘弹性积分型本构关系和小变形的假定下，建立了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层一维动力响应的数学模型，利用Laplace变换，求得了原初边值问题在变换空间中的解析解，并利用Laplace逆变换的Crump数值反演方法，得到原动力响应问题的数值解。数值研究了饱和标准线性粘弹性多孔介质层的动力响应，分析了固相位移、渗流速度、孔隙压力及固相有效应力等的响应特征。结果表明，与不可压流体饱和弹性多孔介质相同，不可压流体饱和粘弹性多孔介质中亦只存在一个纵波，并且固相骨架的粘性对动力行为有显著的影响。     

流体饱和多孔介质的动力学Gurtin型变分原理和有限元模拟

基于多孔介质理论。在两相不可压和小变形的假设下，建立了流体饱和弹性多孔介质的动力学Gurtin型变分原理，并导出了以此变分原理为基础的有限元离散公式，由于Gurtin型变分原理是卷积型的空间积分泛函，空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分—积分方程组，在一般条件下。该积分—微分方程组可转化为对称的微分方程组，这组方程有别于标准Galerkin有限元的非对称离散方程组，作为数值例子，分析了流体饱和弹性多孔介质中一维纵向波的传播和反射，其结果进一步揭示了饱和多孔介质中波的传播特性。     

不可压流体饱和多孔弹性梁的变分原理及有限元方法

基于不可压饱和多孔弹性梁动力弯曲的数学模型,建立了以多孔弹性梁挠度和孔隙流体压力等效力偶为宗量的Gurtin型变分原理,并给出了特殊边界条件下解耦时的仅以挠度为宗量的变分原理.同时,作为动力响应的退化情形,讨论了拟静态情形下的相应变分原理.根据所建立的变分原理,导出了一个有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是关于时间的卷积型的泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分一积分方程组,此方程组可进一步转化为常微分方程组.利用隐式Euler法,给出了时间区域的计算格式.作为一个数值例子,分析了饱和多孔弹性悬臂梁在自由端简谐载荷作用下的动力响应,分析了流相与固相相互作用对饱和多孔弹性悬臂梁动力响应的影响.     

流体饱和标准线性粘弹性多孔介质中的平面波

研究了流体饱和不可压标准线性粘弹性多孔介质中平面波的传播和反射问题．在固相骨架小变形的假定下,得到了粘弹性多孔介质中波动方程的一般解,讨论了弥散关系和波的衰减特性．结果表明：在流体饱和不可压粘弹性多孔介质中,仅存在一个耦合纵波和一个耦合横波,纵波和横波的波速、衰减率等取决于孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架本身的粘性．同时,研究了半空间自由边界上入射波(纵波、横波)的反射问题。得到了非均匀反射波的波速、反射系数、衰减率等的表达式及其相关的数值结果．     

饱和黏弹性多孔介质中的平面波及能量耗散

研究了流体饱和不可压黏弹性多孔介质中的非均匀平面波及其能量流和能量耗散规律. 在流 相和固相物质微观不可压、固相骨架宏观服从积分型本构关系和小变形的假定下，利用 Helmholtz分解，得到了饱和黏弹性多孔介质中非均匀平面波的一般解以及纵波、横波相速 度和衰减率等的解析表达式，分析了平面波传播矢量和衰减矢量之间的关系. 数值结果表明 孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架的黏性对波的相速度、衰减率等有着显著的 影响. 同时，得到了饱和黏弹性多孔介质的能量方程，给出了能量流矢量和能量耗散率. 对 非均匀平面纵波和横波，推导了平均能量流矢量和平均能量耗散率的解析表达式.     

不可压饱和多孔弹性简支梁的动力响应

在杆件弯曲小变形的假定下,考虑杆件的侧向变形因素,根据多孔介质理论,本文首先建立了不可压饱和多孔弹性梁弯曲变形时动力响应的控制方程。其次,基于所建立的控制微分方程,利用变量分离法,研究了两端可渗透的饱和多孔弹性简支梁在梁中间集中载荷作用下的动力响应,得到了不同物性参数下简支梁动态弯曲时挠度和孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线。研究发现由于孔隙流体和固相骨架的相互作用,不可压饱和多孔弹性梁挠度的动力响应具有粘性特征,同时,随着时间的增加,饱和多孔弹性梁的挠度、弯矩等最终趋于经典弹性梁的静挠度、弯矩,此时,孔隙流体压力为零,梁的固相骨架承担所有的外载荷。     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。     

饱和不可压多孔弹性板在面内扩散下的动力弯曲理论

根据多孔介质理论,在Kirchhoff假定和小变形前提下,针对流体的面内扩散情形,建立了饱和不可压多孔弹性板动力弯曲的数学模型.然后,利用Fourier展开法研究分析了阶梯载荷作用下四边简支透水矩形多孔弹性板的拟静定和动力弯曲响应,考察了不同参数下多孔弹性板的挠度、孔隙流体压力等效弯矩和固相有效应力等效弯矩的变化规律和特征.同时,通过基于Biot三维固结理论所建立的动力弯曲模型,比较了可压与不可压情况下其结果的差异.     

不可压饱和多孔Timoshenko梁动力响应的数学模型

基于饱和多孔介质理论,假定孔隙流体仅沿梁的轴向运动,论文建立了横观各向同性饱和多孔弹性Timoshenko梁动力响应的一维数学模型,通过不同的简化,该模型可分别退化为饱和多孔梁的Euler-Bernoulli模型、Rayleigh模型和Shear模型等.研究了两端可渗透Timoshenko简支梁自由振动的固有频率、衰减率和阶梯载荷作用下的动力响应特征,给出了梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线,并与饱和多孔弹性Euler-Bernoulli简支梁的响应进行了比较,考察了固相与流相相互作用系数、梁长细比等的影响.可见,固相骨架与孔隙流体的相互作用具有粘性效应,随着作用系数的增加,梁挠度振动幅值衰减加快,并最终趋于静态响应,Euler-Bernoulli梁的挠度幅值和振动周期小于Timoshenko梁的挠度幅值和周期,而Euler-Bernoulli梁的弯矩极限值等于Timoshenko梁的弯矩极限值.     

GURTIN VARIATIONAL PRINCIPLE AND FINITE ELEMENT SIMULATION FOR DYNAMICAL PROBLEMS OF FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Based on the theory of porous media,a general Gurtin variational principle for theinitial boundary value problem of dynamical response of fluid-saturated elastic porous media isdeveloped by assuming infinitesimal deformation and incompressible constituents of the solid andfluid phase.The finite element formulation based on this variational principle is also derived.Asthe functional of the variational principle is a spatial integral of the convolution formulation,thegeneral finite element discretization in space results in symmetrical differential-integral equationsin the time domain.In some situations,the differential-integral equations can be reduced to sym-metrical differential equations and,as a numerical example,it is employed to analyze the reflectionof one-dimensional longitudinal wave in a fluid-saturated porous solid.The numerical results canprovide further understanding of the wave propagation in porous media.     

GURTIN-TYPE VARIATIONAL PRINCIPLES FOR DYNAMICS OF A NON-LOCAL THERMAL EQUILIBRIUM SATURATED POROUS MEDIUM

Based on the porous media theory and by taking into account the effects of the pore fluid viscidity, energy exchanges due to the additional thermal conduction and convection between solid and fluid phases, a mathematical model for the dynamic-thermo-hydro-mechanical coupling of a non-local thermal equilibrium fluid-saturated porous medium, in which the two constituents are assumed to be incompressible and immiscible, is established under the assumption of small deformation of the solid phase, small velocity of the fluid phase and small temperature changes of the two constituents. The mathematical model of a local thermal equilibrium fluid-saturated porous medium can be obtained directly from the above one. Several Gurtin-type variational principles,especially Hu-Washizu type variational principles, for the initial boundary value problems of dynamic and quasi-static responses are presented. It should be pointed out that these variational principles can be degenerated easily into the case of isothermal incompressible fluid-saturated elastic porous media, which have been discussed previously.     

非饱和多孔介质有限元分析的基本控制方程与变分原理

本文在对问题研究现状进行阐述的基础上较系统地给出了骨架可变形非饱和多孔介质的全耦合分析模型，模型中考虑了孔隙气体，水（油）流动对介质力学性能的影响，多孔介质的饱和度，渗透系数与毛吸压力的关系，由实验给出，所导出的控制方程以固体骨架的位移与孔隙流体压力为基本未知量，由于问题的非自共轭特征，文中构造了非饱和介质动力问题的参数变分形式，并在此基础上给出有限元离散方程。     

饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合方法

建立了饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合计算方法.将饱和多孔介质视为由固体骨架和孔隙水组成的两相体,其基本方程包括动力平衡方程和渗流连续方程.基于u-p假定和更新的Lagrange方法,饱和多孔介质的动力平衡方程在空间域内采用有限元方法进行离散,而渗流连续方程在空阃域内则采用有限体积法进行离散.通过两个数值算例,一维有限弹性固结和动力荷载作用下堤坝动力响应的计算,验证了该方法的有效性.     

川藏公路地质环境与整治改建方案的思考

川藏公路由于地质环境复杂、建设标准低、后遗病害多,抗灾能力差,泥石流、滑坡、山崩、雪害、水毁等自然灾害频繁发生,公路阻车断道严重。国家投入巨资进行整治改建,并取得了明显的效果,但由于自然环境特殊、影响因素复杂,许多特大型、大型工程地质病害问题还没有可行、可靠的解决方案。本文通过分析川藏公路沿线的地质环境和灾害特点,总结历年整治改建和经验的教训,提出川藏公路建设的途径、可能达到的目标和应采用的原则。