横观各向同性饱和介质非轴对称动力响应分离变量解

首先将横观各向同性饱和弹性多孔介质非轴对称问题的Biot波动方程,变换为适宜于进行分离变量法求解的形式;然后在非轴对称简谐激励下,用分离变量法得到Biot方程的一般解,即用分离变量法求得了多孔介质位移和应力分量的解析表达式;并给出了半空间横观各向同性饱和弹性多孔介质在表面竖向简谐荷载作用下表面竖向位移的数值分析结果,得出载荷对30倍受载半径以外的区域几乎无影响的结论。同时表明了本文的分析方法是切实可行的。     

层状横观各向同性饱和土的非轴对称动力响应

通过方位角的Fourier变换，将圆柱坐标系下横观各向同性饱和土的Biot非轴对称波动方 程转化为一组一阶常微分方程组. 然后基于径向Hankel变换,建立问题的状态方程；求解状态方程后,得到传递矩阵. 进而利用传递矩阵，结合饱和层状地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解 了任意震源力作用下层状横观各向同性饱和地基频域动力响应问题. 时域解可通过频率的Fourier积分得到.     

成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法

地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少.本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法.该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达.典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.     

成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法

地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少. 本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法. 该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达. 典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.      

层状层电介质空间轴对称问题的状态空间解

从横观各向同性压电介质空间轴对称问题的基本方程出发,建立了压电介质空间轴对称问题的状态变量方程,对状态变量方程进行Hankel变换,得到以状态变量表示的单层压电介质在Hankel变换空间中的解,讨论了3种不同特征根的情况,利用提出的解得到了半无限压电体在垂直集中载荷和点电荷作出下的Boussinesq解。利用传递矩阵方法导出了多层压电介质空间轴对称问题解一般解析式。     

横观各向同性饱和层状地基的三维稳态动力响应

首先引入状态向量,将直角坐标系下横观各向同性饱和土的Biot波动方程转化为一组状态方程,然后基于双重Fourier变换,求解了状态方程,得到传递矩阵.进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了横观各向同性饱和层状地基的稳态动力响应问题.     

饱和土地基的非轴对称固结

固结问题是土力学的基础课题之一，现有的研究主要针对饱和土的平面固结和轴对称固结问题。本文应用Fourier展开、Laplace变换和Hankel变换求解了各向同性饱和土的Blot固结方程；讨论了半空间各向同性饱和土的非轴对称固结。借助数值计算，本文的方法可以用于分析各向同性饱和土的非轴对称固结问题。     

流体饱和多孔弹性柱体动力响应的微分求积法

基于多孔介质混合物理论,在小变形的假设下,建立了两相不可压流体饱和多孔介质弹性空间轴对称问题的控制方程。在空间域和时间域内分别采用微分求积方法和二阶向后差分格式来离散控制方程,给出了处理对称轴处奇异性条件的方法,并在空间离散后采用消元法来缩减未知量,提高计算速度。作为应用,分析了流体饱和弹性多孔介质圆柱体的动力响应,考察了所布节点数对数值结果的影响。     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

垂直受荷群桩在半空间饱和土中的稳态反应

研究了均质半空间饱和土中群桩在垂直稳态荷载作用下的动力反应问题。半空间饱和土采用Biot提出的三维波动原理。将桩看作是一维的弹性杆单元。利用圆形简谐载荷作用下的Biot固结方程的基本解和桩土之间的变形协调条件得到饱和土中群桩的第二类Fredholm积分方程,群桩的动力阻抗采用动力相互作用因子的方法。分析桩距等参数对群桩阻抗、轴力和孔压等的影响。本文的方法可以用于计算层状饱和土中群桩的动力反应问题。     

A new analytical solution to axisymmetric Blot''s consolidation of a finite soil layer

A new analytical method is presented to study the axisymmetric Blot's consolidation of a finite soil layer. Starting from the governing equations of axisymmetric Blot's consolidation, and based on the property of Laplace transform, the relation of basic variables for a point of a finite soil layer is established between the ground surface (z= 0) and the depth z in the Laplace and Hankel transform domains. Combined with the boundary conditions of the finite soil layer, the analytical solution of any point in the transform domain can be obtained. The actual solution in the physical domain can be obtained by inverse Laplace and Hankel transforms. A numerical analysis for the axisymmetric consolidation of a finite soil layer is carried out.     

A Numerical Method for Wave Propagation in Viscoelastic Stratified Porous Media

This paper presents a numerical method, a transmission matrix method, for the wave propagation in viscoelastic stratified saturated porous media. The wave propagation in saturated media, based on Biot theory, is a coupled problem. In this stratified three-dimensional model we do the Laplace transform for the time variable and the Fourier transform for the horizontal space coordinate. The original problem is transformed into ordinary differential equations with six independent unknown variables, which are only the function of the coordinate of depth. Thus, we get a transmission matrix of the wave problem for each layer. In the process of solution we use numerical method to calculate the eigenvalues and the eigenvectors of the transmission matrices. In the first step of the solution process we can obtain the wave field in the transformed space. The fast Fourier transform (FFT) method is used to do the inverse Laplace and the inverse Fourier transforms to get the solution in the time space. The detailed formulae are derived and some numerical examples are given.     

考虑在地基固结和流变的上部结构和地基基础的共同作用问题

本文提出一种能同时考虑地基的瞬时变形,团结变形和流变的地基基础与上部结构共同作用的一种新的计算方法,在这种方法中,土的计算考虑了Biot固结理论和流变,上部结构利用子结构法进行凝聚可得边界刚度矩阵和边界力,利用位移协讯条件则可以得到共同作用的控制方程,对上述方程进行Laplace变换,可以得到Laplace变换域内的控制方程,在Laplace变换域内对上述方程进行数值求解并进行相应的Laplace逆变换则可以得到时间境内任意时刻的解。     

The state vector methods for space axisymmetric problems in multilayered piezoelectric media

The state vector equations for space axisymmetric problems of transversely isotropic piezoelectric media are established from the basic equations. Using the Hankel transform, the state vector equations are reduced to a system of ordinary differential equations. An analytical solution of the problems in the Hankel transform space is presented in the form of the product of initial state vector and transfer matrix. The transfer matrices are given for the three distinct eigenvalues. Applications of the solutions are discussed. An analytical solution for the transversely isotropic semi-infinite piezoelectric media subjected to concerted point loads on the surface z=0 is presented in the Hankel transform space. Using transfer matrix and the continuity conditions at the layer interfaces, the general solution formulation of N-layered transversely isotropic piezoelectric media is given. A selected set of numerical solutions is presented for a layered semi-infinite piezoelectric solid.     

流固耦合介质轴对称动力问题解法的改进

用直接求解常微分方程组解文［１］所得的控制方程，减少了传递矩阵计算工作量，避免了子阵求逆，使问题的求解得到了简化     

非均质流固耦合介质轴对称动力问题时域解

将地基视为流固两相介质并考虑其非均质成层特性，推导了多层地基动力问题时域解．文中首先建立了一组解耦的两相介质动力控制方程；而后利用Ｌａｐｌａｃｅ－Ｈａｎｋｅｌ变换推导了单层地基象空间初参数解答；再利用初参数法及传递矩阵技术导出了任意多层地基瞬态解的一般解析算式．本文获得的解答可方便地退化为现有理想弹性介质的解答     

A new analytical solution to axisymmetric Biot＇s consolidation of a finite soil layer

A new analytical method is presented to study the axisymmetric Biot＇s consolidation of a finite soil layer. Starting from the governing equations of axisymmetric Blot＇s consolidation, and based on the property of Laplace transform, the relation of basic variables for a point of a finite soil layer is established between the ground surface （z= 0） and the depth z in the Laplace and Hankel transform domains. Combined with the boundary conditions of the finite soil layer, the analytical solution of any point in the transform domain can be obtained. The actual solution in the physical domain can be obtained by inverse Laplace and Hankel transforms. A numerical analysis for the axisymmetric consolidation of a finite soil layer is carried out.     

Analytical solution to one-dimensional consolidation in unsaturated soils

This paper presents an analytical solution of the one-dimensional consolidation in unsaturated soil with a finite thickness under vertical loading and confinements in the lateral directions. The boundary contains the top surface permeable to water and air and the bottom impermeable to water and air. The analytical solution is for Fredlund＇s one-dimensional consolidation equation in unsaturated soils. The transfer relationship between the state vectors at top surface and any depth is obtained by using the Laplace transform and Cayley-Hamilton mathematical methods to the governing equations of water and air, Darcy＇s law and Fick＇s law. Excess pore-air pressure, excess pore-water pressure and settlement in the Laplace-transformed domain are obtained by using the Laplace transform with the initial conditions and boundary conditions. By performing inverse Laplace transforms, the analytical solutions are obtained in the time domain. A typical example illustrates the consolidation characteristics of unsaturated soil from an- alytical results. Finally, comparisons between the analytical solutions and results of the finite difference method indicate that the analytical solution is correct.     

竖向荷载作用下半透水边界固结问题解

本文基于Biot固结理论,采用积分变换的方法,获得了竖向点荷载、环形荷载作用下半透水边界固结问题基本解,并求得圆形分布荷载作用下的固结解,计算分析了圆形分布荷载作用下的竖向位移、总应力和孔压的时间效应。