深埋圆柱形隧洞黏弹性衬砌-土系统稳态振动的解析解

衬砌和土体具有黏弹性性质.将土骨架和衬砌结构视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究了深埋圆柱形隧洞衬砌和土体系统的动力特性.基于黏弹性理论,根据界面连续性条件,分别得到了黏弹性土体和衬砌结构的径向位移、应力等的解析表达式.在此基础上,对比分析了经典弹性土和弹性衬砌系统、分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性.考察了土体和衬砌的模量比、衬砌厚度、分数导数阶数、材料参数比对系统动力响应的影响.结果表明:经典弹性土和弹性衬砌系统与分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性存在较大差异.随着分数导数阶数的增加,衬砌的径向位移和环向应力幅值明显减小;土体的黏性对系统动力特性的影响大于衬砌黏性的影响.     

半封闭分数导数粘弹性衬砌隧道的频域响应

混凝土衬砌具有粘弹性性质,以往的经典Kelvin模型、弹性理论和壳体理论都不能刻画其蠕变的全过程。本文基于饱和多孔介质理论,在频率域研究了轴对称荷载和流体压力作用下饱和粘弹性土中半封闭分数导数型衬砌隧洞的稳态动力响应。在引入隧洞部分透水边界条件的基础上,通过分数阶导数粘弹性模型描述衬砌的应力—位移本构关系,并利用衬砌内边界以及接触面的连续性条件,得到了饱和土和衬砌的应力、位移和孔压解答。考察了分数导数阶数、材料参数以及衬砌和土体相对渗透系数的影响。研究表明：分数导数阶数对系统响应影响较大,且依赖于衬砌的材料参数。另外,相对渗透系数对系统响应的影响很大。     

饱和土和衬砌相互作用的圆形隧洞动力特性

利用 Darcy 渗透定律,通过引入衬砌和土体的相对渗透系数,建立了隧洞边界部分透水条件。将土骨架视为具有分数导数粘弹性本构关系的粘弹性体,基于 Biot 理论,通过界面连续性条件在频率域内给出了简谐轴对称荷载或流体压力作用下饱和粘弹性土-弹性衬砌系统耦合振动时饱和土、衬砌的位移、应力、孔隙水压力表达式,并通过算例分别考察了简谐轴对称荷载、流体压力作用下的分数导数阶数、材料参数比、渗透系数对系统的径向位移幅值 U 、孔隙水压力幅值P 的影响,结果表明：随着分数导数阶数和材料参数比的增加,系统的响应幅值逐渐减小;随着渗透系数κ的增加,轴对称荷载作用下的土体位移幅值和孔隙水压力幅值逐渐减小,当κ大于100时,U 和 P 值无明显变化,流体压力作用下的土体位移幅值和孔隙水压力幅值逐渐增大,当κ大于1时, U 和 P 值无明显变化。     

准饱和黄土中暗穴水动力扩展响应的研究

为分析强降水过程中暗穴扩展机理,在野外调查资料的基础上,建立了准饱和黄土暗穴的扩展计算模型,概化为弹性准饱和土层中无限长圆柱形孔洞表面受水压力的动力响应问题。通过引入势函数,得到了Lap lace变换域中的应力、位移及孔隙水压力的解析表达式,并利用数值逆变换方法求得时域解,分析了降雨历时及饱和度等因子对暗穴动力响应的影响。结果表明,水动力是引起黄土暗穴扩展的主要因素,水压力作用历时对位移及应力有较大的影响,同时饱和度的细微变化对径向位移有显著影响。     

基于非局部理论的分数阶黏弹性场地地震放大效应分析

基于非局部理论和分数阶导数理论,研究上覆黏弹性场地土的地震放大效应。利用Eringen非局部理论考虑土体颗粒尺度等非局部效应的影响,通过分数阶黏弹性本构模型刻画场地土的应力应变本构关系,建立基于非局部理论的分数阶黏弹性场地土的振动微分方程;考虑分数阶导数的性质和黏弹性场地土的边界条件,得到了简谐地震波作用下黏弹性场地土的位移和剪切应力的解析解,并在频率域内给出了位移放大系数和应力放大系数的表达式;最后通过数值算例分析了非局部效应、分数阶导数的阶数和土体黏性参数等对黏弹性场地地震放大效应的影响。数值分析结果表明,在低频时位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线存在波动,高频时逐渐趋于稳定;非局部效应对场地土位移放大系数的影响与频率有关,对应力放大系数的影响较大,在研究场地土振动效应时有必要考虑土体非局部效应的影响;分数阶导数的阶数越小,位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线波动越大;场地土的力学性质对场地土的振动效应的影响较大;上覆场地土的黏性对位移放大系数的影响与频率有关,高频时,土体黏性越大,位移放大系数越大;越接近基岩,土体的应力放大系数越大,且土体深度对应力放大系数的影响越大。     

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程，分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球 面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式. 在应力表达形式上，固相 介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成，它们分别与质点的位移和速度成正比， 因此，可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧------黏滞阻尼器，用来模拟人工边 界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用，从而形成了流体饱和多 孔介质的黏弹性动力人工边界. 流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通 用软件结合，用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题. 算例表明流体饱和多 孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性.     

轴对称热-力埋置载荷下半空间饱和孔隙介质的动力响应

基于修正的Biot热弹性本构理论,得到了饱和多孔介质热-力耦合的动力学控制方程.针对半空间孔隙介质在内置简谐热-力轴对称载荷作用下的动力问题,利用Hankel变换获得了响应的解析表达式,并利用Han-kel逆变换进行数值求解,分析了埋置深度、表面热边界条件等对响应的影响规律.结果表明:孔隙水压力在载荷作用处上方有负压出现;环向、径向及竖向应力在载荷作用处发生突变,且在载荷作用处上方均出现拉应力;在载荷作用处下方,孔隙水压力及竖向、径向和环向应力均随着深度的增大而减小.当内置热载荷仅设置温差,而无外热源输入时,温差对孔隙介质中的响应几乎不产生影响.当孔隙介质表面绝热时,孔隙水压力小于表面等温情况下的值.     

黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞的频域响应

研究了无限黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞(有衬砌)表面受轴对称简谐荷载和流体压力 作用下的频域响应问题. 引入Carcione提出的本构模型来描述介质的流变和松弛性质. 考 虑衬砌和介质的相对渗透性，孔洞处于半封闭状态，边界半透水. 引入两个势函数，在频域 中得到了应力、位移和超孔隙水压力响应解答. 并进行了算例分析，讨论了反映介质黏弹 性性质的最小质量因子，反映孔洞边界半透水性质的渗透性参数及衬砌和介质的相对刚度对 问题的影响. 分析结果表明：以上参数对圆柱孔洞的频域响应有很大影响.     

饱和多孔黏弹地基热-水-力耦合动力响应分析

天然土体由于沉积条件和应力状态不同, 往往会表现出一定的流变性. 本文研究地基上表面受外载荷作用时, 渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理论, 并引入了考虑黏弹性松弛时间因子的Kelvin-Voigt黏弹性模型研究地基上表面受热/力源作用时, 孔隙率和渗透系数变化对均质各向同性饱和多孔黏弹性地基中所考虑的各无量纲量的影响. 根据不同的边界条件采用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度的解析表达式, 结合算例分析了不同变量对各物理量的影响. 正则模态法是一种加权残差法, 可不经正、反积分变换将方程快速解耦并消除数值反变换的局限性. 结果表明: 无论何种载荷作用时, 载荷频率变化对所有考虑的物理量均有明显的影响; 孔隙率和渗透系数均对无量纲超孔隙水压力有明显的影响, 当仅考虑热载荷作用时, 孔隙率和渗透系数变化对无量纲温度均无影响. 正则模态法可广泛应用于岩土工程领域, 尤其适用于商业建筑、高速铁路和公路能源基础的热、力学特性研究中. 该研究结果可为工程施工奠定一定的理论基础, 具有一定的指导性意义.      

孔隙率各向异性下饱和多孔弹性地基动力响应

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.      

基于分数导数本构的粘弹性土层—隧洞衬砌系统的稳态动力响应

将混凝土衬砌材料视为具有分数导数本构的粘弹性体,在频率域研究了深埋圆形隧洞粘弹性土的稳态动力响应。利用衬砌的内边界条件和混凝土衬砌与土体界面处的连续性条件,得到了粘弹性土体和衬砌稳态振动的应力和位移解析解。进行了隧洞衬砌厚度、土体阻尼比、本构阶数、材料参数比等对土体的位移和应力幅值影响的算例分析,结果表明:材料参数比对系统动力特性有较大影响,随着材料参数比的增加,位移和应力幅值减小;随着土体的阻尼比、衬砌厚度的增加,位移和应力幅值减小;当材料参数比Tσ/Tε=3时,随着分数导数阶数增大,响应幅值减小。     

饱和土中球空腔的瞬态动力响应

采用工程上通用的饱和土力学模型,考虑流体与固全之间的耦合作用,利用Ｌａｐｌａｃｅ变换求解了饱和土中球空腔的瞬态动力响应问题,得到了变换域内的解析解,借助数值Ｌａｐｌａｃｅ换求解了饱和土中球空腔瞬态动力响应的位移、应力及孔压的变化规律,为分析地下结构瞬态动力响应提供了一种有效的方法,模型符合工程实际,有一定的工程应用价值。     

Lamb's integral formulas of two-phase saturated medium for soil dynamic with drainage

When dynamic force is applied to a saturated porous soil,drainage is common.In this paper,the saturated porous soil with a two-phase saturated medium is simulated,and Lamb's integral formulas with drainage and stress formulas for a two-phase saturated medium are given based on Biot's equation and Betti's theorem(the reciprocal theorem).According to the basic solution to Biot's equation,Green's function Gij and three terms of Green's function G4i,Gi4,and G44 of a two-phase saturated medium subject to a concentrated force on a spherical coordinate are presented.The displacement field with drainage,the magnitude of drainage,and the pore pressure of the center explosion source are obtained in computation.The results of the classical Sharpe's solutions and the solutions of the two-phase saturated medium that decays to a single-phase medium are compared.Good agreement is observed.     

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

Lamb＇s integral formulas of two-phase saturated medium for soil dynamic with drainage

When dynamic force is applied to a saturated porous soil, drainage is common. In this paper, the saturated porous soil with a two-phase saturated medium is simulated, and Lamb＇s integral formulas with drainage and stress formulas for a two-phase saturated medium are given based on Biot＇s equation and Betti＇s theorem （the reciprocal theorem）. According to the basic solution to Biot＇s equation, Green＇s function Gij and three terms of Green＇s function G4i, Gi4, and G44 of a two-phase saturated medium subject to a concentrated force on a spherical coordinate are presented. The displacement field with drainage, the magnitude of drainage, and the pore pressure of the center explosion source are obtained in computation. The results of the classical Sharpe＇s solutions and the solutions of the two-phase saturated medium that decays to a single-phase medium are compared. Good agreement is observed.     

利用强夯模拟试验研究饱和砂土强夯动本构关系

饱和土是孔隙中充满水的松散介质, 在强夯冲击荷载作用下的变形是非线性变形, 因此, 饱和土强夯动本构关系有其特殊性。本文利用具有 90年代先进水平高精度、高灵敏度的MTS810土动三轴仪对强夯加固饱和土地基进行了全面、系统的模拟试验, 试验按模型比设计, 试验条件与实际土体工况符合, 通过多组不同条件的组合试验, 获得了大量强夯数据, 在此基础上结合强夯现场试验对强夯过程中各种变量的变化过程及其相互关系进行了分析研究, 推导出强夯冲击荷载作下饱和土的动本构关系, 对强夯作用下土体动本构关系问题作出了有益的探索。     

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.