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。     

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。     

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。     

黏弹性准饱和土中球空腔动力特性

在频率域内研究了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中球空腔的稳态动力响应. 通 过引入与孔隙率有关的应力系数合理地确定了介质和孔隙水共同承担的内水压力值. 将土骨 架和衬砌分别视为具有分数导数本构模型的黏弹性体和多孔柔性材料, 基于Biot两相介质模 型, 通过引入位移势函数解耦得到了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中半封闭球 形空腔的位移、应力和孔隙水压力解析表达式. 考察了物性和几何各参数对球形空腔动力响 应的影响, 结果表明: 分数导数本构模型更合理地描述了土体的动力学行为; 饱和度对应力 和孔隙水压力影响较大, 而对位移影响较小.     

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。     

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.     

内部荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答

考虑土与衬砌结构的动力相互作用,本文研究了内源荷载作用下,圆柱形孔洞的动力响应问题.将土体和衬砌结构视为弹性均匀介质,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,得到土体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,可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.分析了土中圆形衬砌结构的动力响应随土体和衬砌结构参数的变化规律.     

黏弹性土层中单桩纵向振动的对比分析

在频率域内研究了黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性.将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于黏弹性理论,采用平面应变模型给出了分数阶导数黏弹性土层的动力阻抗.考虑桩纵向振动时的横向惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,得到了桩头动力复刚度和导纳的解析表达式.通过数值计算,分析了不同模型土条件下桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的动力响应.同时,研究了Rayleigh-Love和Euler-Bernoulli两种模型桩动力特性的差异.分析了桩-土界面连续性模型和相对滑移模型对黏弹性土层中桩纵向振动的影响.结果表明:1随着阶数和材料参数比的增加,桩头刚度因子和阻尼明显减小;2对于大直径桩,随着外荷载激励频率的增加,桩横向效应对刚度因子和阻尼有显著影响.3连续性模型条件下桩头的刚度因子和阻尼在共振时的振幅小于相对滑移模型条件.     

分数阶黏弹性Pasternak地基上两端固支Timoshenko梁的动力响应

本文研究了放置在黏弹性Pasternak地基上的Timoshenko梁在移动载荷作用下的动力响应行为．首先，引入分数阶导数，将整数阶标准固体黏弹性地基模型推广为分数阶标准固体黏弹性模型．对于Pasternak地基，考虑压缩层是黏弹性的而剪切层仍是弹性的情况，给出了地基反作用力．然后，求解了Timoshenko梁的自由振动解，获得含黏性耗散信息的复固有频率及振型函数．在此基础上用振型叠加法分析了在移动简谐荷载作用下梁的位移响应．在数值算例中，给出了不同分数阶导数、地基黏性系数以及载荷移动速度下梁的动态响应，讨论了黏弹性地基对梁的动态响应的影响规律．     

考虑拉压不同模量压力隧洞应力和位移弹性解

岩石拉压弹性常数并不相同.基于拉压不同模量理论,考虑衬砌和围岩模量差异性,推导了压力隧洞的应力、位移新解及围岩弹性抗力表达式,并分析了模量差异对压力隧洞力学行为的影响.结果表明,新解可退化为经典解答;径向应力新解大于经典解,而切向应力则反之,位移经典解小于新解;围岩弹性抗力系数随压拉模量比增大呈抛物线变化.衬砌和围岩模...     

存在定流量汇项的分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结解析

采用半解析方法对外部荷载和内部汇项共同作用所诱发的分数阶导数黏弹性饱和土一维固结特性进行了研究。首先,将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt黏弹性模型以表征饱和黏土的流变性;然后利用Laplace积分变换,解析求解了Laplace变换域内存在外部荷载和内部汇项的分数阶导数Kelvin-Voigt黏弹性饱和土体一维固结微分方程;并采用Crump数值解法实现Laplace数值逆变换,从而得到了物理空间一维固结问题的半解析解。将所得半解析解与经典弹性饱和土体一维固结的解析解及均布荷载(无内部汇项)所诱发的分数阶导数黏弹性饱和土一维固结的解析解进行了对比,验证了本文半解析解的有效性。最后开展了参数研究,讨论了分数阶导数阶次、固结系数和汇项强度对饱和黏土固结行为的影响。结果表明:分数阶导数阶次主要影响固结发展速率,分数阶导数阶次越大,饱和黏土达到固结稳定所需的时间越短;固结系数对存在内部汇项诱发的固结问题的影响与传统由荷载诱发的固结问题的影响不同。固结系数、汇项强度和汇项位置均主要影响饱和黏土的最终沉降量,固结系数越大,最终沉降量越小;汇项强度越大或汇项位置离透水边界越远,固结沉降量越大。且存在汇项后,双面排水条件下的最终沉降量小于单面排水条件下的最终沉降量。     

分数阶黏弹性土层中分数阶三维轴对称桩的竖向振动

将桩基和土体视为三维连续介质,桩基和土体的应力一应变关系采用分数阶黏弹性模型描述。在三维轴对称情况下,利用三维弹性理论和连续介质力学理论,运用分离变量法和分数阶导数的性质,得到了分数阶黏弹性土层中分数阶黏弹性桩基的三维轴对称解;并分析了相关参数对桩顸动态刚度和等效阻尼的影响。研究结果表明：与土体相比,桩基的相关参量对桩顶复刚度的影响较大;桩基和土体的密度比、模量比对桩顶复刚度都有较大的影响。     

黏弹性半空间体内部作用水平力时的理论分析

研究假定半无限体为线性黏弹性介质,土体在内部水平集中力作用下的应力球张量和应变球张量之间符合弹性关系,而应力偏张量和应变偏张量之间符合三参数固体黏弹性应力应变关系.利用半空间体内部受水平向集中力的Mindlin弹性理论解,根据弹性--弹黏性相应原理,系统推导了水平集中力作用在半无限体内部时的应力与位移分量的黏弹性解.通过对应力与位移分量在拉氏域内的解答进行Laplace逆变换,给出了应力与位移分量的时域解.作为黏弹性解答的应用,基于上述解答给出了水平向均布荷栽下作用在半空间体内部时的黏弹性位移计算公式,并编制了便于工程应用的计算程序.结果验证与深埋锚板的算例分析表明,本文的理论解答对实际工程具有一定的理论及应用价值.     

饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型研究

针对饱和超固结黏性土现有下加载面修正剑桥模型中破坏应力比为定值、土体黏聚力为零,以及不能准确反映不同应力状态下土的强度差异这些问题,基于三剪统一强度准则以及应力坐标平移法得到了扩展破坏应力比,其特点是能更好地反映应力状态变化以及土体黏聚力的影响。在此基础上提出了饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型,该模型的特点是能描述土体受力时的中间主应力效应,应力区间效应和拉压差影响,同时也能更好地考虑土体黏聚力的影响。基于该模型对ABAQUS软件进行了二次开发,并利用其模拟了饱和超固结黏性土在排水和不排水条件下的真三轴和常规三轴压缩试验特性。对常规三轴压缩条件下土体力学特性作了模拟和试验结果对比。结果表明所提模型能很好地反映不同超固结比下土体的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性。     

饱和地基任意形状衬砌内部均布突加荷载作用下的动力响应

地下衬砌结构经常会受到内部动荷载的作用,内荷载引起的衬砌结构的动应力集中备受关注.论文利用波函数展开法和Laplace变换,推导了饱和土中突加荷载作用下衬砌结构和土体的位移、应力、孔压表达式.应用复变函数和保角变换,将任意形状边界映射为圆形边界,利用饱和土和衬砌结构的连续条件和边界条件,求得了任意形状衬砌结构的动力响应...     

一类质量—黏弹性弹簧系统的简谐受迫振动

研究一类质量－弹簧系统的简谐受迫振动。弹簧为黏弹性材料，其特性由分数导数型本构关系描述。求出了系统的稳态响应，并讨论了材料黏性系数对幅频特性的影响。     

基于分形导数对非牛顿流体层流的数值研究

非牛顿流体具有复杂的流变特性,揭示该流变特性可以更加合理地指导非牛顿流体在工农业生产中的应用.经典的非牛顿流体本构模型往往形式复杂,仅能应用于某些特定的情况.分数阶导数模型具有参数少和形式简单的特点,己成功地应用于描述非牛顿流体的运动.Hausdorff分形导数作为一个备选的建模方法,相比分数阶导数具有更简单的形式以及更高的计算效率.本文基于Hausdorff分形导数改进现有牛顿黏性模型,提出分形黏壶模型.通过研究分形黏壶在常应变率下表观黏度的变化情况,以及在加、卸载条件下的蠕变及恢复特性,发现分形黏壶模型适合于描述具有黏弹性的非牛顿流体(本文称之为分形流体).结合连续性方程及运动微分方程,推导出分形流体在平行板间层流的基本方程.按是否拖动上板和是否存在水平的压力梯度分为3种工况,分别用数值方法计算这3种工况下流速在板间的分布及其随时间变化的情况.通过分析不同工况下的流速分布,发现水平的压力梯度会改变流速随时间变化的形状,且会推迟流速到达稳定的时间.在水平压力梯度不存在的情况下,不同阶数的分形流体具有相同的流速分布或是演变过程.另外,在水平压力梯度存在的情况下,上板速度不影响不同阶数分形流体间稳定速度的差值.     

岩土介质参数对圆形衬砌隧道三维瞬态动力响应的影响

研究内源爆炸荷载作用下各参数对"地下生命线"工程动力特性的影响,对其抗爆防爆设计具有重要意义。本文基于已有的饱和多孔介质中圆形衬砌隧道的三维瞬态动力响应解答,利用Fourier和Lαplαce逆变换数值方法,编写计算程序分析了内爆荷载作用下的Biot参数和衬砌参数对动力响应的影响。结果表明:①饱和土环向应力幅值对Biot参数α的改变较为敏感,最大环向应力幅值(α=1.0)约是最小环向应力幅值(α=0.4)的2.4倍;②当M~*0.1时,饱和土体受力状态近似于干孔状态,孔隙水压力趋于0,土体动力响应不再受孔隙水的影响;③黏性耦合参数b~*对动力响应的幅值有较明显的影响,对衰减速度影响不大,但当b~*100时,饱和土的动力响应基本不再受b~*的影响;④衬砌厚度、衬砌与土体的相对刚度对衬砌动力响应影响显著。     

分数阶微分流变模型圆形硐室黏弹塑性分析

基于分数阶微分黏弹塑性流变模型,同时考虑受硐室掌子面影响的围岩应力释放效应,根据Laplace变换、分数阶微积分理论、Mittag-Leffler函数,推导了圆形硐室黏塑性区半径、应力、位移的理论解。将理论解与西原本构模型解进行对比,证明了分数阶模型解的合理性。分析结果表明:黏塑性区半径、洞壁环向应力的分数阶微分模型解和西原模型解随时间最终都趋于稳定,两种解法在稳定前有一定差异,稳定后大小相同;一定范围内,掌子面对围岩变形具有一定抑制作用,越靠近掌子面,黏塑性区半径和洞壁径向位移越小;流变特征对硐室围岩黏塑性区环向应力的影响较大,离硐室圆心越近,影响效果越明显,而黏塑性区径向应力和黏弹性区环向应力、径向应力受围岩流变的影响较小。     

任意圈层径向非均质土中桩的纵向振动特性

研究三维轴对称条件下径向非均质土中桩的纵向振动. 首先将桩周土体沿径向分为任意圈层来考虑土体的径向非均质性,每个圈层土体均质; 然后结合边界条件和相邻圈层土体之间接触面上位移和应力连续条件,对任意圈层土体动力平衡方程由外而内逐层求解,进而利用桩-土完全耦合条件求解桩动力平衡方程,得到桩顶的频域响应解析解和时域响应半解析解; 最后通过对土体主要控制参数的研究,得出了土体径向非均匀性对桩-土动力响应的影响.