层状分数阶黏弹性饱和地基与梁共同作用的时效研究

饱和地基与梁共同作用问题的研究在力学领域及工程界都具有重要意义. 采用分数阶Merchant模型研究饱和地基的流变固结, 该模型比常用整数阶黏弹性模型更能精确反映地基的时变特征. 基于层状正交各向异性黏弹性饱和地基的固结解答, 采用有限元法与边界元法耦合的方法, 研究梁与分数阶黏弹性饱和地基的共同作用问题. 依据Timoshenko梁理论将梁离散为若干单元, 进而得到梁的总刚度矩阵方程; 将黏弹性地基固结问题的精细积分解答作为边界积分的核函数, 采用边界元法建立地基柔度矩阵方程; 结合梁与地基接触面的位移协调条件以及力的平衡条件, 通过有限元法与边界元法的耦合, 最终求得层状分数阶黏弹性饱和地基与Timoshenko梁共同作用的解答. 将本文地基退化为Kelvin地基进行计算, 并与已有文献中的算例进行对比, 二者具有很好的一致性. 在此基础上, 探讨分数阶次和地基成层性对梁与黏弹性饱和地基共同作用的影响. 结果表明: 分数阶次高的黏弹性饱和地基的固结速率明显更快; 对于层状地基, 加固表层土体能有效控制地基整体沉降, 并减小差异沉降. 实际工程中, 应充分考虑饱和地基流变及土体分层性的影响, 以准确分析梁与地基的共同作用过程.      

平面应变 Biot 固结的解析层元

提出用解析层元法有效地解决任意深度单层土的平面应变 Biot 固结问题. 从 Biot 固结问题的控制方程出发, 采用特征值法在 Laplace-Fourier 变换域内推导出一个精确对称的解析层元刚度矩阵. 通过表示单层土广义力和广义位移之间关系的解析层元, 并结合土层的边界条件, 推导出土层任意点的解答; 物理域内的真实解可以通过 Laplace-Fourier 数值逆变换进一步获得. 通过数值计算验证理论的正确性, 研究了土层性质及时间因素对固结的影响.}      

衰变热源作用下饱和多孔介质热固结问题的扩展精细积分法

热源作用下饱和多孔介质热固结效应是土木及能源工程领域的一个重要课题.由于问题的复杂性,已有的研究大多将介质假定为均匀各向同性,且将热源假定为恒定强度.实际工程中,天然饱和多孔介质常表现出明显的分层特性,热源强度也存在衰变性,为此本工作采用扩展精细积分法对衰变热源作用下层状饱和多孔介质的热固结问题进行研究.借助于积分变换,将饱和多孔介质热固结问题的偏微分方程转化为变换域内的常微分方程;然后对饱和多孔介质微层元进行合并消元,并结合边界条件,推导出衰变热源作用下层状饱和多孔介质热固结问题在积分变换域内的扩展精细积分解;对所得解答进行相应的数值积分逆变换,可获得所求温度、超静孔压及竖向位移在物理域内的解答.基于上述求解过程,编制相应的计算程序进行数值计算,通过与已有文献对比,验证本文扩展精细积分法在求解层状饱和多孔介质热固结问题中的适应性和正确性;最后通过几组算例,分析热源衰变周期、热源埋深及介质的成层性对热固结效应的影响.结果表明:热源衰变周期对温度和超静孔压的峰值、以及达到峰值的时间均有明显影响,衰变周期越长,二者峰值均越大,且达到峰值所需时间越长;热源埋深对超静孔压及竖向位移变化影响显著,深埋热源作用时热源两侧竖向位移呈对称分布,而浅埋热源两侧则无此现象;饱和多孔介质的分层特性对热固结效应影响明显.     

多层地基上轴对称受荷刚性圆板问题

利用刚性圆板表面各点位移相等,并结合刚性圆板与地基表面的位移相容条件与光滑接触条件,经由Hankel变换,推导出了刚性圆板与分层地基表面接触应力的对偶积分方程;求解该对偶积分方程,再由多层地基应力与位移的传递矩阵解,并经Hankel逆变换,得到了多层地基上轴对称受荷刚性圆板问题的解.编制了计算程序,并进行了数值分析与计算.计算结果表明:对均匀地基而言,实际工程的计算分析可只考虑4倍刚性圆板直径以内深度范围内的应力与位移;而地基的分层性对地基的位移和应力有着较大的影响,简单地将均匀地基的结论推广到分层和非均匀地基是不恰当的.     

渗透各向异性可压缩地基固结的平面应变分析

对多层地基的平面应变固结问题进行了研究,并同时考虑了土体的渗透各向异性和孔隙流体的可压缩性.从平而应变Biot固结的控制方程出发,对时间t,坐标z和x进行Laplace和Fourier变换,建立了地基表面(z=O)和任意深度z处的基本量在Laplauce-Fourier变换域内的传递矩阵关系.利用传递矩阵法,结合土层连续条件和边界条件,并应用Laplace-Fourier逆变换技术,推导出渗透各向异性可压缩多层地基平面应变固结的理论解.基于该解,编制了计算程序,并进行了数值计算.讨论了土体的渗透各向异性、孔隙流体的可压缩性以及地基的分层特性对地基同结的影响,分析结果表明:土体的渗透各向异性、孔隙流体的可压缩性,以及地基的分层特性对地基的固结行为有着重要的影响.     

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.     

分层地基上矩形刚性基础的基底反力、沉降和倾斜计算

从直角坐标系下三维弹性力学控制方程出发,通过关于x, y的二维Fourier 变换得到关于z的一阶常微分方程组,运用Cayley-Hamilton 定理得到了单层地基的传递矩阵;然后根据边界条件和层间接触条件,并利用传递矩阵法,得到了分层地基在表面受矩形均布荷载时地基表面的位移解;在此基础上对分层地基上矩形刚性基础的基底反力、沉降和倾斜进行了分析和计算.编制了相应的程序,并将数值计算结果进行了比较和分析.结果表明:土的成层性对基底反力没有影响,但对中心沉降和倾斜影响较大;矩形刚性基础受偏心荷载时,靠近荷载作用一侧的基底反力和沉降均较大.     

渗透各向异性土层的平面应变固结

提出了一种有效的可供选择的分析方法,来研究渗透各向异性多孔弹性土层的平面应变固结问题.从饱和多孔弹性土体的控制方程出发,建立了在Laplace-Fourier变换域内,土层中地基表面(z=0)和深度z处基本变量之间的关系.结合边界条件,得到了变换域内渗透各向异性有限土层的平面应变Biot固结问题的精确解.通过Laplace-Fourier逆变换,得到了物理域内的真实解.平面应变Biot固结土层的数值分析结果显示:渗透各向异性对土层的固结行为,有比较显著的影响.     

State space solution to 3D multilayered elastic soils based on order reduction method

Starting with the governing equations in terms of displacements of 3D elastic media, the solutions to displacement components and their first derivatives are obtained by the application of a double Fourier transform and an order reduction method based on the Cayley-Hamilton theorem. Combining the solutions and the constitutive equations which connect the displacements and stresses, the transfer matrix of a single soil layer is acquired. Then, the state space solution to multilayered elastic soils is further obtained by introducing the boundary conditions and continuity conditions between adjacent soil layers. The numerical analysis based on the present theory is carried out, and the vertical displacements of multilayered foundation with a weak and a hard underlying stratums are compared and discussed.     

Plane strain consolidation of soil layer with anisotropic permeability

This paper presents an alternative analytical technique to study a plane strain consolidation of a poroelastic soil by taking into account the anisotropy of permeability. From the governing equations of a saturated poroelastic soil, the relationship of basic variables for a point of a soil layer is established between the ground surface （z=0） and the depth z in the Laplace-Fourier transform domain. Combined with the boundary conditions, an exact solution is derived for plane strain Biot＇s consolidation of a finite soil layer with anisotropic permeability in the transform domain. Numerical inversions of the Laplace transform and the Fourier transform are adopted to obtain the actual solution in the physical domain. Numerical results of plane strain Biot＇s consolidation for a single soil layer show that the anisotropic of permeability has a great influence on the consolidation behavior of the soils.