爆炸波作用下三相饱和土本构研究

基于对爆炸荷载作用下三相饱和土宏观试验现象的综述，并结合以往对饱和土中气体运动规律的分析，对一维爆炸波作用下三相饱和土本构关系进行了描述。     

饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟

应用流体弹塑性力学的框架描述了爆炸荷载作用下饱和土介质的本构模型,包括体积压缩关系和强度关系。应用LS-dyna软件分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题,并与先前完成的试验结果进行了对比,两者吻合较好。饱和土中爆炸波传播的一些特殊现象被重现,表明本构模型的描述是可行的。     

三相饱和水土中爆炸波在障碍物上的反射荷载（Ⅰ）

运用动力有限元方法分析爆炸波作用下三相饱和水土中不动刚性障碍物上的波动荷载。计算结果表明，不动刚性障碍物上的波动荷载不仅与空气含量有关，而且与作用荷载的波形及大小有关。其反射系数不同于非饱和土中的情况，最大反射系数可以远大于２．０。     

三相饱和水土中爆炸波在障碍物上的反射荷载（Ⅰ）

运用动力有限元方法分析爆炸波作用下三相饱和水土中不动刚性障碍物上的波动荷载。计算结果表明，不动刚性障碍物上的波动荷载不仅与空气含量有关，而且与作用荷载的波形及大小有关。其反射系数不同于非饱和土中的情况，最大反射系数可以远大于２．０。     

爆炸荷载作用下三相饱和土中气体运动的几个影响因素分析

三相饱和土中的气体含量是决定爆炸波在其中传播的最重要因素，但目前理论上对其中气体运动的描述还不够准确。对影响三相饱和土应力应变关系递增硬化段气体运动的几个因素，包括表面张力、气泡周围介质的粘性和压缩性等进行了描述，并通过数值分析确定这些因素的影响程度。计算结果表明气泡表面张力和气泡周围介质的压缩性对气体运动的影响可以忽略不计，而气体本身的压缩特性和气泡周围介质的粘性是影响气体运动的主要因素。     

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

水饱和花岗岩本构模型及地下爆炸波的数值研究

采用广义自洽方法描述介质的细观几何结构,基于混合物理论建立了水饱和岩石含损伤弹塑性本构模型,提出了一个适用于爆炸波数值计算的饱和水体积分数演化方程,也即给出了本构关系中的闭合方程.使用Biot有效应力描述水压对岩石强度的影响,在有效应力空间里建立了水饱和岩石剪切屈服和破坏的强度准则,并引入了剪胀效应对强度的影响因子.对地下封闭核爆炸的力学效应开展了数值模拟,系统地研究了含水花岗岩中地下爆炸波的传播特征以及含水量对爆炸应力波传播规律的影响.     

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.      

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。     

两相介质饱和土三维非轴对称稳态响应分析

用积分变换方法分析饱和土三维非轴对称波动方程，用刚度矩阵方法分析层状饱和土三维非轴对称稳态响应。以数值算例对比分析了单相土介质与两相饱和土介质三维非轴对称稳态动力响应。分析中未引入势函数及传统的Helmholtz分解，推导过程及解答均非常简捷，为边界元方法在三维非轴对称饱和土与基础结构动力相互作用研究中的应用奠定基础。     

爆炸冲击波作用下高层建筑基础与地基间的滑移与翘离

本文采用能反映基础与地基间接触面力学特性的弹塑性薄层有限连接单元与二维有限元相结合的方法,探讨了高层建筑在爆炸空气波作用下的动力反应,着重研究了基础与地基间产生的滑移与翘离效应。还探讨了有限元边界条件,结沟、基础与地基材料等因素对结构的动力反应、基础与地基间的滑移与翘离效应的影响。     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

Hybrid-Trefftz displacement element for spectral analysis of bounded and unbounded media

The hybrid-Trefftz displacement element is applied to the elastodynamic analysis of bounded and unbounded media in the frequency domain. The displacements are approximated in the domain of the element using local solutions of the wave equation, the Neumann conditions are enforced directly and the surface forces are approximated on the Dirichlet and inter-element boundaries of the finite element mesh. Two alternative elements are developed to model unbounded media, namely a finite element with absorbing boundaries and an unbounded element that satisfies explicitly the Sommerfeld condition. The finite element equations are derived from the fundamental relations of elastodynamics written in the frequency domain. The numerical implementation of these equations is discussed and numerical tests are presented to assess the performance of the formulation.     

Two-dimensional transient thermo-hydro-mechanical fundamental solutions of multiphase porous media in frequency and time domains

In this paper, the closed form two-dimensional fundamental solutions for a non-isothermal unsaturated deformable porous medium have been derived for a symmetric polar domain in both Laplace transform and time domains. The governing differential equations of the non-isothermal unsaturated soil consist of equilibrium, moisture, air and heat transfer equations including the suction effect, temperature effect and dissolved air in water. The derived fundamental solution has been verified mathematically by comparison with the previously presented corresponding fundamental solutions in three limiting cases including the steady-state thermo-hydro-mechanical, steady-state hydro-mechanical and elastostatic fundamental solutions. Also these 2D kernel functions are tested in comparison with a finite element method (FEM).     

A unified mesh refinement method with applications to porous media flow

A unified algorithm is presented for the refinement of finite element meshes consisting of tensor product Lagrange elements in any number of space dimensions. The method leads to repeatedly refined n-irregular grids with associated constraint equations. Through an object-oriented implementation existing solvers can be extended to handle mesh refinements without modifying the implementation of the finite element equations. Various versions of the refinement procedure are investigated in a porous media flow problem involving singularities around wells. A domain decomposition-type finite element method is also proposed based on the refinement technique. This method is applied to flow in heterogeneous porous media. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法

提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元 方法. 固相位移、应变和净应力；孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度；多相混 合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值. 基于胡海 昌-Washizu 三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式，导 出了单元公式. 采用共旋公式进行几何非线性分析. 数值结果证明了所提出的单元模拟以 应变局部化为特征的渐进破坏的能力     

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.     

压电介质有限变形的增量变分方程

从连续介质力学的基本理论出发，导出了压电介质几种非线性率型变分方程，在定义了各种增量之后，由率型变分方程得到了四种增量变分方程，即压电介质的ＴｏｔａｌＬａｇｒａｎｇｅ和ＵｐｄａｔｅｄＬａｇｒａｎｇｅ变分方程，它们是导出压电介质非线性有限元方程的基础，也可用于推导其它的简化理论。     

条形药包爆炸作用在土中显著影响范围的数值模拟

爆炸固结法是软土地基处理的新方法。为了分析爆炸作用在土中的变化规律,通过有限元方法对单孔条形药包在土中爆炸的数值模拟,在验证计算结果与实测数据的基础上,对地基中单孔条形药包在上覆压力和药量两组爆炸参数下进行模拟对比分析,以解决在不同上覆压力和药量条件下条形药包爆炸作用在土中的显著影响范围。针对条形药包土中爆炸问题,运用ALE算法解决了炸药网格的畸变问题。研究结果表明,上覆压力发挥作用的主要时间不是在爆炸瞬间,而是在爆炸以后的时间段,主要的贡献是对爆炸产生的孔隙水压的消散作用。而炸药的药量对于布置爆炸孔和竖向排水通道的间距影响具有较大影响。