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.      

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。     

粘弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞的动力响应分析

基于Biot波动方程,研究分析了粘弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞的动力响应问题．假定衬砌材料为多孔介质,引入了更符合工程实际的半封闭边界条件．通过引入势函数,在Laplace变换域中得到隧洞边界上作用轴对称荷载和流体压力条件下应力、位移和超孔隙水压力的解答．利用Laplace数值逆变换得到时域中的解,分析了隧洞边界的半透水特性对隧洞动力响应问题的影响,结果表明：隧洞边界的半透水特性对应力、位移场的变化和超孔隙水压力的消散有很大的影响,透水和不透水下条件的解仅是本文的两个特例。     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。     

饱和土埋置力源的三维动力Lamb问题解答

基于一组弹性土波动方程，应用Fourier级数展开和Hankel积分变换，得到了三维问题饱和土骨架与孔隙水的应力及位移分量在变换域内的积分形式通解．考虑地基表面透水情形，由边界条件导出了半空间饱和土体在埋置力源作用下的三维动力Lamb问题的解答．给出了埋置水平力作用下地基表面竖向位移、径向位移及周向位移的数值解．该研究为运用边界元法求解饱和地基的动力响应课题奠定了理论基础．     

饱和多孔地基与矩形板动力相互作用的非轴对称混合边值问题

在同一界面的不同区域具有多种边界条件, 称之为混合边界, 这是一个熟知的力学问题. 对这类问题进行精确分析时, 必须要进行混合边值问题的求解. 而对于一般的三维非轴对称情形, 混合边值问题的求解往往存在数学困难. 本文利用Hilbert定理和双重Fourier变换, 给出了一种求解三维非轴对称混合边值问题的解析方法, 利用该方法对具有混合透水边界的饱和多孔地基上矩形板的振动弯曲进行了解析研究(板与地基接触面为不透水边界, 其余为透水边界). 首先, 基于Kirchhoff理论和Biot多孔介质理论建立矩形板与饱和多孔地基的动力控制方程, 进行耦合求解. 针对板土接触面和非接触面的混合边值问题, 采用双重Fourier变换构造出两对二维对偶积分方程, 以接触应力和接触面孔隙压力为基本未知量, 用Jacobi正交多项式将未知量展开, 再利用Schmidt法对二维对偶积分方程完成求解, 最终推导出板土系统在动力作用下的位移和应力解析式. 通过将本文计算模型退化为单一弹性地基, 与已有研究结果进行对比, 验证了本文方法的正确性和有效性. 最后, 通过数值算例, 对饱和多孔地基上矩形板的动力响应及参数影响做出分析和讨论. 此外, 本文提出的解析法具有一般性, 可广泛应用于复杂接触问题和多场耦合问题的求解.      

NON-AXISYMMETRIC MIXED BOUNDARY VALUE PROBLEM FOR DYNAMIC INTERACTION BETWEEN SATURATED POROUS FOUNDATION AND RECTANGULAR PLATE$^{\bf 1)}$

在同一界面的不同区域具有多种边界条件, 称之为混合边界, 这是一个熟知的力学问题. 对这类问题进行精确分析时, 必须要进行混合边值问题的求解. 而对于一般的三维非轴对称情形, 混合边值问题的求解往往存在数学困难. 本文利用Hilbert定理和双重Fourier变换, 给出了一种求解三维非轴对称混合边值问题的解析方法, 利用该方法对具有混合透水边界的饱和多孔地基上矩形板的振动弯曲进行了解析研究(板与地基接触面为不透水边界, 其余为透水边界). 首先, 基于Kirchhoff理论和Biot多孔介质理论建立矩形板与饱和多孔地基的动力控制方程, 进行耦合求解. 针对板土接触面和非接触面的混合边值问题, 采用双重Fourier变换构造出两对二维对偶积分方程, 以接触应力和接触面孔隙压力为基本未知量, 用Jacobi正交多项式将未知量展开, 再利用Schmidt法对二维对偶积分方程完成求解, 最终推导出板土系统在动力作用下的位移和应力解析式. 通过将本文计算模型退化为单一弹性地基, 与已有研究结果进行对比, 验证了本文方法的正确性和有效性. 最后, 通过数值算例, 对饱和多孔地基上矩形板的动力响应及参数影响做出分析和讨论. 此外, 本文提出的解析法具有一般性, 可广泛应用于复杂接触问题和多场耦合问题的求解.     

基于多孔介质理论的饱和土体中圆形隧道洞稳态响应分析

基于饱和多孔介质理论,将土体视为液固饱和两相介质,研究分析了粘弹性饱和土体中圆形隧道洞的稳态响应问题,得到了隧道洞边界作用轴对称荷载时的径向位移幅值、径向应力幅值和孔隙水压力幅值的稳态响应解,研究了渗透系数、阻尼系数对圆形隧道洞稳态响应的影响.     

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.     

饱和土体中压力隧洞衬砌-土相互作用解析研究

基于Biot理论，采用渗流一力学耦合模型研究分析了内水压力作用下饱和土体中压力隧洞衬砌一土的相互作用问题。假定衬砌和土体均为饱和多孔介质，且衬砌和土体完全接触。运用积分变换理论，在hplace变换域中得到了衬砌和土体中的应力、位移和孔隙水压力解答，并利用bplace数值逆变换得到时域中的解。文末的算例分析结果表明：(1)采用渗流一力学耦合模型能较好地反映隧洞衬砌与土体相互作用中应力和变形的随时间变化过程；(2)衬砌和土体的相对刚度对隧洞的计算结果有很大影响。     

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...     

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。     

饱和土中的任意形状孔洞对弹性波的散射

根据Biot波动理论建立了求解饱和土中任意形状孔洞对弹性波散射问题的复变函数方法.首先通过引入位移势函数把稳态条件下的Biot波动方程解耦为势函数所满足的Helmholtz方程.利用分离变量方法即得到Helmholtz方程完备的通解.根据所得位移势函数的通解,可得骨架位移、流体相对骨架的位移、应力和孔压的表达式.通过保角变换方法,把物理平面上的孔洞映射到像平面上单位圆.利用土骨架和流体的边界条件,即可确定波函数展开式中的未知系数.给出了一些数值结果.     

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。     

A 2.5-D dynamic model for a saturated porous medium: Part I. Green’s function

Based on Biot’s theory, the dynamic 2.5-D Green’s function for a saturated porous medium is obtained using the Fourier transform and the potential decomposition methods. The 2.5-D Green’s function corresponds to the solutions for the following two problems: the point force applied to the solid skeleton, and the dilatation source applied within the pore fluid. By performing the Fourier transform on the governing equations for the 3-D Green’s function, the governing differential equations for the two parts of the 2.5-D Green’s function are established and then solved to obtain the dynamic 2.5-D Green’s function. The derived 2.5-D Green’s function for saturated porous media is verified through comparison with the existing solution for 2.5-D Green’s function for the elastodynamic case and the closed-form 3-D Green’s function for saturated porous media. It is further demonstrated that a simple form 2-D Green’s function for saturated porous media can be been obtained using the potential decomposition method.     

Characterization of porous media - pore level

Pore size and pore size distribution are defined, 1-D pore structure models, 2-D and 3-D network models of pore structure are reviewed. Simulation of capillary pressure and relative permeability curves with the help of network models of pore structure is discussed. Pore structure determination from serial sections is outlined. Phase immobilization technique is reviewed.