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.     

弹性波在准饱和土和弹性土界面的反射与透射

考虑土颗粒和孔隙流体的压缩性,根据准饱和土体的变形连续条件和平衡条件,推导了P1波(快压缩波)、P2波(慢压缩波)和S波的计算公式．根据Snell定理,研究了平面P1波从准饱和土体入射到弹性土层时在界面上的反射和透射,并绘制了反射系数、透射系数和界面应力、位移随入射角的变化曲线,结果表明:饱和度是影响界面效应的一个重要因素,当饱和度低于99％时,反射和透射系数以及应力和位移基本相等,变化不大,但当饱和度为100％时,虽然饱和度比99％提高了1％,但反射和透射系数以及应力和位移值比饱和度为99％时明显降低．     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

弹性半空间中含粘性滑移界面圆形衬砌洞室对平面SH波的散射

为揭示粘性滑移界面对衬砌洞室地震响应规律的影响,采用一种高精度的间接边界积分方程法,基于粘性滑移界面模型,求解了弹性半空间中浅埋圆形衬砌洞室对入射平面SH波的散射。结果表明:中低频波入射时,随着界面滑移刚度系数的增加,衬砌洞室上方地表位移幅值减小,而界面粘性系数对地表位移反应不明显;衬砌内壁应力幅值随界面滑移刚度系数的增加而增大。高频波入射下,较小的界面粘性系数对地表位移放大效应更为显著;当界面滑移刚度系数较小时,部分频段由于体系共振效应会造成显著的应力集中;高频特别是共振频率段,粘性系数对应力幅值有明显的降幅效应。研究结论可为实际地下工程结构的抗震设计提供部分理论依据。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识.波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行.本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型.在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动.基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系.结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量.应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.     

三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应. 三层流体在界面处的密度发生阶跃, 各层为一常数. 假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋. 在线性势流理论框架下, 使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解. 根据色散关系分析, 得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角. 随着物理参数的变化, 临界角将随之发生变化. 临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性: (1)板覆盖水域入射界面上, 透射波能否存在; (2)入射界面之上界面中, 板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在. 当下界面波入射时并且入射角足够大时, 开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.      

界面上应力波传播规律的动态光弹性试验研究

采用动态光弹性方法,对应力波在杆-杆和板-板双材料连接界面上的反射和透射传播规律展开研究．通过对双材料粘接模型施加冲击载荷作用,采集和分析等差线条纹,计算出最大剪应力值．对于两种试验模型应力波在界面上都以透射为主,对应力波的阻隔作用不明显,这与接触式界面对应力波有较强的阻隔作用有较大区别,在应用界面减弱应力波的作用时应注意区分．试验结果与理论计算结果基本保持一致,并由此证明采用动态光弹性法研究应力波在界面上传播规律的可行性．     

三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应.三层流体在界面处的密度发生阶跃,各层为一常数.假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋.在线性势流理论框架下,使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解.根据色散关系分析,得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角.随着物理参数的变化,临界角将随之发生变化.临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性:(1)板覆盖水域入射界面上,透射波能否存在;(2)入射界面之上界面中,板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在.当下界面波入射时并且入射角足够大时,开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.     

高频振动下岩土颗粒材料动力行为及细观机理

针对高频振动条件下岩土颗粒材料动力响应放大的现象,采用离散元法开展了一系列动双轴数值试验,分析了不同荷载频率下岩土颗粒材料的动力行为及其细观特征．试验结果表明：对于模拟的岩土颗粒材料,在加载频率为30～40 Hz时的动力变形尤其明显,加载过程中塑性变形快速发展,试件内部形成“八”字型剪切带,动刚度显著降低．提出了“竖向分布系数”描述试件内部的局部变形规律,并结合颗粒细观受力特征,探究了试件变形加剧和刚度弱化的细观机理．研究发现相较20 Hz和60 Hz工况,加载频率为40 Hz时试件中下部区域的局部动变形振动幅值明显增大,颗粒处于高度动力非平衡态,颗粒体系的排列结构和接触力剧烈调整,使得试件变形加剧、承载性能显著弱化．     

梯度密度黏弹性材料的波传播研究

梯度密度黏弹性材料中波的传播比较复杂。为了研究其在冲击载荷作用下黏弹性响应特征,基于控制方程的Euler形式,利用Laplace变换,得到了这种材料中的波传播规律的一个理论公式;并据此分析了双层周期性黏弹性介质中的应力情况。选择具有梯度密度特性的钛-硼化钛（Ti-TiB₂）材料和碳纤维树脂材料,采用不同的叠合方向和方式,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）加载装置进行了动态冲击实验,并用三波法对得到的实验结果进行处理。同时,采用数值Laplace逆变换方法,结合SHPB测得的入射波与透射波数据,使用推导的理论公式计算出理论解,并与实验结果进行了比较。结果表明:（1）梯度钛-硼化钛材料由于内界面和叠层界面的存在,表现出一定的黏性特性;单层Ti-TiB₂材料的计算结果和三波法分析得到的结果基本一致,双层Ti-TiB₂材料叠合后的计算结果与三波法分析结果存在一定的差异。（2）双层碳纤维树脂材料表现出较强的黏弹性特征,应力波的衰减幅度较大,三波法分析结果与该材料的冲击性能有较大的差异。由此可知,无论是细微观结构特征产生的黏性,还是材料本身的黏性,对材料动力学行为的影响都不可忽略。。     

黏弹性地基上功能梯度材料板的振动分析

为研究黏弹性地基上功能梯度材料板的自由和强迫振动特性,基于Reddy高阶剪切变形理论以及由Shen导得的广义Karman型方程,用双重Fourier级数法推导了三参数黏弹性地基上四边简支功能梯度材料板自由振动和动力响应的解析解,计算了各模态自振频率和半波冲击载荷作用下的动力响应,讨论了材料组分指数、黏弹性地基参数、边厚比等因素对自由振动和动力响应的影响.结果表明,黏弹性地基的剪切和压缩刚度显著提升了功能梯度材料板的振动频率,减小了动力响应;另外,地基的黏性对振动频率和动力响应也有一定的影响.     

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.     

考虑面内破坏过程的含分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应

基于复合材料层合板一阶剪切理论，推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式；同时采用了Adams应交能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法，构造了相应的阻尼阵列式；为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象，建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析的分层分析模型和虚拟界面联接模型。在上述模型和理论基础上，采用了Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法，对含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了动力响应和破坏分析。通过算例，分别讨论了外载频率、分层位置，以及破坏过程的刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征的影响，得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

基于Lord-Shulman理论的热弹性波在偶应力三明治固体中的反射和透射

在温度急剧变化、短时间极速加热等极端情况下,基于Fourier定律的热流矢量与温度梯度成正比关系的经典热传导理论不能准确描述其物理过程．经典热弹性理论的热传导方程是抛物型的,而广义热弹性理论包含双曲型方程,热将以具有有限传播速度的波动形式传播．本文基于Lord-Shulman广义热弹性理论和修正偶应力弹性理论,得到在偶应力热弹性固体中四种色散波,研究热弹性波的传播和在偶应力固体三明治结构中的反射透射问题,重点研究横波入射时偶应力参数和热弛豫时间对各种热弹性耦合波反射透射系数的影响．     

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。     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

双介质耦合刚性基弹性层平面应变型导波模式及界面散射能量分配

过渡段动力稳定性问题已成为制约400 km/h及以上高铁路基设计的关键难题,亟需从波动和能量的角度探究由基础非均匀引发的线路系统动力响应放大机理.文章将轨下基础简化为上表面自由、底端固定的刚性基弹性层,将高铁过渡段车致弹性波传播问题提炼为非均匀介质刚性基弹性层中波的散射问题,建立双介质耦合刚性基弹性层平面应变模型,优化该类波导结构频散方程在复平面求根方法,并结合岩土类介质特征展开刚性基弹性层频散分析,以明确其多模式导波特性及散射能量分配,最后,围绕弹性层厚度、刚度比等影响因素开展对比分析.结果表明:刚性基弹性层各模式导波均具有截止频率,弹性层厚度越小,杨氏模量越大,各阶导波模式的截止频率越高;入射波在双介质刚性基弹性层发生散射后,透射场基阶模式导波会占据主体能量,随着高阶导波模式被逐一激发,反射场及透射场高阶模式能量占比会在全频率范围呈现“此消彼长”状态;交换两侧弹性层材料,改变弹性层厚度及两弹性层刚度比不会显著改变能量分布规律,但总体来看,能量更易集中在较软侧弹性层中,各模式导波在激发初始频段会更为活跃,可分配到更多能量.     

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.