半空间饱和土中圆形衬砌对弹性压缩波的散射

借助于Biot 波动理论和弹性波的传播理论,采用复变函数和多级坐标法,对半空间饱和土中圆形衬砌结构对弹性稳态压缩波的散射问题进行求解和分析。利用一个半径很大的圆弧来逼近半空间直边界,将待解问题转化为稳态弹性压缩波在一个大圆孔和一个弹性衬砌结构的散射问题。通过引入势函数,将饱和土的Biot波动方程和衬砌的弹性波动方程解耦成Helmholtz 方程,借助复变函数级数展开便可以预先写出该组Helmholtz方程的通解。然后,通过引用复变量,把饱和土和衬砌结构中的应力、位移及孔压用设定的势函数表示出来,再利用半空间饱和土和衬砌结构的连续性条件和近似直边界的圆弧边界和衬砌内边界的边界条件求解出该组势函数的特解。最后,利用势函数的特解,得到饱和土中的位移,应力和孔压及衬砌结构的位移和应力;变换不同的参数求解衬砌结构内外边界的动应力和孔压的集中系数,通过对算例结果的分析得出一系列有益的结论。     

饱和土中任意形状衬砌对稳态压缩波的散射

采用不同的复平面间的保角映射法,对无限饱和土中任意形状的多孔衬砌结构对弹性压缩波的散射问题进行了研究。首先,通过引入位移势函数将饱和土和衬砌两种介质的Biot波动方程解耦成6个Helmholtz方程,并求出复平面极坐标下相应势函数的通解;之后,利用两个复平面间的极角变换关系,得到位移、应力和孔压在映像平面上势函数表达式。在此基础上,将原像平面中任意形状的衬砌内外边界处的边界条件代入到映像平面中圆环势函数的关系式中,从而求出饱和土中衬砌介质在弹性稳态体波作用下产生的动态响应。最后通过具体算例,变换不同的入射角及介质参数得出相应数值解及规律。     

P波作用下饱和土中输流管道动力响应

根据Biot波动理论,采用复变函数与多级坐标法,求解了P波作用下饱和土体中地下输流管道的波动散射方程,分析了管道中流体介质性质、入射波角度及管道埋深等对地下输流管道周边动应力集中系数及孔压集中系数分布的影响。计算结果表明：在低频弹性波入射时,管道周边动应力集中系数及孔压集中系数分布相对均匀,而随入射频率的增加,其分布变得复杂化,但其峰值有所减小;中低频波入射作用下,管道内为水、石油介质时,动应力集中系数和孔压集中系数较空气介质时小,而在高频波作用时情况相反;对于管道内流体介质为水时,随着入射角度的变化,应力集中分布也沿一定角度的方向发生转动,入射波自管道下方垂直入射时,管道周边动应力集中系数峰值相对较大;随埋深的增加,动应力集中系数和孔压集中系数均呈震荡减小的趋势。     

SH波对无限介质土中衬砌结构的动应力集中

运用复变函数法和保角映射法对无限介质土中的衬砌结构进行分析.通过引入两个势函数将弹性介质的控制方程解耦成两个Helmholtz方程.利用所得势函数的通解,得到无限土介质和衬砌结构的位移和应力的表达式,利用无限介质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,可确定波函数展开式中的末知系数,并给出动应力集中系数的数值结果.     

饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射

在 Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,首次建立了求解饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面 P 波散射问题的波函数展开法。首先。分析了具有圆柱形孔洞的饱和土半空间场地在平面 P 波入射下产生散射波系,并将入射波和散射波的波函数在圆柱坐标下展开。然后,引入边界条件,求出散射波函数的待定系数,从而,得到饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射问题的解析解。根据所得的波函数的解,可求解区域内的位移、应力的值,同时,分析了入射波频率、入射角对柱面上的应力集中因子的影响。     

SH波作用下各向异性弹性半空间中浅埋圆孔附近的动应力集中研究

研究了稳态水平剪切（SH）波作用下含有圆柱形孔洞的各向异性弹性半空间的动力响应问题,探讨介质的各向异性对孔附近动应力的影响规律。运用复变函数和多极坐标方法在变换空间中构造出各向异性弹性半空间中圆孔的散射波函数,所构造的散射波函数能够自动满足半空间水平表面上应力自由的边界条件和无穷远处的Sommerfeld辐射条件。根据圆孔表面应力自由的边界条件,采用最小二乘法求解所构造的散射波函数的系数。分析了SH波以不同角度自弹性半空间内入射时,不同介质特性、入射波数和埋深对圆孔附近动应力集中系数的影响。数值结果表明,各向异性弹性半空间中孔附近的动应力比各向同性情况有明显增高。     

简谐荷载作用下饱和土体中圆形衬砌隧道三维动力响应分析

研究了全空间饱和土体中圆形衬砌隧道在径向简谐点荷载作用下的三维动力响应,将衬砌用无限长圆柱壳来模拟,土体用Biot饱和多孔介质模型来模拟,引入两类势函数来表示土骨架的位移和孔隙水压力,并利用修正Bessel方程来求解各势函数,结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答,最后进行Fourier逆变换得到时间-空间域内的响应。通过算例分析了荷载振动频率和土体渗透性对土体和衬砌位移响应及土体孔压的影响。结果表明,饱和土体和弹性土体的位移响应具有明显区别。随着荷载频率的增大,土体和隧道位移幅值减小,土体孔压幅值增大;随着土体渗透性增大,土体位移及孔压幅值减小。     

基于球面波势函数基本解方法的弹性波三维散射与动应力求解

针对弹性波三维散射和动应力集中问题,提出一种基于球面波势函数的基本解方法(SWP-MFS)。方法基于单层位势理论,采用膨胀波和矢量剪切波球面波势函数构造散射波场,根据边界条件建立边界积分方程并配点求解。精度检验表明,该方法具有良好的数值精度及稳定性。以无限空间中三维夹杂体及空洞对平面P、SV波的散射为例,进行方法展示,并揭示了三维夹杂体周围弹性波散射的一些重要规律。结果表明:三维夹杂体随其内部介质刚度降低,位移谱曲线震荡越加强烈。三维球形空洞在P波和SV波水平入射下应力集中规律不同,前者在顶部和底部及附近更明显,后者在纵截面两45°角线附近更明显。与以往的集中力源函数相比,新的波场构造基本解更为简洁易用,为三维弹性波动分析提供了一种新型无网格数值方法。     

非均布列车荷载作用下软土路基的振动分析

基于实测资料,假设列车轮载经钢轨传递下来的荷载由5根枕木承担。根据分担比,获得了道渣层表面非均布荷载的表达式。将道渣层视为单相弹性介质,软土地基被看成是考虑水土耦合作用的饱和多孔介质。借助势函数,利用Helmholtz矢量分解法及Fourier变换技术分别对弹性土体和饱和半空间土体进行求解,得到非均布移动荷载作用下软土地基位移、应力及孔压响应在变换域内的精确解答。利用FFT算法得到了数值结果,详细分析了荷载分布形式、观察点位置、道渣性质以及软土地基渗透系数对动力响应的影响。研究结果表明：高速情况下动力响应与低速情况有很大不同;对于软土路基,应特别注意列车高速运行时路基浅层范围内产生的孔压响应。     

准饱和土中圆柱形衬砌的瞬态动力响应分析

内源瞬态荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答是土动力学的经典问题之一。已有研究大都假设孔洞周围土体为理想弹性介质或完全饱和多孔介质。然而,实际工程中不存在完全弹性和完全饱和土体。分别视衬砌结构和周围土体为弹性材料和准饱和多孔介质（饱和度 95%）,根据牛顿第二定律、达西定律和Biot波动理论推导出准饱和土体的控制方程。根据边界条件导出衬砌和土体的位移、应力和孔隙压力的Laplace变换空间的解答。利用反Laplace变换数值计算方法,将解答转换为时域解。分析了饱和度对衬砌位移、应力和孔压的影响,结果表明,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较小;99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较大;但饱和度对孔隙压力的影响远大于对径向位移和切向应力的影响。得出位移、应力和孔压沿径向的衰减规律,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较小,99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较大,但饱和度对孔压沿径向的衰减影响远大于对径向位移和切向应力沿径向的衰减。     

The method of fundamental solution for 3‐D wave scattering in a fluid‐saturated poroelastic infinite domain

By using a complete set of poroelastodynamic spherical wave potentials (SWPs) representing a fast compressional wave P_I, a slow compressional wave P_II, and a shear wave S with 3 vectorial potentials (not all are independent), a solution scheme based on the method of fundamental solution (MFS) is devised to solve 3‐D wave scattering and dynamic stress concentration problems due to inhomogeneous inclusions and cavities embedded in an infinite poroelastic domain. The method is verified by comparing the result with the elastic analytical solution, which is a degenerated case, as well as with poroelastic solution obtained using other numerical methods. The accuracy and stability of the SWP‐MFS are also demonstrated. The displacement, hoop stress, and fluid pore pressure around spherical cavity and poroelastic inclusion with permeable and impermeable boundary are investigated for incident plane P_I and SV waves. The scattering characteristics are examined for a range of material properties, such as porosity and shear modulus contrast, over a range of frequency. Compared with other boundary‐based numerical strategy, such as the boundary element method and the indirect boundary integral equation method, the current SWP‐MFS is a meshless method that does not need elements to approximate the geometry and is free from the treatment of singularities. The SWP‐MFS is a highly accurate and efficient solution methodology for wave scattering problems of arbitrary geometry, particularly when a part of the domain extends to infinity.     

Dynamic response of a non-circular lined tunnel with visco-elastic imperfect interface in the saturated poroelastic medium

A semi-analytical method is proposed to investigate the dynamic response of a non-circular tunnel with visco-elastic imperfect interface in poroelastic medium. Biot’s dynamic theory is used to simulate the saturated poroelastic medium, and the governing equations are solved by reducing them into three Helmholtz equations that the potential functions satisfy. The visco-elastic interface model with elastic and viscosity coefficients is adopted to analyze the interface effect around the non-circular lined tunnel. The analytic solutions of displacements and stresses are expanded in terms of wave functions. Some numerical examples are provided to analyze the effect of visco-elastic interface on the dynamic stress around the tunnel.     

运动荷载附近有限层厚软土地基的振动研究

基于Biot多孔弹性介质的波动理论,研究了运动荷载附近软土地基的振动问题。假设一条形均布荷载作用在地基表面,则该模型可视为平面应变问题进行分析。通过引入4个势函数和Helmholtz原理,并利用Fourier变换及逆变换技术,获得了运动荷载作用下软土地基的应力、位移和孔隙水压力的解答。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,分析了荷载速度,频率以及软土的渗透系数及多孔弹性参数对运动荷载作用下地表竖向位移及土体中任一点孔隙水压力分布的影响。     

波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

移动环形荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧洞动力响应研究

基于Biot理论,研究了饱和土中带有衬砌的圆形隧洞在移动环形荷载作用下的动力响应。假定衬砌为弹性体,土体为饱和多孔介质,引入两类势函数来表示土体、孔隙水和衬砌的位移,使隧洞的控制方程解耦。结合边界条件及连续条件,通过傅立叶变换得到频率-波数域中衬砌和土体的应力、位移和孔隙水压力解答,最后用傅立叶积分逆变换得到时-空域中的数值解。计算并比较了3种隧洞模型（弹性土体隧洞、饱和土体隧洞和饱和土衬砌隧洞）的动力响应分析。数值分析结果说明：（1）移动荷载速度对3种隧洞动力响应均具有较大影响;（2）弹性土体隧洞和饱和土体隧洞的动力响应具有明显区别,所以在富水地区的隧洞动力响应中土体应该视为饱和土体;（3）衬砌对隧洞动力响应有较大影响,故隧洞的动力分析中不能忽略衬砌作用。