基于薄层法和移动坐标系法的地铁竖向振动在成层土层中传播

针对地铁竖向振动在成层地基中的传播,提出了移动荷载作用下层状地基的分析模型。基于该模型,利用狄拉克函数及三重傅里叶变换将时空域内单个移动简谐荷载转换为频率-波数域内的荷载,结合薄层法和移动坐标系法推导了单个移动简谐荷载和移动简谐线荷载作用下三维层状地基动力响应的解析解,并给出了移动简谐线荷载动力响应解析解中参数n的经验取值范围;分析了荷载的移动速度对层状地基动力响应的影响以及弹性模量、泊松比、阻尼比和荷载频率对土体临界速度的影响。结果表明：荷载的移动速度对不同频带的动力响应的影响范围不同;移动速度对低频响应的影响程度大于对高频响应的影响程度;相比于泊松比和阻尼比,弹性模量对土体临界速度的影响最大;频率越接近荷载振动频率的振动响应,其幅值越大,临界速度越小。     

列车运行时由轨道不平顺引起的地基振动研究

采用半解析法研究了列车荷载作用下列车-轨道-饱和地基系统的耦合振动问题。研究模型共分为3部分：车体简化为一个多刚体系统,在车轮与钢轨之间引入线性Hertizian弹簧接触模型模拟轮轨动力相互作用、采用离散轨枕支撑的弹性Euler梁来模拟轨道系统、下卧土体采用多孔饱和半空间模型。列车荷载分为轴重和由轨道不平顺引起的轮轨动力相互作用力。采用Fourier变换分别求解各子系统的控制方程,并通过动力子结构法对各子系统进行耦合。土体在时域内的动力响应通过快速Fourier变换求得。在分析了轮轨动力相互作用力的基础上,研究了轮轨动力作用力和列车轴重作用下饱和地基的动力响应,并分析了轨枕间距和土体渗透系数对饱和地基振动响应的影响。研究表明,轮轨动力作用力对地基远场振动有重要贡献,同时枕木间距对轨道与地基振动响应有较大影响。     

交通荷载下横观各向同性土的Biot固结分析

在竖向荷载和切向荷载共同作用下,求解了具有下卧基岩的横观各向同性土的Biot固结问题。首先,基于Biot固结理论得到控制方程,同时引入3个状态变量;然后,对时间t进行Laplace变换和对半径r进行Hankel变换。利用Laplace-Hankel联合积分变换求解状态方程,得到交通荷载作用下横观各向同性土骨架位移、孔隙水压力等的一般积分形式解。结合算例验证了该方法的正确性,并分析了切向荷载和竖向荷载共同作用下对横观各向同性土层沉降和孔压的影响,可以发现切向荷载和竖向荷载共同作用所产生的前期沉降明显小于竖向荷载单独作用的情况。为了更好地模拟实际情况,竖向荷载还采用正弦循环荷载。在循环荷载作用下,沉降变化周期滞后于荷载周期。     

饱和半空间瞬态加载衬砌隧道的动力响应研究

工程中,地下衬砌隧道会遇到水压破裂压力、爆炸及突然开挖等瞬态荷载作用,将这些荷载理想化为作用在衬砌内边界上的均布瞬态荷载,研究圆柱形衬砌隧道在突加荷载、阶跃荷载和三角形脉冲荷载作用下的动力响应规律。根据Biot波动理论推导出半空间饱和介质的控制方程;视衬砌结构为弹性材料导出衬砌结构的控制方程。用极大半径凸圆弧近似半空间直边界,采用Graff加法公式进行坐标变换,将直角坐标表示的通解转化为极坐标表示的通解。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变换域的解答。利用反Laplace变换数值计算方法,将解答转换为时域解,得出3种瞬态荷载作用下衬砌隧道地面位移峰值、衬砌应力和孔隙压力的分布规律。     

地铁列车振动作用下近距离平行隧道的弹塑性动力响应

利用有限元数值方法,对地铁列车振动荷载作用下近距离平行隧道结构的二维弹塑性动力响应进行模拟,分析了单列列车荷载以及双列列车荷载作用下土体-隧道结构体系的加速度和内力响应时程曲线。研究表明,列车动力荷载作用下的内力值要比无列车荷载作用下的内力值有较大程度的增加;在单列列车荷载作用下,另一相邻平行隧道的加速度响应、弯矩、轴力峰值要比列车运行所在隧道相应点处的响应值要小;在双列列车荷载作用下隧道结构体系动力响应值要比单列列车荷载作用下的动力响应值有显著增加。     

移动荷载下黏弹性半空间体上双层板的动力响应

采用黏弹性半空间体上无限大双层板模型模拟路面结构,通过三重Fourier积分变换得到单位脉冲荷载作用下路面动力响应的Green函数。根据线性系统的叠加原理,利用广义Duhamel积分推导出移动荷载作用下路面动力响应的解析解。采用自适应Simpson法编制了计算奇异、振荡函数的广义积分计算程序,完成了路面动力响应从波数-频率域到时间-空间域的转换。结合算例,对移动荷载作用下路面的振动规律进行研究,讨论上、下层板厚度和板材料的弹性模量对路面动力响应的影响,明确了路面结构的振动特性,研究结果可为路面结构的设计、施工提供理论指导。     

列车荷载下上覆弹性层横观各向同性饱和地基的动力响应

基于Biot多孔弹性介质的波动理论,构造了轨道、道碴、枕木及弹性层的横观各向同性饱和地基在列车荷载下的动力计算模型。利用Fourier变换,得到了列车荷载作用下横观各向同性软土地基上弹性层动力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,分析了荷载速度、地基的各向异性参数、弹性层刚度系数及厚度对位移和孔压响应的影响。分析结果表明：弹性层对控制地基振动作用显著,地表振动幅值随荷载速度的增加而增大,软土的横向弹性模量对地表振动及土中孔压有较大影响。     

冲击荷载作用下软土隧道结构热-流-固耦合动力响应分析

爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。     

横观各向同性饱和地基三维瞬态Lamb问题

研究了横观各向同性饱和土地基在地表动力荷载作用下的三维瞬态响应。基于饱和多孔介质的三维Biot波动理论,利用Laplace变换,建立圆柱坐标系下横观各向同性饱和土的波动方程;解耦波动方程后,根据算子理论,并借助Fourier展开和Hankel变换技术,得到瞬态荷载作用下,饱和土介质的土骨架位移和应力、孔隙水相对位移和孔隙水压力的一般解;利用一般解,给出横观各向同性饱和地基在地表集中荷载激励下的瞬态Lamb问题的解答。数值算例结果表明,采用各向同性饱和介质的动力学模型,不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的瞬态动力特性。     

埋置简谐扭转荷载作用下广义Gibson饱和地基动力响应

考虑地基为饱和半空间,研究了广义Gibson饱和地基内作用简谐扭转动荷载时地基的动力响应问题。从Biot饱和地基固结理论出发,结合扭转振动的特点,建立了剪切模量随深度线性变化的饱和地基扭转振动的动力微分方程,通过Hankel变换求解此微分方程,给出了Hankel变换域内的切向位移和剪应力关于待定系数的表达式。根据饱和地基表面为自由表面,荷载作用面位移连续、剪应力差等于动荷载大小,波的辐射条件等边界条件求解出待定系数,借助Hankel逆变换给出地基内的位移和应力的表达式。通过数值算例研究发现:在同一水平面内,地基内的切向位移和剪应力曲线的实部和虚部都呈现出非常明显的波动变化规律;在竖向平面内,动荷载作用面上部区域内随深度逐渐增大时,地基内切向位移和剪应力曲线的实部逐渐增大,而在动荷载作用面下部区域则正好相反;扭转动荷载的影响范围主要是荷载作用面上下2倍半径区域。     

饱和土表面在水平集中荷载作用下的瞬态反应

分析了水平集中荷载作用在半空间饱和土表面时的瞬态问题。利用Laplace-Hankel变换对非轴对称Biot固结方程进行解耦，利用Laplace-Hankel数值逆变换得到半空间饱和土在时域内的数值解。退化到线弹性中的解与文献中的结果进行比较，验证了文中结果的正确性和数值逆变换的可靠性.可以用于研究地震工程中地震波的传播以及饱和土与结构之间相互作用等问题。     

Surface load dynamic solution of saturated transversely isotropic multilayer half-space

This paper treats the dynamic response of a multilayered transversely isotropic fluid saturated poroelastic half-space under surface time-harmonic traction. The governing system of partial differential equations is uncoupled with the use of a set of physically meaningful and complete potential functions that decompose different body waves in a saturated poroelastic transversely isotropic medium. After expressing the equations in the Hankel-Fourier domain, a proper algebraic factorization is applied to generate reflection and transmission matrices for decomposed waves. All responses including displacements, stresses, and pore fluid pressure for both general patch load and point load are presented in the form of semi-infinite line integrals. The verification of the method is confirmed with the degeneration of the solutions presented here to the existing solutions for dried both homogeneous and multilayered elastic half-spaces as well as poroelastic half-space. Selected numerical results are depicted to investigate the effects of layering and pore pressure on responses of a transversely isotropic poroelastic medium. The load distribution effects are studied by comparison of the patch and point load responses. Also, resonance notion and effective parameters on this phenomenon such as layering system and anisotropy contrast are discussed. Significant influence of materials and layering configuration on number and amplitude of resonances depicted through the numerical evaluation.     

黄土暗穴对路面结构变形响应的影响分析

基于动力学基本方程,运用有限单元法（FEM）和NEWMARK隐式积分方法,对动荷载（FWD荷载）作用下路基下伏黄土暗穴对路面结构变形响应的影响进行了弹塑性数值分析。考虑到人工截断边界上波反射对计算结果的影响,分别用传递边界和半无限单元来处理侧面和底面边界。主要考虑了动荷载周期、暗穴洞径和埋深3个影响因素,并在计算结果的基础上分析总结了它们对路面结构变形响应的影响规律。     

A hybrid element method for dynamics of piles and pile groups in transversely isotropic media

A hybrid analytical-numerical method is proposed for the dynamic analysis of single piles and pile groups embedded in semi-infinite transversely isotropic media. In the method proposed, the soil-pile system is modeled using finite elements combined with massless rigid radiation discs representing pile-soil-pile interaction. The elasto-dynamic response of the radiation discs buried at different depths in a transversely isotropic half-space is analytically derived in a transform domain using a set of complete potential functions. A Boussinesq-type loading distribution is introduced to act on the disc region to achieve the proper mode of deformation at the cross sections of piles. Numerical results and comparisons with known analytical/numerical solutions are presented, demonstrating the application of the method.     

对称荷载正多边形孔洞弹性应力解析逼近方法

提出一种简单有效的计算方法,求解对称荷载作用下含正多边形孔洞无限平面体的弹性应力解。将孔洞内边界向两侧延伸至应力可忽略的远处,其外侧构成半无限平面体。相邻两个半无限平面体有一个公共域,其中一个半无限平面体顶边延伸至相邻两个半限平面体体内。孔洞内边界上面力是已知的,延伸至两相邻半无限平面体体内的顶边上面力可先假设,由弹性理论求出半无限平面体体内应力,再计算相邻半无限平面体顶边上面力,根据对称性得到本半无限平面体顶边上面力改进值,迭代求解直至收敛。该方法具有计算过程简单、精度高等优点。算例分析表明,该方法求解的工程尺度下孔洞周边应力场与复变函数方法、有限元方法计算结果吻合,拟合计算的孔边角点处应力奇异性次数与理论解基本一致。     

变荷载作用下轴对称饱和半空间均质地基Biot固结分析

基于Biot固结理论,对随时间变化的变荷载作用下轴对称饱和半空间均质地基固结问题进行了分析。引入状态变量,利用Laplace-Haknel联合变换法,求解了状态方程,得到变荷载作用下饱和土骨架位移、应力、孔隙水压力及渗流量的一般积分形式解,通过算例详细分析了变荷载作用下二维地基固结问题。结果表明,对缓加荷载作用下地基,只有加载较快时,在地基较深处才有明显的Mandel-Cryer效应出现。在循环荷载作用下,多维固结情况下会出现负孔压现象。     

Mixed unsplit-field perfectly matched layers for transient simulations of scalar waves in heterogeneous domains

We discuss a new formulation for transient scalar wave simulations in heterogeneous semi-infinite domains. To deal with the semi-infinite extent of the physical domains, we introduce truncation boundaries and adopt perfectly matched layers (PMLs) as the boundary wave absorbers. Within this framework, we develop a new mixed displacement-stress (or stress memory) finite element formulation based on unsplit-field PMLs. We use, as typically done, complex-coordinate stretching transformations in the frequency domain, and recover the governing partial differential equations in the time-domain through the inverse Fourier transform. Upon spatial discretization, the resulting equations lead to a mixed semi-discrete form, where both displacements and stresses (or stress histories/memories) are treated as independent unknowns. We propose approximant pairs, which, numerically, are shown to be stable. The resulting mixed finite element scheme is relatively simple and straightforward to implement, when compared against split-field PML techniques. It also bypasses the need for complicated time integration schemes that arise when recent displacement-based formulations are used. We report numerical results for 1D and 2D scalar wave propagation in semi-infinite domains truncated by PMLs. We also conduct parametric studies and report on the effect the various PML parameter choices have on the simulation error.     

3D dynamic response of a transversely isotropic multilayered medium subjected to a moving load

The dynamic problem of a transversely isotropic multilayered medium is reducible to quasi‐static problem by introducing a moving system that travels synchronously with the load. Based on the governing equations in the moving system, the ordinary differential equations in the Fourier transformed domain are deduced. An extended precise integration method is adopted to solve the ordinary differential equations, and the solution in the physical domain is recovered by the inverse Fourier transform. Numerical examples are performed to verify the accuracy of the presented method and to analyze the influence of material properties and the load characteristic.