Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射

基于Biot的两相介质理论,采用间接边界积分方程法,求解了Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的二维散射问题,分析了入射波频率、孔隙率、边界渗透条件和洞室埋深等参数对地表位移幅值、洞室表面和地表孔隙水压力的影响。研究结果表明,由于圆形洞室的存在,饱和半空间地表位移幅值和地表孔隙水压被明显放大:在透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了10.1倍和11.2倍;在不透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了12.0倍和9.6倍,地表孔隙水压力放大了2.1~3.0倍。地表位移和孔隙水压力最大值均出现在入射波近端洞室边界附近。随着Rayleigh波入射频率的增大和洞室埋深的增加,地表位移幅值的放大作用有所减小。在相同孔隙率条件下,当入射频率为1.0时,洞室表面孔隙水压力最大;当入射频率为2.0时,洞室表面孔隙水压力最小,洞室表面最大孔隙水压力出现在洞室顶部。     

二维饱和土体动态孔隙率及相关动力响应特性研究

饱和多孔介质的动力响应研究在众多工程领域具有重要意义。充分考虑孔隙率的变化规律与影响因素,有利于合理揭示饱和多孔介质的相关力学行为。为此,将动态孔隙率模型与用于表征饱和多孔介质动力特性的u-U-p型方程结合,构建相应的非线性力学模型,利用Comsol Multiphysis PDE求取相应的数值解,以此研究不同透水条件下,受谐波载荷激励的二维饱和土体的孔隙率、变形量及孔隙水压力的变化规律。结果表明：孔隙率的变化与土骨架的体应变及孔隙水压力直接相关,土体压缩过程中,孔隙率相应减小,土骨架与孔隙流体的相互作用增强,土体运动时所受阻力增大,其无量纲竖向位移小于孔隙率被视为常数时的情况,在此条件下,由于土体的变形量减小,其孔隙水压力也相对减小。故充分考虑动态孔隙率,有利于更加精确地研究等饱土体和多孔介质的相关力学行为。此外,土体上表面透水条件下,孔隙流体可以从土体表面自由排出,土骨架承受的载荷更大,与不透水条件相比,土体孔隙率、竖向位移、孔隙水压力等变化更为显著。     

成层地基在轴对称荷载下的稳态振动分析

基于Biot动力固结方程,考虑了土体和水体的惯性力以及水-土耦合作用的影响,采用Hankel积分变换求解耦联合方程组,得到动荷载下饱和土Lamb问题的解答。根据下边界为不透水基岩的边界条件,获得了地基表面作用圆形轴对称周期荷载时土层应力、位移等的一般积分形式解,并利用矩阵传递法完成了对多层地基和Gibson地基的计算。通过算例研究了层厚和激振频率等对竖向位移的影响。     

平面P1波入射下海底隧道与海床土交界面滑移接触效应解析解

基于理想流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑工程实际中海底隧道与周围海底土体的滑移接触关系,建立了含滑移界面海底隧道模型,该模型还考虑了海水-海床土-海底隧道的动力相互作用。采用Hankel函数积分变换法和波函数展开法,推导了平面P₁波入射下海底隧道与周围海底土体滑移接触界面效应的解析解。在解析解的基础上,通过数值计算分析了滑移接触条件对海底隧道地震动力响应的影响。计算结果表明：滑移接触条件对海底隧道的位移响应和应力响应影响明显;考虑隧道-海床土界面滑移接触条件下海底隧道的位移响应和应力响应显著高于界面无滑移条件时的位移响应和应力响应。     

横观各向同性饱和土体振动分析

基于饱和地基多孔介质理论,考虑了水土的惯性及耦合作用,研究了横观各向同性饱和地基的稳态振动问题。利用Hankel变换,得到饱和土的位移、应力、孔压的积分形式的解,由此利用数值Hankel逆变换给出了数值算例,最后讨论了横观各向同性饱和地基各向异性对地表竖向振幅的影响。     

P波入射下土饱和度对土层交界面运动的影响

给出波从基本饱水土层入射到弹性土层时在土层交界面上的水平位移和竖向位移分量的表达式。通过数值计算分析,研究了饱和度对交界面上反射、透射系数以及水平、竖向位移分量幅值的影响。     

下卧基岩饱和地基中埋置刚性基础的竖向振动问题研究

基于Biot提出的饱和土波动方程,研究了埋置于单层饱和地基中的有质量的刚性圆柱基础的竖向振动问题。运用Hankel积分变换求解饱和土基本动力方程,并考虑基础与地基接触面的混合边值条件,求得了基础底面和基础侧面的动反力,结合基础振动的动力平衡方程,得到了基础竖向振动振幅和地基等效动力刚度的表达式。数值分析结果表明：下卧基岩饱和地基的等效动力刚度和基础振动振幅都呈现出明显的波动现象,土层厚度、基础埋深比、基础质量比对埋置基础的竖向振动有很大影响。     

半空间埋置动点源荷载问题的传递矩阵法

引用了流体饱和两相多孔介质的动力控制方程分析半空间埋置动点源荷载问题的位移和变形。经过Laplace Hankel变换 ,控制方程化成常微分方程组。利用数学软件mathmatic对上述方程组求解 ,可以得到单层砂土的传递矩阵。分析过程中 ,假设在两层面上 ,位移与应力相互连续 ,可以借鉴有限元的思想进行耦合计算。这样就获得了在饱和砂土中施加竖向动荷载问题的Laplace Hankel变换解 ,其最终的解还需要通过Laplace Hankel逆变换得到     

竖向圆形荷载作用下弹性地基半空间问题的解析解

竖向圆形荷载作用下弹性半空间问题的位移和应力解是桩基分析的基础。利用Hankel积分变换,首先导出了弹性地基半空间位移与应力的积分形式的通解。通过适当地引入边界条件和界面位移和应力的连续条件,求得了内部作用竖向圆形荷载时弹性地基半空间位移与应力的积分形式解。在此基础上,给出了不同深度处荷载作用投影范围内竖向位移和竖向正应力的平均值。数值结果验证了解析解的正确性。     

饱和土地下源U-P形式解答动力响应计算

一直来,由Biot孔隙弹性动力方程得到的饱和土地下源Green函数都是u-w形式(u固相介质位移,w流相相对于固相的平均位移)。本文应用两相介质纵波解耦理论,得到了饱和土半空间地下点源荷载的u-p形式(p为孔压)Green函数频域解答;克服了u-w形式Green函数在BEM积分时的增根影响。再由Hankel反演,结合Somigliana表象积分,完成BEM计算。并以计算结果分析了地下集中力作用时,饱和土位移、孔压、排水量等动力特性,这对地铁等交通工程、地震工程、土-结动力相互作用(SSI)的响应计算都具有较重要应用价值。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

考虑海水-海床耦合效应的海底隧道地震响应研究

在近海海域修建海底隧道必须考虑地震灾害的潜在威胁,进行海底隧道地震响应研究时考虑海水动水压力的影响将更贴合实际情况。为研究考虑海水-海床耦合效应的海底隧道地震响应规律,本文基于某海峡海底盾构隧道工程,考虑了海床土体和隧道混凝土的动力非线性特性以及海水与海床之间的耦合效应,建立了海水-海床-隧道动力相互作用的有限元模型,研究了在不同地震动输入、不同地震激励方向、不同上覆水深条件下海底隧道的地震响应规律。结果表明:使用ABAQUS中的声学模块能够有效地实现流-固耦合作用的模拟;在水平地震作用下,隧道在左右拱肩及拱脚位置应力集中显著;地震作用时水域最大动水压力出现在隧道正上方左右两侧海床表面处;当处于双向地震激励时,海床表面动水压力显著增大,隧道各点处的应力峰值也随之显著增大;相较于高频丰富的地震动,低频丰富的地震动输入对海底隧道的影响更大;海底隧道地震损伤随着水深增加逐渐减小。研究结果有助于更好地掌握实际海底隧道地震响应规律。     

P波在弹性介质与饱和冻土介质分界面上的透反射问题研究

基于弹性波在冻结饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论,研究了平面P波在饱和冻土介质与单相弹性介质分界面上的透反射问题。利用Helmholtz矢量分解定理,根据分界面上的边界条件,获得了平面P波从单相弹性介质入射到饱和冻土介质分界面上透反射振幅比的理论表达式。通过数值计算,分析了在不同入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度和接触参数下,弹性波的透反射振幅比随入射角变化的关系。研究结果表明：P波从单相弹性介质垂直入射到饱和冻土介质分界面上时只有反射P波和3种透射P波产生,当掠入射时只产生反射而没有透射现象发生。入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度以及接触参数等参数对反射波和透射波的振幅比影响显著。     

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性,建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型,模型中考虑参数间的耦连影响,并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程,采用微分算子法对控制方程进行解耦求解,推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基,验证了结果的正确性。通过数值算例,对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区,饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响,质点运动轨迹也由此发生变化;随着频率的升高,这种影响逐渐减小,当频率趋于无穷大时,瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速;地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性,瑞利波位移加速衰减,传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大,质点竖向位移的衰减快于水平位移,这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外,地基中非均匀土层厚度越小,则地基非均匀程度越高,对瑞利波的传播影响越大。     

砂性土成拱应力释放特性的模型试验及数值模拟研究

通过室内模型试验研究了卸荷尺度及孔隙率对砂性土成拱应力释放特性的影响,并应用离散元分析软件PFC2D进一步对颗粒摩擦性质影响、成拱后应力场以及位移场变化规律和应力释放分区进行了细观研究。研究发现：（1）数值模拟对卸荷尺度影响因素的研究结果与室内试验一致,应用PFC2D研究砂性土应力释放特性是可行的。（2）应力释放区内竖向应力释放大于应力加载区,而水平应力释放小于应力加载区;侧压力系数在应力释放区内距离卸荷位置越近增量越大,而在应力加载区距离卸荷位置越近增量越小。（3）砂性土摩擦性质会减小土体成拱对应力释放以及侧压力系数变化的影响。（4）应力释放随着卸荷尺度及孔隙率的增大而增大;对于侧压力系数,在应力释放区内随着卸荷尺度或孔隙率的增大而增大,而在应力加载区随着卸荷尺度或孔隙率的增大而减小。     

饱和软土层地铁列车运行引起的环境振动研究

我国沿海地区大量的地铁隧道都修建在饱和软土地层,饱和软土地层中地铁列车运行引起的环境振动逐渐成为社会关注的问题。以上海2号线某地铁区间隧道为研究对象,采用循环运动模型本构模型和水土耦合动力分析方法,分析了饱和软土中地铁列车运行引起的地表振动加速度以及振动位移响应规律,采用加速度振级对地表的振动强度进行了评价,分析了单次列车通过时引起的隧道下卧土层超孔隙水压力（EPWP）响应规律。计算结果表明,饱和土的振动响应比干土要小得多,地表水平向与竖向的振动规律明显的不同,超孔隙水压力沿隧道下方沿向是不断减少的,在距离隧道中心的纵断面上是先增加后减少。分析饱和土中地铁运行引起的环境响应规律,可为地铁沿线建筑物减隔振设计及沉降控制提供一定依据。     

高孔砂岩断层内部微观结构及渗透性变化规律物理模拟

在油气勘探过程中,对于小位移断层分隔油水封闭能力的控制因素研究尚浅,野外也难以获得不同变形过程的断层带结构及其渗透性变化规律.因此,以高孔隙度纯净砂岩人造岩心为研究对象,采用自主研发的“高压~低速环形剪切装置”开展实验,实验后样品取心分别进行覆压孔渗测试、纳米CT扫描、铸体薄片分析等分析测试.以有效正应力和断层位移为实验变量开展了多组环剪实验,其研究结果表明:宏观上断层面上可观察到明显擦痕与粉末状碎裂岩,微观上确定了断层带内碎裂作用导致的颗粒粒度降低与颗粒的定向排列是孔渗降低的主要原因,断层带渗透率小于10 mD,较母岩降低2~3个数量级.随着断层有效正应力或断层滑动位移增加,断层带碎裂程度增大且粒径和孔径减小,断层带厚度增大,孔隙度和渗透率逐渐减小.这一结果可为小位移断层侧向封闭能力与油气勘探领域的研究奠定理论基础.      

条形荷载作用下梯度饱和土的动力响应分析

根据Biot波动理论,研究了条形均布荷载作用下非均匀饱和土地基的动力响应问题。利用Fourier积分变换,通过Helmholtz矢量分解原理,建立了饱和土层在动荷载作用下的回传射线矩阵法计算列式,考虑饱和土的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值Fourier逆变换获得了饱和土地基的位移、应力和孔隙压力等物理量的数值解。分析讨论了材料非均匀性对饱和土介质动力特性的影响。结果表明,非均匀饱和土的动力行为与均匀饱和土有着明显的不同,当土体的非均匀程度越高,条形荷载中点下流体压力和应力幅值越大,而位移、流体压力以及应力等物理量在水平方向的振动频率均随着土体非均匀变化程度的增强而增大。     

Numerical analysis of the installation effect of diaphragm walls in saturated soft clay

The construction of diaphragm wall panels can cause the stress change and soil movements in adjacent ground. In this paper, the construction sequence of a typical diaphragm wall panel in saturated soft clay is simulated with a 3D finite element program. The soil is assumed to behave as an isotropic linear elastic/Mohr–Coulomb plastic material with a soil–water coupled consolidation response. Influence of the pore water pressure is concerned to consider the consolidation behavior of the saturated soft clay. The analysis shows that the changes in effective horizontal stress and pore water pressure during diaphragm wall installation depend on arching mechanism and permeability. The variation in stresses and movements of ground computed by the coupled consolidation analysis and the total stress analysis are compared. Influences of the permeability coefficient on the installation effects are discussed by parametric studies. Finally, a case study of a diaphragm wall construction in Shanghai, in which the ground settlements were monitored, is presented to illustrate the prediction procedure of coupled consolidation analysis.