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。     

墙下条形基础与层状横观各向同性地基共同作用

运用对偶积分方程来求解层状横观各向同性地基与墙下条形基础的共同作用问题。从直角坐标平面应变问题控制方程出发,通过傅里叶（Fourier）变换和层间连续性条件,可以得到层状横观各向同性地基的传递矩阵解。基于该传递矩阵解,并利用条形基础与地基接触的混合边值条件,推导出一组关于基础挠度和地基反力的对偶积分方程。考虑墙下条形基础受到竖向集中荷载的情况,利用弹性薄板理论先求解出条形基础挠度;随后应用雅可比（Jacobi）正交多项式和级数展开的方法,将对偶积分方程转化为线性代数方程组进行求解。编制了相应的计算程序,其计算结果与有限元软件ABAQUS的结果基本吻合,从而验证了所提理论的正确性。算例分析表明,板土相对刚度与地基成层性对地基反力、地表沉降和沿z轴竖向正应力有很大的影响。     

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。     

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。     

多层横观各向同性地基轴对称固结的传递矩阵解

从横观各向同性地基轴对称Biot固结的基本方程出发,通过关于t的Laplace变换和关于r的Hankel变换,得到关于z的一阶常微分方程组。然后,对变换域内的基本未知量进行线性化处理,建立了变换域内的基本状态变量在z = 0处和任意深度处z的显式关系。利用传递矩阵法,结合层间连续性条件和边界条件,得到了多层横观各向同性地基的Biot固结轴对称问题的解答。该解答能避免随着层数增加而需要求解大型方程组的困难,明显地提高了计算效率。     

层状横观各向同性地基平面应变问题的扩展精细积分解

利用扩展精细积分法求解横观各向同性地基的平面应变问题。扩展精细积分法具有高精度和较高计算效率的特点,是求解微分方程的有效方法,相比于解析法可以节省大量理论推导工作量。从直角坐标下弹性力学控制方程出发,推导出Fourier变换域内地基的常微分矩阵方程;之后对地基微层元进行消元合并,进一步得到荷载作用在地基内部时层状地基的扩展精细积解。与已有文献的对比验证了方法的精确性,并分析了横观各向同性参数、层状性质和荷载作用点对计算结果的影响。结果表明：土体竖向位移随着横观各向同性参数n的增大而减小,而随着横观各向同性参数m的增大而增大;荷载作用点 的变化只对作用点以上的土体有影响,而上层土体的模量对竖向位移计算结果的影响更为显著,土体成层性对沉降的影响要比对竖向应力的影响更为显著。     

横观各向同性土体中压力隧洞的应力和位移计算

基于Biot固结理论,考虑了土体和孔隙流体压缩性,通过对控制方程的解耦,得到在横观各向同性饱和土体中圆形隧洞边界上作用随时间变化的轴对称荷载或流体压力所引起的应力、位移和孔隙水压力场在拉普拉斯变换域中的解析表达式,运用拉普拉斯数值逆变换进行算例分析,得到在时间域中的解,讨论了单级加载和循环加载对计算结果的影响,并与瞬时加载条件下的结果进行了比较。同时也分析了土体的横观各向同性性质对应力、位移和孔隙水压力场的影响。     

横观各向同性圆柱土样轴对称Biot固结的解析解

给出了横观各向同性圆柱土样轴对称Biot固结的封闭级数解,该解由满足非齐次边界条件的弹性力学解与满足齐次边界条件的渗流拟动态解的叠加构成。通过算例分析,探讨了横观各向土体的Biot固结规律和Mandel-Cryer效应。     

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。     

列车荷载下轨道系统-层状横观各向同性饱和地基动力响应

基于Biot波动理论,构建列车荷载-轨道系统-双层状横观各向同性饱和地基模型,将模型分为上覆路轨系统和地层系统。对上覆路轨系统和地层系统处理,并利用双重Fourier变换技术,在变换域中将横观各向同性饱和地基动力响应的求解简化为求解一个6阶控制方程的特征值问题,进而得到了列车荷载作用下双层横观各向同性饱和地基力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,重点分析了上下土层的刚度和泊松比对位移和孔隙水压力和剪切应力响应的影响,结果表明,上、下土层刚度差异对地基动力响应有较大影响,土层各向异性参数中模量的影响较泊松比大。计算结果可为软土路基加固深度的确定提供理论依据。     

横观各向同性饱和土体三维粘弹性动力分析

采用针对横观各向同性饱和土体u-w形式三维粘弹性动力方程,考虑土骨架的粘弹性性质且基于粘弹性理论,通过运用Fourier 展开、Laplace 和Hankel 积分变换方法和引入中间变量,将含有粘弹性参数的六元二阶偏微分运动控制方程组,化为2组各含4个未知变量的常微分方程组,从而给出了柱坐标系下粘弹性横观各向同性饱和土体在非轴对称动力荷载作用下的瞬态反应的土骨架位移分量、孔隙流体相对于土骨架的位移分量瞬态反应一般解。在此基础上,引入初始条件和边界条件,对垂直向和水平向动力荷载作用下半空间边值问题进行了求解。根据动力时域解答的一般解,利用Laplace和Hankel 数值逆变换技术,编制了相应的数值计算程序。并进行了实例验证和弹性、粘弹性解的对比分析。结果表明,在进行横观各向同性饱和土体动力分析时,考虑土骨架的粘弹性是必要的。     

Semi‐analytical solution to one‐dimensional consolidation for unsaturated soils with semi‐permeable drainage boundary under time‐dependent loading

This paper presents semi‐analytical solutions to Fredlund and Hasan's one‐dimensional consolidation of unsaturated soils with semi‐permeable drainage boundary under time‐dependent loadings. Two variables are introduced to transform two coupled governing equations of pore‐water and pore‐air pressures into an equivalent set of partial differential equations, which are easily solved by the Laplace transform. The pore‐water pressure, pore‐air pressure and settlement are obtained in the Laplace domain. Crump's method is adopted to perform the inverse Laplace transform in order to obtain semi‐analytical solutions in time domain. It is shown that the present solutions are more general and have a good agreement with the existing solutions from literatures. Furthermore, the current solutions can also be degenerated into conventional solutions to one‐dimensional consolidation of unsaturated soils with homogeneous boundaries. Finally, several numerical examples are provided to illustrate consolidation behavior of unsaturated soils under four types of time‐dependent loadings, including instantaneous loading, ramp loading, exponential loading and sinusoidal loading. Parametric studies are illustrated by variations of pore‐air pressure, pore‐water pressure and settlement at different values of the ratio of air–water permeability coefficient, depth and loading parameters. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

The axisymmetric consolidation of a semi‐infinite transversely isotropic saturated soil

This paper presents an exact analytical solution to fully coupled axisymmetric consolidation of a semi‐infinite, transversely isotropic saturated soil subjected to a uniform circular loading at the ground surface. The analysis is under the framework of Biot's general theory of consolidation. First, the governing equations of consolidation are transformed into a set of equivalent partial differential equations with the introduction of two auxiliary variables. These partial differential equations are then solved using Hankel–Laplace integral transforms. Once solutions in the transformed domain have been obtained, the actual solutions in the physical domain for displacements and stress components of the solid matrix, pore‐water pressure and fluid discharge can be finally obtained by direct numerical inversion. The accuracy of the numerical solutions developed is confirmed by comparison with an existing exact solution for an isotropic and saturated soil that is a special case of the more general problem addressed. Numerical analyses are also presented to investigate the influence of the degree of material anisotropy on the consolidation settlement. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

任意荷载下双面半透水边界分数阶导数黏弹性饱和土层一维固结

基于Terzaghi一维固结理论,分析了考虑半透水边界条件的分数阶导数黏弹性饱和土层在随时间变化的任意荷载作用下一维固结问题。首先,应用Laplace变换联立求解饱和土层一维固结微分方程和分数阶Kelvin-Voigt黏弹性本构方程,推导出有效应力和沉降在Laplace变换域内的解析解,采用Crump方法进行Laplace逆变换,得到了时间域内的半解析解。然后将本文得到的半解析解分别退化为半透水边界条件下基于黏弹性假设的一维固结半解析解和双面透水边界条件下基于分数阶黏弹性假设的一维固结半解析解,结果与已有文献的半解析解相同,验证了本研究所提出解的可靠性。最后通过算例分别考察了半透水边界参数、分数阶黏弹性模型参数和荷载参数对饱和土层固结沉降的影响。研究表明,半透水边界条件参数、分数阶次与黏滞系数主要影响饱和土层固结的发展快慢,而饱和土层的最终沉降量主要受到土层压缩模量的影响;另外,饱和土层的固结规律与外荷载变化规律一致。     

变荷载下层状非饱和土地基全耦合固结特性研究

非饱和土是地球表层土体一种常见的存在形式。与经典的饱和土Biot固结理论相比,非饱和土固结理论还亟待发展。基于Fredlund非饱和土双应力变量固结理论,放弃传统理论固结过程中骨架总应力不变的假设,推导出变荷载作用下非饱和土全耦合轴对称固结理论的控制方程组。通过Laplace-Hankel变换处理变量t和r,所得的控制方程被处理为常微分方程组;扩展的精细积分法将被进一步运用求解方程组以得到层状非饱和土地基在变换域内的固结解答,而最终的解答将通过Laplace-Hankel逆变换技术求得。将非饱和土地基退化为饱和土地基,与现有文献结果进行对比,验证所提方法结果的可靠性;最后,提供3个数值算例,以讨论加载时间T0、孔隙水关于净应力的体积变化系数m1w以及土体分层性对非饱和土固结特性的影响。     

轴对称多层可压缩渗透各向异性岩基固结分析

从轴对称固结基本方程出发,通过对时间t、坐标r的Laplace-Hankel变换,再对坐标z的Laplace变换,得到三元一次方程组,解此方程组,并进行Laplace逆变换,得到了单层可压缩渗透各向异性岩基轴对称固结问题的传递矩阵,然后利用传递矩阵法,结合层间连续性条件和边界条件,得到了多层可压缩渗透各向异性岩基轴对称固结问题在积分变换域内的解。最后应用Laplace-Hankel逆变换技术得到轴对称固结问题在物理域内的理论解。编制了相应的计算程序,并进行了数值计算与分析,讨论了可压缩性和渗透各向异性对岩基固结的影响,结果表明：可压缩性越大,岩基瞬时沉降越大;渗透各向异性对固结过程影响明显,但对初始和最终沉降的影响很小。     

任意荷载下欠固结地基的非线性一维固结

根据Gibson得到的固相坐标z下的非线性固结控制方程,运用Laplace变换求解了在任意荷载作用下的单层饱水欠固结地基一维非线性变形问题;通过Laplace逆变换,求得单层饱水欠固结地基在任意荷载作用下的一维非线性固结解。结合单层地基在几种常见荷载作用下固结变形的算例,对解进行了探讨,揭示了任意变荷载作用下单层饱和软粘土欠固结地基一维非线性固结的特性,得到了一些可用于指导工程实践的有益结论。