非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔离效应:二维宽频带间接边界积分方程法模拟

采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),对二维非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔振效果进行宽频带计算分析。该方法基于单层位势理论,通过在非连续屏障交界面附近引入虚拟波源,分别用以构造散射体内、外散射场,继而由边界条件建立方程并求解得到虚拟波源密度,外部的总波场可由散射场和自由场叠加而得到。精度检验表明,该方法能够精确高效地求解任意排桩的宽频隔振问题。进而以圆柱实心桩为例,通过定量化频谱分析,揭示了P、SV波入射时排桩对不同频段弹性波的隔振差别,探讨了不同波速比、桩间距、桩排数对隔振效果的影响规律,研究结果表明:(1)隔振效果存在最优无量纲频段,宜优化设计桩径和桩间距以达到最佳效果;(2)场地土愈软,隔振效果愈佳。相比P波,SV波对于桩间距更为敏感;(3)低频波宜采用多排桩,但对高频波,采用三排以上的桩屏障对隔振效果的提升则不再显著。     

饱和土半解析边界元法及在双排桩被动隔振中的应用

针对均质饱和地基中双排桩远场被动隔振问题,首先,基于饱和多孔介质的边界元法,建立了以薄层法（TLM）基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法,该方法可有效地分析饱和半空间的土-结构动力相互作用问题。在此基础上,根据双排桩与周围土体的邻接条件,推导了双排桩对Rayleigh波散射的三维边界元方程;运用上述边界元方程,对双排桩的远场被动隔振问题进行了研究。结果表明：双排桩能够有效地降低屏障后的位移振幅,其隔振效果要优于单排桩;排间净距对隔振效果影响不大,而桩间净距则对双排桩隔振效果起控制作用。     

饱和土中周期排列管桩对平面SV波隔振的解析求解

基于Biot流体饱和多孔介质理论,采用波函数展开法并结合Graf加法定理,解析求解了饱和土中周期排列管桩对平面SV波的隔振问题。该方法利用饱和土中不同周期单元的散射波场在频域内仅相位不同的特性,将饱和土中无限周期排列管桩对SV波的散射问题转换为仅针对一个周期单元的求解,因而在精确求解的同时显著降低了计算量,并在一定程度上弥补了现有方法在管桩数较多时难以求解的局限。在验证方法正确性的基础上,重点讨论了桩体个数、饱和土参数、管壁厚度、桩排数和排列方式等因素对隔振能力的影响。研究结果表明:周期排列管桩在饱和土中的隔振能力整体上优于弹性土,且在渗透性越差的饱和土中隔振能力越强;管桩的管壁厚度不宜过薄,内外径之比取为0.6左右,周期排列管桩在大多数频率下隔振能力稳定;增加桩排数能够显著提高隔振能力,在无量纲频率为0～0.6的较低频段,隔振能力提高幅度为20%左右,在无量纲频率为0.6～3.0的中高频段,隔振能力提高幅度可达60%,采用三排管桩屏障可屏蔽饱和土中大多数频率下的入射SV波;管桩矩形排列的隔振效果在无量纲频率为0～1.0的较低频段优于梅花形排列,其他频段两种排列方式均具有良好的屏蔽SV波效果。     

周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析求解

将排桩对平面SH波的隔振简化为弹性波散射的二维平面问题，基于全空间中无限周期结构的周期特性，给出了一种求解无限周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析方法。该方法采用波函数展开法并结合Graf加法定理，利用全空间中相邻周期单元的散射波场在频域内相差一个相位的特性，仅选取一个周期单元，将入射波场和所有散射波场的贡献叠加后，根据边界条件求解待定系数，从而求得整个散射波场。该解析解能够精确求解无限周期分布桩体的散射问题，分析周期分布桩体数量较多时的隔振规律，弥补了以往理论分析中桩体个数较多时难以求解的不足。重点讨论了桩体个数、桩体刚度、桩体间距和桩体类型等因素对隔振效果的影响，结果表明：（1）该方法显著降低了求解大量桩体问题时的存储量和计算量，有限周期模型计算结果随桩体个数增多收敛于无限周期模型，反映了该方法的正确性；（2）整体上桩体刚度增大有利于提高隔振效果，但桩体刚度对隔振效果的提升有限，桩体剪切波速为土体5倍时已具有足够的隔振效果；（3）桩间距对隔振效果有着直接影响，间距越小则低频禁带宽度越大；（4）桩体类型对隔振效果有着显著影响，实心桩有着良好的隔振效果，而具有柔性内填充的管桩在低频段有着更佳的隔振效果。     

层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。在洞室边界各个单元上施加虚拟分布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和虚拟分布荷载产生的位移响应叠加起来,即得到问题的解答。比较了层状半空间和均匀半空间中洞室对入射平面SV波的放大作用。结果表明,层状半空间情况有可能导致较大的地表位移幅值,尤其是对于较低频率入射波。     

饱和土中刚性排桩对平面SV波的隔离分析

在Biot波动理论的基础上,用单排刚性排桩作为屏障,对全空间饱和土中入射平面SV波进行了隔离分析。采用波函数展开法,将散射波的势函数展开成Fourier-Bessel级数的形式,利用一组可以求解多散射问题的圆柱坐标系统和桩土界面处位移连续的条件,以及刚性桩的动力平衡条件,得到问题的理论解。对影响排桩隔离效果的桩间距和饱和土的渗透系数等参数进行了分析,结果表明,桩间距对饱和土中排桩的隔离效果有较明显影响;与弹性土体中排桩的隔离效果相比,饱和土中排桩的隔离效果有所不同,随着饱和土渗透系数的减小,排桩的隔离效果越好。     

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。     

任意排列的空心管桩屏障对SH波的多重散射

提出1种可计算任意排列、任意圆截面尺寸的多排空心管桩对平面SH波多重散射的理论求解方法。考虑第1重散射即为通常所谓的单重散射,对特定管桩第2重散射的入射波为在各管桩所受的第1重散射波之和,亦即第1重散射所激发的次生波源,以此类推至第m重散射。假设每重散射在桩-土边界以及管桩内部均满足弹性边界条件,将入射波、散射波及透射波采用波函数展开,并运用Graf加法定理移轴获得待定的各重散（透）射复系数,得到总散射及管桩内部透射波场的理论解。算例中讨论了散射重数、桩径与桩（排）间距之比、桩-土剪切模量之比、管桩内外径之比以及多排管桩的几何参数等对屏障隔离效果的影响,结果表明,管桩可取得比实心桩更好的屏蔽效果,同时对管桩非连续屏障的工程设计提供了有价值的理论参考依据。     

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。     

考虑桩土效应的双排桩模型及参数研究

双排桩作为一种新型的深基坑支护结构,目前尚无简单而有效的设计方法。首先,借助Winkler地基梁基本思想,在忽略桩土竖向摩擦效应及空间效应的前提下,对双排桩支护结构力学机制进行分析,建立了考虑桩土效应的双排桩平面杆系有限元模型。接着围绕双排桩平面杆系有限元模型的关键参数土压力分布及弹性抗力系数展开了研究,针对连梁拉力将使传统的坑后土体滑移面临界距离增加特征,利用滑动比例系数法获得了土压力分配规律;针对弹性抗力系数正分析取值不确定性,提出了采用位移反分析优化方法获得弹性抗力参数的取值。最后,根据杆系有限元及反分析中位移最优准则函数的求解步骤,分别编制了doublerowpile及doublerowpileparameter计算程序,并进行了相应的工程计算,工程计算结果表明,计算位移与监测位移趋势一致,计算内力符合规范要求,且能较准确获得弹性抗力系数取值。     

内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——Ⅰ.物理实验

随着近岸海洋的开发,海洋石油钻井平台底部的柱状支撑以及海洋中石油管线等水下结构物的安全问题受到的关注日益增多。而内孤立波对水下结构物的安全有着不可忽视的影响,这就决定了内孤立波对柱体受力的研究在工程实践中具有重要意义。国内外就内孤立波对柱体作用力的物理试验研究较少,而在分层流环境下圆柱和方柱受力规律的对比研究更鲜有报道。在大型重力式分层流试验水槽中,借助一套新型且专用于分层流环境下的内孤立波造波及水动力测力系统,进行了内孤立波环境下柱体受力规律的试验研究。对比分析了不同内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的作用规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,方柱相较于圆柱会受到更大的水平力。研究成果可为分层流环境中柱体设计及安全评价提供科学依据。     

内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——II.数值模拟

柱体受内波作用力的数值模拟大多针对圆柱展开,方柱在内波环境下受力特性研究较少。借助三维数值波浪水槽,采用大涡模拟（LES）技术研究了内孤立波的产生、传播及其对不同形状柱体的受力特性。对比分析了内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的影响规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,无论在上层或下层水体,方柱表面的压力分布更不均匀,迎流面与背流面的压差更大,从而导致方柱相较于圆柱会受到更大的水平作用力。     

多向波浪作用下大尺度墩柱所受波浪力的试验研究

波浪力是作用在离岸建筑物上的主要荷载,准确预测作用在结构上的波浪力在实际工程设计中极其重要,它决定着该结构是否能够安全可靠地工作。目前的研究大多集中在单向波浪作用下结构物所受的波浪力,而真实的波浪是三维多向不规则波浪。基于物理模型实验,系统地研究了多向不规则波浪作用下大尺度墩柱所受波浪力的特性。结果表明波浪的方向分布对波浪荷载具有明显的影响,尤其是对横向力,在方向分布宽度较大时,作用在墩柱上的横向力可达此时作用在墩柱上正向力的40%,这在实际工程设计中不能忽略。     

海岸岩土工程的物理与数值模拟方法

采用物理模型试验来再现实际现象,验证数值模拟方法的有效性;同时采用数值模拟来弥补离心模型试验的缺陷,揭示模型试验规律,评价实际海岸岩土-结构系统在不同工况下的变形与强度稳定性及其变化.并简要地介绍了针对防波堤土工织物加筋垫层作用机理研究、黄骅港外航道防沙堤工程安全性评价、上海洋山港浅置式大圆筒结构试验段工程安全性评价三个具体项目进行评价的成果,初步展现了物理模型试验与数值模拟方法在海岸岩土工程的机理研究、方案论证、结构与施工优化、结构安全性评价等方面所能发挥的重要作用和广阔的应用前景.     

深厚表土层中高强复合井壁结构的试验研究

针对煤矿立井井筒深厚表土层的支护,提出了采用双层钢板高强混凝土复合井壁结构。通过模型试验,得到了这种井壁结构的应力特性和强度特征,通过理论分析和试验结果给出了双层钢板高强混凝土复合井壁承载力的计算公式,从而,为该种井壁结构的实际应用提供了设计依据。其研究成果已在4个井筒中得到了成功地应用。     

The measurement of small soil displacements on a dutch hillslope

A number of flat hollow cylinders equal in weight to the replaced soil have been installed at different depths below the surface of a 47% slope. The slope was developed over Maestrichtian chalk overlain by a poorly sorted but rather homogeneous Upper Pleistocene cover. The displacements of the cylinders have been recorded for three years.

The design of the geodetical method of measurement and the results are discussed. The estimated error (twice the standard deviation) of the measurements regarding the horizontal component of the displacements appears to be less than 0.4 mm; the error regarding the vertical component less than 0.3 mm.

Significant displacements have been recorded so far only from the upper 20 cm. The measured movements are spasmodic and parallel to the slope. The mean velocity of the top soil amounts to 1 mm/year. The collected data are insufficient to investigate the applicability of viscous creep models.     

非均匀颗粒流应力关系实验研究

颗粒流问题在自然界和许多工程领域都可能遇到。采用特殊的内外筒均可单独旋转的同心圆筒颗粒剪切实验装置,测量了非均匀离散颗粒在旋转剪切流动下的切应力变化,分析了颗粒浓度、粒径与边界条件等因素对颗粒流动应力的影响。结果表明,颗粒浓度和颗粒粒径均对剪切应力产生影响,Savage实验（内筒旋转）和Bagnold实验（外筒旋转）的结果产生差异的主要原因是边界滑移和旋转离心力。同时,基于已有成果,深入研究了颗粒应力关系变化的特点和规律。     

Estimating geometrical parameters of cylindrical targets detected by ground-penetrating radar using template matching algorithm

In the current research, the ground-penetrating radar (GPR) method has been employed to identify physical and geometrical parameters of buried cylindrical structures using the pattern recognition approach. To achieve this goal, the well-established mathematical relationships between geometrical parameters of cylindrical target (radius, burial depth, and horizontal location) and the associated GPR hyperbolic response characteristics are employed using the template matching method. In order to validate the applicability of the template matching method in providing estimates of such parameters, the method is first examined on GPR responses of synthetic models with known geometrical parameters followed by applying on real data using two different similarity criteria including 2-D spatial convolution and normalized cross correlation in the wave number domain. In the first step, the GPR responses of 71 synthetic models encompassing one, two, and three horizontal cylinders were produced using the improved 2-D finite difference in frequency domain. Then, appropriate preprocessing sequences to reduce random noise caused by forward modeling were applied on synthetic data. The proposed algorithm applied on several synthetic model responses could estimate the known geometrical parameters of the buried cylinders with acceptable accuracy (maximum error of 15%). The template matching algorithm was also used to extract geometrical parameters of water and wastewater pipes buried in Imam Hossein Square, Isfahan city, as real GPR data. Depending on environmental conditions and subsurface host formation, the real GPR data normally contain a variety of noises; therefore, a series of appropriate objective preprocessing and processing stages were designed in order to apply on real GPR images before deploying template matching algorithm. The applicability of the template matching algorithm on real data and validity of the estimated parameters were proved based on assessing the accuracy of the estimated geometrical parameters of respective pipes through GPR response versus the measured parameters. The proposed algorithm was designed in such a way that all steps of estimating geometrical parameters of buried cylindrical targets are automatically carried out.     

孤立波作用下淹没垂直桩柱局部冲刷试验研究

孤立波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致采用淹没式桩基础的近海建筑物周围发生局部冲刷,严重影响近海建筑物的稳定性。采用中值粒径为0.22 mm的均匀沙在波浪水槽中布置平底沙床,在两种不同桩径条件下,对孤立波作用下淹没桩周围的冲刷发展过程进行了记录分析,探讨入射波高及淹没率对局部冲刷的影响,并从冲刷形态方面对比分析了孤立波与单向水流、规则波作用下局部冲刷的异同。结果表明:在相同淹没率条件下,随着入射波高的增大,桩周冲刷形态由双喇叭型向瞬态型冲刷形态发展;在相同入射波高条件下,桩高与桩径比h_c/D位于1～7范围内,淹没率对桩前最大冲刷深度影响不大,而桩后最大冲刷深度随淹没率增大而减小,并给出了淹没因子K_s与淹没率的多项关系曲线;孤立波与单向流作用下的淹没桩周围地形变化相似,而与小周期规则波作用下的地形变化差异较大。对实测数据进行多元回归得到冲刷深度的综合计算公式,经验证该公式计算值与实测值最大误差不超过7%。     

Optical theory of asterism

A simple explanation of chatoyancy and asterism is given in terms of physical and geometrical optics. The basic phenomena involved are the scattering of light by thin cylinders and its refraction by curved surfaces. To substantiat this theory, it has been shown that the star can also be observed in asteriated stones having a plane surface.