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。     

横观各向同性层状地基动应力响应的求解与分析

动力响应问题的求解对于地基在外荷载作用下引起的弹性波动问题研究有重要的意义。本文提出了一种求解横观各向同性层状地基在施加时间简谐荷载作用下任意点的应力响应的算法。此算法利用傅里叶变换将广义平面应变问题频率-空间域的动力方程转化到频率-波数域内,结合对偶变量的引入,利用高精度的精细积分算法对状态方程进行求解,在得到频率-波数域内的位移响应的基础上,利用傅里叶逆变换得到任意点的动应力响应。简谐荷载不仅可以施加在地基表面,而且可以施加在地基内部。对比算例验证了本文算法的准确性,同时对地基各向异性特性、激励频率和阻尼比对动应力响应的影响进行了参数分析,为工程实际提供可靠的数值依据。     

含饱和土的层状场地的动力响应

利用精确的土层和半空间动力刚度矩阵求解了含饱和土的层状场地的动力响应,给出了含饱和土层状场地的自由场（入射P波、SV波）、动力Green函数及刚性条形基础动力刚度的计算方法,由此建立的场地模型更接近实际情况。建议方法的退化结果与单相场地结果一致。研究了界面不同透水条件对基础动力刚度的影响,并与相应单相场地结果进行了对比。研究表明：界面透水条件对竖向弹簧系数影响最大,饱和土体中孔隙水对场地动力响应具有不可忽视的影响。     

具有不规则界面的层状地基三维动力响应的薄层法

天然地基通常含有不规则的分层界面。对此,提出了一种计算具有不规则界面的层状地基三维动力响应的薄层法,推导了简谐点源作用下不规则分层半空间三维动力问题的基本解。基于双重Fourier变换,获得弹性介质在频域-波数域内的薄层单元系统控制方程;利用模态叠加原理,推导了半无限长和有限长薄层单元的刚度矩阵,引入完美匹配层模拟波向底层半无限空间的传播,从而构建可考虑土层界面沿横向不规则分布的三维层状地基计算模型,获得了简谐点源作用下不规则分层地基三维动力问题的基本解;通过与既有方法的对比分析,验证了新方法的正确性。最后,利用该方法计算了具有倾斜分层界面的双层地基在简谐荷载作用下的动力响应,结果表明：界面倾斜导致的动力响应差异大,且随着倾斜度以及荷载频率的增加而变大。在进行天然地基的动力分析时,需考虑地基的不规则分层特性导致的振动响应差异。     

层状土场中冲刷作用下部分埋置单桩动力响应分析

桩周土场受冲刷作用的变化是部分埋置单桩结构失效的主要原因之一。工程中土场多呈层状,此类场地中桩基的力学特性研究日益受到关注。为精确揭示冲刷作用对层状土场中部分埋置单桩动力响应的影响,基于改进Vlasov地基模型,利用Hamilton原理建立层状土场中横向受荷单桩的动力学模型。利用有限差分法求解受冲刷作用单桩的固有频率,实现对冲刷作用下土−结构相互作用系统的准确建模,进而用Green函数法求得单桩受迫振动的解析解。通过数值计算和参数分析,研究了层状土场的物理特性对受冲刷作用部分埋置单桩动力响应的影响。结果表明：基于改进Vlaosv地基模型建立的层状土场中部分埋置单桩动力学模型可精确预测冲刷作用对桩基动力学特性的影响。随冲刷程度加剧,层状土场中单桩的第一阶固有频率显著降低,改进Vlasov地基模型中各层土体的地基反力系数均减小,剪切系数则增大。当冲刷至非埋置段桩长 （ 为桩长）时,部分埋置单桩在动荷载作用下出现横向失稳现象。随底层土体厚度增加,各冲刷等级下单桩的第一阶固有频率均增大。如果第1层土的弹性模量增大了约0.43倍、1.14倍、1.86倍,则冲刷等级为0时单桩第一阶固有频率分别增大了约8.9%、19.5%、27.1%。     

结构-地基动力相互作用的时域模型

结构-地基动力相互作用是结构地震响应分析及安全评估的一个非常重要课题。基于比例边界有限元法,提出了一种新颖的结构-地基动力相互作用的时域模型,即采用比例边界有限元子域模拟近场有限域部分,采用高阶透射边界模拟远场无限域部分。通过采用连分式展开和引入辅助变量,有限域的动力方程采用高阶的静力刚度矩阵和质量矩阵表示。高阶透射边界精确满足无限远处的辐射边界条件,具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。它是基于改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵而建立的,在时域里表示为一阶常微分方程组。通过联立有限域和无限域的运动方程,建立了结构-地基相互作用的标准动力学方程,采用Newmark法可直接求解。3个算例结果表明,该算法在时域里比黏弹性边界更精确、有效。     

层状地基中地铁施工垂直穿越既有管道变形分析:耦合方法与两阶段方法对比

地铁施工引起的临近既有管道变形是城市轨道交通建设中较为关心的施工问题。目前,针对该领域的研究一般假定地基土体均质,而没有考虑地基的自然成层性,此外大多没有考虑既有管道变形与土体自由位移场相互作用的耦合效应。为此,基于弹性层状半空间地基模型,针对隧道开挖边界引入非均匀收敛变形径向土体位移移动模式,提出了层状地基中地铁施工垂直穿越既有管道变形的耦合分析方法和两阶段分析方法,并进行了算例对比和参数分析。结果表明:耦合方法在分析非均质层状地基时具有较好的计算精度,其精度要高于基于Loganathan和Poulos公式的两阶段方法;同时,地基土体的成层性对既有地下构筑物的变形性能具有较大影响。研究成果可为合理制定城市地铁施工对周围环境影响的保护措施提供一定的理论依据。     

层状地基-非线性结构系统地震响应特性分析

根据从系统能量导出的地震动力方程,采用渐近解析法对层状地基 非线性结构系统的地震响应进行了分析,给出了共振区的振幅-频率以及相位-频率的解析公式,并对地基参数的不同取值,给出了一系列相应的计算结果。进而根据计算结果分析了地基参数对结构地震响应特性的影响,讨论了共振区畸变、振幅的分叉和突变现象以及“路径”效应等非线性动力特性。分析结果表明,同一类别地基的参数变化对结构的动力特性有显著的影响,按现行抗震设计方法对层状地基 非结构系统进行抗震分析时,可能产生较大的偏差,需考虑相互作用和非线性特性,以使设计参数更合理和优化。     

基于传递-反射矩阵法的层状公路结构动力响应研究

利用传递-反射矩阵方法和叠加原理推导了双轮胎振动荷载作用下弹性层状公路结构的动力响应解,并利用Hankel数值逆变换技术进行了数值求解。弹性层状结构的传递-反射矩阵同时具有单个矩阵尺寸小、矩阵元素只含有负指数项2个优点,计算结果不受土层单元厚度与荷载频率大小的影响,可以大幅提高计算效率和精度。通过将数值计算与室内模型试验结果进行比较,验证了方法的正确性。在此基础上,分析了面层厚度及模量对层状公路结构动应力、动位移的影响程度和规律,得出了一些有意义的结论。研究结果可为公路路面、路基结构设计提供参考。     

不同边界和地基条件的大型滑坡体动力响应分析

动力有限元计算结果的真实性与模型边界条件的设置和地震波输入高程的选择有着密切的关系。采用动力有限元时程分析法对不同边界和地基条件的大型滑坡体进行了数值计算,在此基础上分析了地基辐射阻尼和地震加速度输入高程对滑坡体动力响应的影响,以及大型滑坡体的地震响应规律。结果表明,上田镇大型滑坡体在动力作用下上部的位移响应值大,剪应力小,而下部则相反;黏弹性边界能有效地降低滑坡体的地震反应,而且地震输入高程的不同对滑坡体的地震响应会产生相当大的影响,地基辐射阻尼和地震波输入的模拟合理性直接影响滑坡体动力分析的客观性。     

Numerical analysis of an experimental pipe buried in swelling soil

This paper investigates the pipe–soil interaction for pipes buried in expansive soil when subjected to swelling soil movement due to increase in moisture content. A laboratory experiment has been undertaken on a plastic pipe in a large-scale pipe box. A three dimensional numerical model is developed to analyse the pipe response, using FLAC^3D computer program. The pipe is assumed to behave as a linearly elastic material, while the soil is modelled as a nonlinear material with Mohr–Coulomb failure criterion. The water flow and soil/pipe deformations are decoupled, where water flow is calculated using simplified capillary rise theory on the basis of measurements made. A reasonably good agreement between the experimental results and model predictions is reported.     

Soil resistances for laterally loaded rigid piles in multi-layered elastic soil

ABSTRACT

Short stubby piles like monopiles and large diameter drilled shafts undergo rigid body translation and rotation when subjected to a lateral force and/or a moment at the head. A method of analysis for these piles embedded in multi-layered elastic soil is developed using the variational principles of mechanics. Using this analysis, the soil resistance against pile movement can be rigorously related to the soil elastic constants, and the pile head displacement and rotation can be quickly calculated. The equilibrium equations for pile and soil displacements are obtained using the principle of virtual work and solved using an iterative algorithm. Pile responses obtained from the analysis match well with those obtained from three-dimensional finite element analyses in which the same inputs of loads, geometry, and material properties are given. Based on the new analysis, fitted equations for soil resistance parameters are developed, which can be used to directly calculate the pile head displacement and rotation without the use of the iterative algorithm. Numerical examples are provided that demonstrate how the method can be used to analyse practical problems.     

Vertical dynamic response of a pipe pile in saturated soil layer

An analytical solution is developed in this paper to investigate the vertical time-harmonic response of a pipe pile embedded in a viscoelastic saturated soil layer. The wave propagation in the saturated soil is simulated by Biot’s 3D poroelastic theory and that in the pipe pile is simulated by 1D elastodynamic theory. Potential functions are applied to decouple the governing equations of the soil. The analytical solutions of the outer and inner soil in frequency domain are obtained by the method of separation of variables. The vertical response of the pipe pile is then obtained based on the continuity assumption of the displacement and stress between the pipe pile and both the outer and inner soil. The solution is compared with existing solutions to verify the validity. Numerical examples are presented to analyze the vibration characteristics of the pile.     

Lateral dynamic response of a pipe pile in saturated soil layer

This paper presents an analytical solution for the lateral dynamic response of a pipe pile in a saturated soil layer. The wave propagations in the saturated soil and the pipe pile are simulated by Biot's three‐dimensional poroelastic theory and one‐dimensional elastic theory, respectively. The governing equations of soil are solved directly without introducing potential functions. The displacement response and dynamic impedances of the pipe pile are obtained based on the continuous conditions between the pipe pile and both the outer and inner soil. A comparison with an existing solution is performed to verify the proposed solution. Selected numerical results for the lateral dynamic responses and impedances of the pipe pile are presented to reveal the lateral vibration characteristics of the pile‐soil system. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

横观各向同性地基中管桩扭转振动响应解析解

考虑地基沉积过程中产生的竖向和水平向力学性质的差异,对横观各向同性地基中管桩扭转振动频域响应进行了理论研究。基于横观各向同性材料的本构关系以及桩-土耦合扭转振动,建立了桩土系统定解问题,通过Laplace变换和分离变量法求得了桩周土和桩芯土扭转振动位移形式解。通过桩-土接触面的连续条件,求得了管桩扭转频域响应解析解,并得到了桩顶复动刚度和速度导纳的表达式。将所得解退化到横观各向同性地基中实心桩解以及均匀地基中管桩解,并与已有文献进行了对比,验证了解的合理性。通过数值算例,分析了桩周土和桩芯土的横观各向同性力学参数对桩顶扭转复刚度及速度导纳的影响。     

黏弹性地基中管桩水平动力特性分析

从土体三维波动方程出发,将管桩看作一维欧拉-伯努利梁,对黏弹性地基中管桩水平振动响应进行了理论研究。摒弃传统的设立势函数法,而采用微分变换直接对土体振动方程进行解耦,并结合分离变量法求得了桩周土和桩芯土位移和应力表达式,进而利用管桩与桩周土和桩芯土接触界面的耦合连续条件得到桩的位移解析解,给出了管桩桩顶水平动力复阻抗表达式。将所得解完全退化到实心桩解,并与现有文献进行对比,验证了所提方法的合理性。通过参数分析,研究了桩周土、桩芯土剪切模量和密度以及管桩桩长对管桩桩顶复阻抗的影响。     

地埋管道与土相互作用平面分析与计算方法

地埋管道上实测的土压力并不是按现行计算方法假定形状分布的,其分布形式与管土的相对刚度及施工埋设方式密切相关。为此,依据现场实测和模型试验得到的地埋管道受力特征,在平面应变条件下,采用建立的管-土相互作用分析Vlazov模型来模拟管-土之间的相互作用,考虑管道不同的埋设条件、管周的不同充填介质及管-土相互作用引起的土压力状态等情况,建立了地埋管与土相互作用平面问题的传递矩阵分析法。并设计了可视化计算机软件,实现了计算手段的创新。运用此软件对现场埋管工程作了分析计算,并与实测结果进行比较,验证了所建立的计算方法的正确性。     

Vertical dynamic response of a rigid foundation embedded in a poroelastic soil layer

A simplified analytical method is presented for the vertical dynamic analysis of a rigid, massive, cylindrical foundation embedded in a poroelastic soil layer. The foundation is subjected to a time‐harmonic vertical loading and is perfectly bonded to the surrounding soil in the vertical direction. The soil underlying the foundation base is represented by a single‐layered poroelastic soil based on rigid bedrock while the soil at the side of the foundation is modeled as an independent poroelastic layer composed of a series of infinitesimally thin layers. The behavior of the soil is governed by Biot's poroelastodynamic theory and its governing equations are solved by the use of Hankel integral transform. The contact surface between the foundation base and the soil is smooth and fully permeable. The dynamic interaction problem is solved following standard numerical procedures. The accuracy of the present solution is verified by comparisons with the well‐known solutions obtained from other approaches for both the elastodynamic interaction problem and poroelastodynamic interaction problem. Numerical results for the vertical dynamic impedance and response factor of the foundation are presented to demonstrate the influence of nondimensional frequency of excitation, soil layer thickness, poroelastic material parameters, depth ratio and mass ratio on the dynamic response of a rigid foundation embedded in a poroelastic soil layer. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于BOTDR技术的深埋岩溶土洞监测分析

岩溶洞穴发育成地表塌陷影响因素复杂。为了获得岩溶土洞监测标识区域的应力特征,在太沙基松动土压力理论基础上,对岩溶土洞发育历程中松动区竖向土压力进行了分析。松动区的空间位置由洞穴特征及其上方岩土介质的物理、力学性质决定;平面应变和非平面应变条件下,松动区竖向土压力的分布特征差异明显。根据岩溶土洞上方松动区竖向土压力的分布特征,结合BOTDR技术优点,提出应用BOTDR技术监测岩溶土洞的发育,针对光纤监测系统设计中光纤布线型式进行了分析。岩溶土洞应力场变化特征的定量研究对光纤传感技术应用于岩溶土洞监测设计提供理论依据和指导。