基于2.5维有限元饱和土地基中空沟隔振性能研究

基于Biot饱和多孔介质U-W格式动力控制方程,采用Galerkin法和Fourier变换,推导了饱和土体2.5维有限元方程及黏弹性人工边界,建立了饱和土地基中空沟分析模型,并在波数域中进行求解,通过快速Fourier变换（FFT）进行波数展开,获得三维空间域中结果。算例分析了移动荷载作用下均质饱和土地基、分层饱和土地基、上覆单相弹性层饱和土地基3种饱和土地基模型中空沟的隔振效果。结果表明：饱和土地基中空沟的隔振效果不仅与空沟自身深度有关,还与地基中成层土体的分界面以及土体参数有关,波在不同土体分界面上的透射和反射会影响空沟的隔振效果;饱和土地基中上覆单相弹性层厚度对空沟的隔振效果影响显著,随着上覆单相弹性层厚度的增加,饱和土地基中空沟的隔振效果变好。     

饱和土体中排桩对移动荷载的被动隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,研究了饱和土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。隔振桩作为一维杆,饱和土体满足Biot理论。利用已有的移动荷载作用下的饱和土体的自由波场解及饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,建立了频域内土-桩的第2类Fredholm积分方程。通过Fourier逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果相比较,验证了方法的正确性。数值结果表明,荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响,即在相同隔振系统情况下,单排桩对低速荷载引起振动的隔振效果比高速移动荷载效果好。同时,较高速时的最佳桩长比低速时要短。     

二维饱和地基中空沟主动隔振分析

根据饱和土Biot理论,在频域内提出了一种适用于弹性波波动问题的有限元-无限元解法,其中有限单元用于近场介质的模拟,而形函数基于一维解析解答的无限单元则被用于人工边界,它可反映波传递到无限远处的特性;应用该法计算算例,以证明其有效性与正确性。在此基础上,对饱和地基中空沟主动隔振效果进行了详细的数值分析,结果表明,空沟深度是影响隔振效果的主要因素,一般沟深越大,隔振效果越好;当沟深一定时,空沟到振源的距离不宜超过1.5倍饱和土剪切波长;空沟的宽度对隔振效果的影响相对较小。     

层状地基中空沟对交通荷载的竖向隔振分析

空沟是一种常用的连续隔振屏障,可以有效地降低人工振动。以位移为变量的二维格子法在波动问题计算中具有良好的适应性、高效性,兼备有限元与差分法的一些优点,应用该法针对层状地基中作用于路堤上的交通荷载引起振动的空沟竖向隔振问题进行了参数研究,分别考虑了上软下硬地基和上硬下软地基两种情况。研究结果表明：空沟宽度对隔振效果的影响较小;空沟深度与空沟的位置是影响隔振效果的关键因素,它们相互关联,其取值应综合考虑;在上述两类层状地基中,若空沟深度与上层土的厚度接近或相等均对竖向隔振不利;路堤高度越大对竖向隔振效果越不利。     

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。     

层状饱和土体中排桩对简谐荷载隔振效果分析

根据Biot理论,利用已有的传递、透射矩阵法得到层状饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,再由Muki虚拟桩法,建立了频域内层状土-桩的第二类Fredholm积分方程。通过离散方法求解积分方程,得到了评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果比较,验证了方法的正确性。数值结果表明：对于同种类型的振源,采用相同的隔振系统,在上软下硬的多层土体中的隔振效果比在上硬下软的土层中要好。采用较长的桩或刚度较大的桩,或桩之间的距离加密都可得到好的隔振效果。     

饱和地基上列车运行引起的地面振动隔振分析

利用推导出的频域内饱和土的以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的2.5维有限元方程,分析列车低速和高速运行条件下不同隔振措施的隔振效果,包括空沟、填充沟（混凝土墙）和混凝土板（波阻板）。其中轨道被简化为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题,对求解的结果进行Fourier反变换,获得三维时域-空间域内的解。研究表明：弹性地基和饱和地基上设置空沟和填充沟隔振效果相差不大,而设置波阻板隔振效果存在较大差异。列车低速运行时,空沟基本无隔振效果,填充沟在一定范围内有隔振效果,波阻板隔振效果最好;列车高速运行时,空沟在较大沟宽和较深沟深条件下才能达到较好隔振效果,填充沟和波阻板只需较小尺寸就能达到理想的隔振效果     

填充沟屏障远场被动隔振三维分析

把填充沟看作存在于弹性半空间的异质体,运用瑞利波散射的积分方程,对填充沟连续屏障远场被动隔振进行了三维分析,详细讨论了影响隔振效果的几个主要参数。研究表明,刚性材料比柔性材料具有更好的隔振效果,在隔振设计时应选择刚性屏障材料;填充沟的深度在一倍瑞利波波长内对隔振效果有较大影响,并且与宽度一起决定其隔振效果,但当屏障深度超过一倍瑞利波波长后,屏障深度对隔振效果的影响很小。     

移动荷载作用下饱和土体上筏板-上部结构的动力响应分析

根据饱和土比奥理论与最小势能原理及薄板理论,采用子结构法,把上部结构、基础和地基作为一个共同作用的整体,在接触界面上满足变形协调条件,建立移动荷载作用下饱和土体地基-筏板-上部结构共同作用的积分方程。对积分方程的数值求解和相应的Fourier逆变换,得到任意时刻上部结构、筏板的内力和位移以及地基反力。最后通过数值计算,分析了饱和土体参数、移动荷载的速度等对上部结构水平、垂直方向的振动的影响特点。数值结果表明：上部结构各层的水平位移、竖向位移都随荷载速度增大而增加;竖向位移随楼层增加变化不大,当荷载速度较低时,水平位移随上部结构高度的变化曲线平滑少弯折,说明振动较稳定。但当荷载速度较高时,水平位移随楼层变化曲折越明显,层间差异大     

移动荷载作用下层状饱和土的动力响应

根据Biot波动理论,采用传递、反射矩阵（TRM）方法研究了移动荷载作用下层状饱和土动力响应问题。由快速Fourier逆变换法（IFFT）得到层状土地基位移、应力及孔压在时间-空间域内的数值解。计算结果与已有文献结果相吻合,验证了算法的正确性。通过算例分析表明：移动荷载作用下含有软弱夹层的层状土体比均质土具有更显著的动力响应,同时会引起土体孔隙水压升高、土体波动性增强;硬夹层时情况则相反。     

水位变化对多空沟屏障远场隔振效果的影响研究

受季节性降雨的影响,雨季和旱季存在明显的水位波动。为分析地下水位升降对多空沟隔振效果的影响,建立了上覆单相弹性层饱和地基中空沟有限元分析模型。模型中考虑了沟中水的作用,算例分析了等沟深和不等沟深多沟屏障、沟壁倾斜多沟屏障和连续起伏地形屏障在不同水位下的远场隔振效果。计算结果与相应单相弹性地基进行对比,结果表明：土体渗透性低时,多数水位下不利于多沟屏障隔振;沟深为0.3LR（LR为R波波长）的三沟屏障通常可获得较理想的隔振效果（75%隔振率）,但屏障在隔振效果最差的共振水位(0.6LR)下,空沟须贯穿上覆干土层才可获得75%隔振率;递减沟深屏障可有效降低上覆土层共振的不利影响;沟深较浅时,沟壁倾角越大,多沟的隔振效果越好,但对较深多沟的影响小;连续起伏的地形景观可作为一种有效的绿色隔振屏障。     

空沟对冲击荷载隔离的现场试验与数值模拟

在场地开挖了一条空沟,以落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer,简写为FWD）的荷载模拟冲击荷载,通过FWD自带的传感器测得空沟后一定范围内的竖向位移。通过室内试验,获取试验场地的岩土参数,采用非线性动力有限元软件ABAQUS建立二维模型（将远处单元定义为无限单元来模拟吸收边界,从而避免振动波的来回反射）。以空沟中心线的现场测试数据为依据,校核有限元模型。通过分析不同工况模拟的竖向位移,研究得出空沟-荷载间距、沟深、沟宽等对隔振效果的影响。结果表明,(1) 空沟-荷载间距越小,隔振效果越好,但实际隔振工程中,为避免振动对空沟侧壁的稳定性的影响,空沟与振源不宜太近,因此可以不计空沟-荷载间距对隔振效果的影响;(2) 就提高隔振效果而言,增大沟深比增大沟宽更有效,而相同的隔振效果,窄-深沟的挖方量远小于宽-浅沟;(3) 在对冲击荷载进行隔振设计时,对于一般的民用和工业建筑,综合隔振效果、开挖和支护费用等因素,采用宽度为0.5～1.0 m,深度为2.0～2.5 m的空沟较为合理,与某工程实例进行比对,验证结论的合理性。