饱和土动力反应中两类压缩波的独立作用分析

饱和土动力反应中存在2种类型的压缩波，它们有不同的特性，第1类压缩波类似于单相体中的压缩波；第2类压缩波由于有粘滞阻尼而衰减很快，由于数学分析和实验观测的复杂性，这两类压缩波在饱和土动力反应中的独立作用并不为人熟知，沿有J.Yang提出的方法求解基岩上的饱和土层在地表受到竖向均布简谐荷载作用下的稳态反应，通过分离变量得到解析解，定量比较了两类压缩波对土骨架位移、土体总应力、孔隙水压的独立作用。还讨论他粘性和荷载频率对两类压缩波的影响。     

粘性土物理力学性质与超声波波速关系的试验研究

含水量W和压缩系数α是粘性土的主要物理力学性质指标。运用HTY-C型超声波参数测定仪,测定了南京市河西地区不同状态粘性土的超声波波速值,对比得到其与含水量W和压缩系数α变化关系。试验研究结果表明:粘性土的纵波波速值随含水量的增大而增大;而横波波速值与含水量的相关性较差;在相同含水量下粘性土的纵横波波速值的比值之间呈线形关系;一定含水量条件下,粘性土的纵波波速与压缩系数之间呈指数函数关系,横波与压缩系数之间呈线性关系。     

饱和土中管桩的水平动阻抗研究

为了考察桩、土主要参数对饱和土中管桩水平振动的影响,将土体分为桩周饱和土和桩芯饱和土两部分,利用多孔介质理论的饱和土控制方程建立了饱和土-管桩的耦合振动模型。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土边界条件的情况下,运用势函数解耦的方法对桩周饱和土和桩芯饱和土的水平振动进行了求解。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土对管桩作用的情况下对饱和土中管桩的水平振动进行了求解,得到了管桩桩顶的水平动力阻抗,并分析了主要桩、土参数对管桩水平动力阻抗的影响。研究表明：管桩内外半径、桩周土和桩芯土剪切模量比、泊松比之比对管桩水平动力阻抗的影响较大,低频时液-固耦合系数比对管桩水平动力阻抗有一定的影响,而阻尼比之比对管桩水平动力阻抗阻尼因子有一定的影响。     

非均匀饱和土中Love波的传播特性

基于Biot的横观各向同性饱和孔隙介质模型,考虑孔隙介质的非均匀性,导出了均匀饱和土半空间上非均匀饱和土层中Love波的复频散方程,并提出了复方程的迭代解法.以均匀弹性半空间上非均匀饱和土覆层为例,进行了数值计算,讨论了Love波的频散和衰减特性.     

粘弹性准饱和土中球空腔的动力响应

从工程实际出发,采用粘弹性两相介质模型,考虑土骨架的粘性以及流体与固体之间的耦合作用,利用Laplace变换求解了粘弹性准饱和土中球空腔的动力响应问题,得到了变换域内的解析解。借助数值Laplace反变换,数值分析了粘弹性准饱和土中球空腔动力响应的位移、应力及孔压的变化规律。为分析地下结构动力响应提供了一种有效的方法,模型符合工程实际,有一定的工程应用价值。     

地震作用下饱和土-桩-上部结构动力相互作用研究

将土体视为液固两相多孔介质,利用连续介质力学得到了饱和土层的水平动力阻抗,将上部结构视为梁单元,桩-饱和土-桩之间的动力相互作用借助于等效的Winkler动力弹簧和波的干涉来模拟,并通过承台处力的平衡将群桩和上部结构耦合起来,研究了简谐SH地震波作用下饱和土-桩-上部结构的动力相互作用问题。以2×2群桩为例,对饱和土-桩-上部结构体系进行了数值分析,讨论有关参数对结构体系动力特性特别是抗震性能的影响。数值分析表明,桩间距、桩-土弹性模量比、长径比等对结构体系的抗震性能有较大影响。桩间距对地震放大系数的影响与外界激励的频率有关,桩土模量比较小、结构和桩基的阻尼较大时结构体系的抗震效果较好,长径比越大地震作用下产生的结构变形越大     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

饱和黏弹性地基土中管桩纵向振动研究

用解析方法在频率域内研究考虑质量耦合效应的饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动特性。基于Biot理论,采用薄层法,推导得到饱和黏弹性地基土的位移、应力等的表达式。将管桩等效为一维弹性杆件处理。根据界面连续性条件,给出饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动一般分析方法和桩顶动力复刚度的表达式。在该基础上,对比分析饱和地基土中实心桩和管桩纵向振动特性。通过算例分析,考察桩周土和桩芯土的力学参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响。研究表明,饱和黏弹性地基土中实心桩和管桩的纵向振动有明显的差异。     

饱和土中弹性波在双椭圆孔洞周围的散射

利用复变函数法和多极坐标法,研究了饱和土中弹性波在双椭圆孔洞周围的散射及动应力集中的问题。首先通过引入位移势函数,将二维稳态条件下Biot波动方程解耦成势函数所满足的3个Helmholtz方程, 根据分离变量方法即可得Helmholtz方程在柱坐标下势函数的通解。利用土骨架和孔隙水的边界条件,确定波函数展开式中的未知系数,进而得到位移、应力和孔压的表达式。给出了弹性波对2个椭圆形孔洞的动应力集中系数的数值结果,并讨论了波数和孔距变化对动应力集中系数和孔压集中系数的影响。     

半空间饱和土中圆形衬砌对弹性压缩波的散射

借助于Biot 波动理论和弹性波的传播理论,采用复变函数和多级坐标法,对半空间饱和土中圆形衬砌结构对弹性稳态压缩波的散射问题进行求解和分析。利用一个半径很大的圆弧来逼近半空间直边界,将待解问题转化为稳态弹性压缩波在一个大圆孔和一个弹性衬砌结构的散射问题。通过引入势函数,将饱和土的Biot波动方程和衬砌的弹性波动方程解耦成Helmholtz 方程,借助复变函数级数展开便可以预先写出该组Helmholtz方程的通解。然后,通过引用复变量,把饱和土和衬砌结构中的应力、位移及孔压用设定的势函数表示出来,再利用半空间饱和土和衬砌结构的连续性条件和近似直边界的圆弧边界和衬砌内边界的边界条件求解出该组势函数的特解。最后,利用势函数的特解,得到饱和土中的位移,应力和孔压及衬砌结构的位移和应力;变换不同的参数求解衬砌结构内外边界的动应力和孔压的集中系数,通过对算例结果的分析得出一系列有益的结论。     

饱和土一维简谐响应解析解的求解和应用：II 应用

将相关论文[1]中得到的饱和土一维简谐响应解析解，应用到饱和土中两类压缩波的独立作用、饱和土中波的传播速度、u-p方程的适用范围等研究中。在两类压缩波的独立作用研究中，克服了以前文献中的数学不严密性。研究了饱和土各参数对三种体波波速的影响。通过比较u-w和u-p方程的解答，定量地说明了u-p方程的适用范围。     

饱和砂土的剪切波速与其抗液化强度关系研究

根据饱和砂土剪切波速与其抗液化强度的相关性原理,利用剪切波速与振动三轴联合实验装置,进行了控制饱和砂土初始剪切波速的振动液化实验,依据实验结果建立了剪切波速与抗液化强度的定量关系。最后用现场勘查数据对此定量关系进行验证,结果表明：该关系式对实际 66 个未液化地点的判别准确率达到 81.2 %;对 108 个实际液化地点的判别准确率达到 62.8 %;平均判别准确率达到 69.5 %。     

爆炸波在高饱和度饱和土中传播规律的研究

通过在? 2.5×5 m模拟爆炸装置中进行饱和土爆炸试验,得到了变埋深条件下饱和土中的压力实测波形,实测到了冲击波和弹性波,二者之间具有较明显的分界,爆炸近区和远区荷载形式具有较大的区别。通过综合分析给出了饱和土中波的传播规律,揭示饱和土中爆炸冲击波传播时出现流体动力区和冲击波形成等性质,建立了饱和土双线性递增硬化本构关系,确定了由冲击波向弹性波转换的分界压力。     

Influence of a point sink on a pile group in saturated multilayered soils with anisotropic permeability

The behavior of a pile group is solved using the finite element method, and the fundamental solution of saturated multilayered soils with anisotropic permeability is obtained by the analytical layer element method. Based on the supposition of no slip occurring at the pile‐soil interface, the governing equations of the interaction between the pile group and the soils due to a point sink are established in the Laplace‐Hankel transformed domain by considering the pile‐soil compatibility condition. Numerical results are presented to study the effect of point sink pumping, the properties of soils, and the geometries of piles on the behavior of the pile group.     

变埋深条件下饱和土爆炸能量耦合系数的试验研究

通过在? 2.5 m×5 m模拟爆炸装置中进行了饱和土爆炸试验。利用自由场试验研究了饱和土在不同埋设深度条件下的爆炸问题,得到了相应的爆炸破坏效应的宏观特征和压力实测波形,并对测试结果进行了分析,得到了饱和土中爆炸波传播规律,并通过试验得到耦合系数的试验数据,绘制了耦合系数曲线。实验结果表明,对于封闭爆炸最小比例埋深为2.62 m/kg1/3,当比例埋深大于2.62 m/kg1/3时,峰值压力与动量受比例埋深的影响不大,此时爆炸能量基本被封闭在饱和土中。     

波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

波速测试在岩土工程中的应用

通过波速测试技术进行岩土体弹性波速度原位测试,利用岩土体的纵、横波速度值能够进行场地类别划分,确定场地卓越周期,以及计算地基土的动参数,为岩土工程提供必要的设计参数。通过计算获得了徐州苏宁广场场地土的纵、横波速度以及场地土的动参数,根据《建筑抗震设计规范》确定徐州苏宁广场场地为二类场地,利用波速值计算场地卓越周期为0. 415 s与规范中查表获得的特征周期一致。为该工程场地工程地质评价和抗震设计提供了丰富的参数。     

高饱和度饱和土中爆炸波与结构的相互作用

利用改进的? 2.5 mm×5 m的模拟爆炸装置进行了一系列爆炸波与结构相互作用的实验,得出了爆炸波作用下结构上的表面压力、动量、应变的实测波形。实验结果表明,由于结构刚度较小,在相同爆心距离条件下结构的荷载与自由场的压力值相差不大;荷载在顶板的分布较为均匀,结构在爆炸载荷作用下发生整体变形,可以用中心荷载代替整体荷载;结构对爆炸波的反射,无论是弹性波还是冲击波,反射规律基本一致。随着饱和度的增大,结构上的反射系数和爆炸冲击波波速也随之增大。     

Numerical and analytical investigation of compressional wave propagation in saturated soils

In geotechnical earthquake engineering, wave propagation plays a fundamental role in engineering applications related to the dynamic response of geotechnical structures and to site response analysis. However, current engineering practice is primarily concentrated on the investigation of shear wave propagation and the corresponding site response only to the horizontal components of the ground motion. Due to the repeated recent observations of strong vertical ground motions and compressional damage of engineering structures, there is an increasing need to carry out a comprehensive investigation of vertical site response and the associated compressional wave propagation, particularly when performing the seismic design for critical structures (e.g. nuclear power plants and high dams). Therefore, in this paper, the compressional wave propagation mechanism in saturated soils is investigated by employing hydro-mechanically (HM) coupled analytical and numerical methods. A HM analytical solution for compressional wave propagation is first studied based on Biot’s theory, which shows the existence of two types of compressional waves (fast and slow waves) and indicates that their characteristics (i.e. wave dispersion and attenuation) are highly dependent on some key geotechnical and seismic parameters (i.e. the permeability, soil stiffness and loading frequency). The subsequent HM Finite Element (FE) study reproduces the duality of compressional waves and identifies the dominant permeability ranges for the existence of the two waves. In particular the existence of the slow compression wave is observed for a range of permeability and loading frequency that is relevant for geotechnical earthquake engineering applications. In order to account for the effects of soil permeability on compressional dynamic soil behaviour and soil properties (i.e. P-wave velocities and damping ratios), the coupled consolidation analysis is therefore recommended as the only tool capable of accurately simulating the dynamic response of geotechnical structures to vertical ground motion at intermediate transient states between undrained and drained conditions.     

Rayleigh面波各阶模式频散曲线对横波速度和层厚的敏感性探讨

Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用频散曲线反演地层厚度及横波速度,而不同模式的频散曲线对横波速度和层厚的敏感性不同。通过求取介质参数变化10%后与参数不变化时的二组频散曲线的差值,得到各阶模式的频率～相速度差曲线,分析了Rayleigh面波各模式频散曲线对横波速度、层厚的敏感性。试验结果表明,基阶模式对于浅层的横波速度和层厚比较敏感,敏感区域主要集中在较窄的频带范围内。而高阶模式对于相对较深层的横波速度和层厚比较敏感,且频率范围分布较大,敏感性强的频段分布比较分散。研究结果可以为Rayleigh面波多模式联合反演提供理论依据。