交通荷载作用下地基中瑞利波的传播特性

瑞利波频谱分析法是一种能有效的测试地基参数的方法,但测试深度较浅.交通荷载产生的波频率低,传播较深,因此利用交通荷载产生的表面波能获的更深土层的参数.根据交通荷载的运动特性和三维波动方程,运用解析方法求得了交通荷载作用下瑞利波的特征方程,并对弥散性和荷载运动对波的传播的影响进行了分析,研究发现对于同一运动速度V,不同频率的波其传播方向不相同.     

静载荷下黄土地基矩形地下连续墙现场试验研究

采用自平衡测试技术,在国内外首次进行了竖向静载荷作用下黄土地基中矩形地下连续墙现场试验研究,根据测试结果及黄土的物理力学性质,对黄土地基中矩形地下连续墙的荷载传递性状进行了详细分析。结果表明：黄土地基中矩形地下连续墙的承载特性具有端承摩擦桩的性质;墙的承载力由墙侧摩阻力和端阻力共同承担;墙侧摩阻力和端阻力的发挥与墙土的相对位移量及黄土的物理力学性质等因素有关;墙体达到极限荷载时,墙端阻力荷载分担比为40.3 %;各土层墙侧摩阻力随着墙土相对位移的增加而增大,但其增长幅度不等;加载时墙身轴力在加载处最大,随着各土层墙侧摩阻力作用的发挥,墙身轴力随着离荷载箱距离的增加而减小。     

土体饱和度对移动荷载引起多层非饱和铁路地基振动的影响

采用半解析法研究了移动荷载作用下多层非饱和铁路地基的共振问题,分析了土体饱和度对非饱和地基振动的影响。采用分层非饱和多孔介质描述铁路地基;基于非饱和多孔介质的控制方程,采用多重傅里叶变换和土层界面位移、应力条件,推导了频率-波速域分层非饱和地基总体刚度矩阵。结合包括钢轨、轨垫、轨枕和道砟的轨道模型,建立耦合轨道-地基半解析模型。研究了移动简谐荷载作用在轨道上的多层非饱和地基的动力响应;考虑饱和度对土体剪切模量的影响,讨论了地基首层土和夹层土饱和度变化对地面振动的影响。采用频散曲线研究了地基共振模态。研究发现土体饱和度变化对振动位移的影响规律,与地基分层、荷载速度和频率有关。随饱和度减小,地基共振模态出现频率增大,地基关键速度增大。     

矩形运动荷载作用下软土地基的三维振动研究

通过引入势函数,并利用Helmholtz原理和Fourier变换技术,研究了运动荷载作用下有限层厚软土地基的振动,考虑了矩形分布荷载作用下振动的三维特性,使得分析更符合工程实际,给出了运动荷载作用下饱和黏弹性地基三维振动的应力、位移和孔隙水压力响应的积分形式解答。利用Fourier数值逆变换进行算例分析,讨论了荷载速度对位移及孔隙水压力分布的影响。结果表明,位移幅值随荷载速度的增加而增大,荷载不同位置处孔隙水压力的分布有很大差异。     

交通荷载作用下Kelvin地基上不平整路面的动力响应分析

为了评价不平整路面在交通荷载作用下的动态响应,从路面几何不平整出发,假设路面不平整服从正弦函数曲线,并把1/4车身结构简化为2个自由度振动体系,得到了不平整路面上的动荷载表达式。又将此荷载模式看成是作用在Kelvin地基上无限大路面板表面的移动矩形荷载,采用双重Fourier变换方法得到了不平整无限大路面板竖向位移的积分形式解,此解析解可以退化为静荷载作用下的经典解答。并利用快速傅立叶变换(FFT)方法得到了数值计算结果。分析了荷载速度,路面不平整波长、不平整幅值以及地基阻尼和地基刚度对板的动力响应的影响。结果表明,板竖向位移的分布受荷载移动速度的影响;位移幅值随着路面不平整波长和荷载速度的变化出现2个峰值;路面不平整使得位移峰值出现滞后现象,且不平整波长越小或不平整幅值越大,滞后现象越明显。     

层状地基中瑞利波随深度的衰减特性

层状地基中瑞利波（Rayleigh wave）的传播规律以及随深度的衰减规律是工程环境微振动分析与控制研究的关键问题之一。采用解析法（矩阵传递法）分析了层状地基中瑞利波弥散曲线,并在此基础上研究了各种频率下不同类型土层（上软下硬、软夹层、硬夹层）中瑞利波位移随深度衰减规律,通过与弹性半空间解的对比发现,瑞利波位移随深度的衰减规律与频率、土层分布密切相关：频率越高,传播深度越浅;特殊土层（软夹层、硬夹层）的存在会局部显著地改变其衰减规律,并且位移峰值的分布受到频率和土层分布的共同影响。最后,将该方法用于分析上海光源工程地基条件下瑞利波随深度的衰减规律,并与现场深孔微振动测试数据进行了比较。结果证明,与弹性半空间解相比,层状地基中瑞利波随深度的衰减规律可以更为准确地反映真实条件下瑞利波随深度的衰减规律。     

矩形移动荷载作用下路面-双层地基系统三维振动分析

考虑路面和地基之间的相互作用,建立了路面-双层地基的三维模型,将车辆荷载模拟成矩形移动荷载,利用Fourier变换方法对车辆荷载作用下路面-双层地基系统的三维振动问题进行了研究。假设地基为上部弹性土体和下部为饱和土体组成的双层混合结构,整个系统置于刚性基岩上。通过引入势函数,利用Lame分解理论和积分变换方法分别对弹性土层和饱和土层进行求解。在Fourier变换域内,联立路面和下卧双层地基系统的的运动方程,获得了车辆荷载作用下路面-双层地基系统三维振动的位移和孔压响应的积分形式解,并利用IFFT算法和自适应数值积分算法得到了数值计算结果。研究结果可为路基动力响应分析提供参考。     

双向循环荷载作用下砾石−格栅界面动力剪切特性

在动荷载作用下,加筋土结构中筋土界面不仅会受到水平循环剪切作用,还会受到循环荷载的压缩作用。采用大型直剪仪对双向循环作用筋土界面动力剪切特性进行研究,探究不同循环法向荷载频率、水平循环剪切频率和法向荷载波形对界面剪切强度的影响。结果表明：当循环法向荷载频率和水平循环剪切频率一致时,峰值剪切应力和最大竖向位移随着频率的增加而增加,前后半周期剪切应力和位移曲线时间差均相同;反之,滞回圈应力−位移关系和竖向位移会由于双向循环荷载频率的不同呈现两种不同形态特性;正弦波法向荷载作用下剪切应力和竖向位移最大,而斜波和方波荷载作用下,滞回圈和竖向位移变化曲线较三角波和正弦波差别较明显;剪切刚度随着双向循环荷载频率的增大而增大,正弦波作用下界面剪切刚度最大,斜波作用下界面剪切刚度最小。     

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     

运动荷载附近有限层厚软土地基的振动研究

基于Biot多孔弹性介质的波动理论,研究了运动荷载附近软土地基的振动问题。假设一条形均布荷载作用在地基表面,则该模型可视为平面应变问题进行分析。通过引入4个势函数和Helmholtz原理,并利用Fourier变换及逆变换技术,获得了运动荷载作用下软土地基的应力、位移和孔隙水压力的解答。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,分析了荷载速度,频率以及软土的渗透系数及多孔弹性参数对运动荷载作用下地表竖向位移及土体中任一点孔隙水压力分布的影响。     

Dynamic responses of a poroelastic half‐space from moving trains caused by vertical track irregularities

The vibrations of railway tracks on a poroelastic half‐space generated by moving trains are investigated through a vehicle–track–ground coupling model. The theoretical model incorporates a vehicle, a track, and a fully saturated poroelastic half‐space soil medium. The source of vibration excitation is divided into two components: the quasi‐static loads and the dynamic loads. The quasi‐static loads are related to the static component of the axle loads, whereas the dynamic loads are due to the dynamic wheel–rail interaction. A linear Hertizian contact spring is introduced between each wheelset and the rail to consider the dynamic loads. Biot's dynamic theory is used to characterize the poroelastic half‐space soil medium. Using the Fourier transform, the governing equations for the track–ground system are solved and the numerical results are presented for a single axle vehicle model. The different dynamic characteristics of the elastic soil medium and the saturated poroelastic medium are investigated. In addition, the different roles of the moving axle loads and the roughness‐induced dynamic loads are identified. It is concluded that the vibration level of the free field off the track predicted by the poroelastic soil medium is smaller than that predicted by the elastic soil medium for vehicle speed below the Rayleigh wave speed of the poroelastic half‐space, whereas it is larger for vehicle speed above the Rayleigh wave speed. The dynamic loads play an important role in the dynamic responses of the track–ground system. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Single-station ellipticity retrieval and its joint inversion with dispersion curve,for a borehole test site

To obtain the shear wave velocity profile for engineering application to near-subsurface, many geophysical techniques are used. The dispersion curve alone is unable to provide deeper shear wave velocity information for deep soil deposit; therefore, a joint inversion of dispersion curves with the horizontal over vertical (H/V) (i.e., apparently ellipticity) curve is recommended. The H/V curve obtained from the microtremor recording contains a major part of Love wave contribution to the noise wavefield horizontal component. Due to this presence of Love wave fraction, the H/V curve does not completely replicate the ellipticity of Rayleigh wave. In this study, we try to compare the Rayleigh wave ellipticity obtained from the borehole velocity model to the H/V curve obtained at the same locality from seismic ambient noise recording. Two different techniques available for the Love effect minimization are tested and compared with the borehole ellipticity. Finally, the joint inversion of H/V and dispersion curve is made, which shows great correspondence with the previous measurement at the site.     

三维层状饱和地基动力Green函数的薄层法求解

建立了三维层状饱和地基模型并在模型底部施加无反射边界条件,引入Fourier变换和正交变换将饱和地基Biot动力方程化为Love和Rayleigh模态方程,将地基沿深度方向划分为数个薄层单元并对单元位移场引入线性插值函数,从而将模态方程离散化,通过求解本征值问题最终给出了三维层状饱和地基的频域动力Green函数。分析了均质饱和地基的Love和Rayleigh模态的弥散特性,求解了均质和成层饱和半空间的Lamb问题,并与Philippacopoulos的数值积分解对比,说明了所求Green函数的正确性。所得Green函数无需关于Hankel函数进行数值逆变换且能直接考虑地基的成层性,提高了计算效率。     

交错网格有限差分法模拟微动信号

为了较好地模拟给定模型在随机源激发下产生的稳定波场信息,为微动信号的检验和数据特征分析等提供理论依据,采用交错网格有限差分方法模拟微动信号,并根据瑞雷波和勒夫波的产生机理,通过测区内震源的分布情况估测微动信号中面波的组成成分。首先建立交错网格有限差分法模拟微动信号的数值模型,然后给出估测微动信号中面波组成成分的算式,最后采用典型方法数值模拟微动信号,应用空间自相关方法提取模拟信号中面波的频散曲线进行分析对比。结果表明,交错网格有限差分方法模拟得到的微动信号更符合实测结果。     

Rayleigh型与Love型槽波波场分离

煤矿井下采集到的槽波通常包括Rayleigh型槽波和Love型槽波,这两种类型的波场具有不同的偏振特点,由于目前现有的槽波处理软件和方法仅针对单一类型的波场,因此在数据处理过程中两种波场互为干扰,影响了后续频散分析和槽波成像的质量。从煤层槽波中Rayleigh型槽波和Love型槽波的基本偏振方程出发,利用两种波场的不同偏振特征,推导出一种时间域的波场直接分离方法,该方法具有经验参数少、算法稳健的特点;通过模型数据和实际数据的波场分离验证,取得了满意的结果。      

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性,建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型,模型中考虑参数间的耦连影响,并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程,采用微分算子法对控制方程进行解耦求解,推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基,验证了结果的正确性。通过数值算例,对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区,饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响,质点运动轨迹也由此发生变化;随着频率的升高,这种影响逐渐减小,当频率趋于无穷大时,瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速;地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性,瑞利波位移加速衰减,传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大,质点竖向位移的衰减快于水平位移,这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外,地基中非均匀土层厚度越小,则地基非均匀程度越高,对瑞利波的传播影响越大。     

Analysis of rectangular piles subjected to lateral loads in nonhomogeneous soil using a Winkler model approach

An analytical approach using a Winkler model based on two lateral soil displacement components in a three‐dimensional soil is investigated to provide analytical solutions of horizontal response of a rectangular pile subjected to lateral loads in nonhomogeneous soil. The two lateral displacement components of a soil surrounding the rectangular pile are represented by the Fourier series of displacement potential functions in the elastic three‐dimensional analysis. The lateral stiffness coefficient of the rectangular pile shaft in nonhomogeneous soil is derived from the rocking stiffness coefficient taking into account rocking rotation of a rigid pile shaft. The relationship between horizontal displacement, rotation, moment, and shear force for the rectangular pile subjected to horizontal loads in nonhomogeneous soil is obtainable in the form of the recurrence equation. The formulation of lateral displacement and rotation for a rectangular pile subjected to lateral loads on the pile base in nonhomogeneous soil is proposed by taking into account Mindlin's equation and the equivalent thickness for soil layers in the equivalent elastic method. The difference of lateral behavior between square and circular piles subjected to lateral loads is insignificant. The effect of aspect ratio of the rectangular pile on the lateral behavior is great for the lower stiffness ratio between pile and soil and the larger length–equivalent diameter ratio. The effect of the value of Poisson's ratio of soil on lateral stiffness coefficient is relatively small except Poisson's ratio close to 0.5. The comparison of the results calculated by the current method for a rectangular pile subjected to lateral loads in nonhomogeneous soil has shown good agreement with those obtained from the analytical methods and the finite element method. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

利用地脉动台阵记录反演场地浅层Vs结构

比较了影响Love波相速度频散曲线的主要因素,通过虚拟反演,说明了利用Love波相速度反演浅层剪切波速度结构的可行性,以地脉动台阵3分量观测记录提取的Love波相速度频散曲线为目标函数,利用遗传算法与单纯形法混合算法,分两种情况反演了某实际工程场地的浅层剪切波速度结构。结果表明,利用从地脉动台阵3分量观测资料中提取的Love波相速度反演工程场地浅层的剪切波速度Vs结构是一种很有前景的技术方法。     

饱和冻土中弹性体波传播特性影响参数研究

基于Leclaire对饱和双相孔隙弹性介质Biot模型的扩展,研究含有两种不同固相组分的三相多孔弹性介质中体波的传播特性。以饱和冻土为例,分析了各相体积分数、颗粒形状,接触参数等因素对波动方程中惯性参数、黏性参数、刚度参数的影响;对该三相介质模型进行了退化,分析了孔隙中只含液态水或固态冰时体波的特性;以饱和冻土为例,通过数值计算,探讨了饱和冻土中体波的相速度和衰减系数与胶结参数、接触参数、频率、饱和度、孔隙率等参数的关系。结果表明：与一般的饱和土不同,饱和冻土中存在5种体波,即3种纵波和2种横波;5种体波均具有弥散性和衰减性,且P1波、S1波弥散性和衰减性远小于P2、P3、S2波;胶结参数、饱和度、孔隙率对5种体波的传播特性影响显著,接触参数对传播特性影响较小。