半透水边界下分数阶黏弹性饱和土一维固结特性分析

为描述饱和土体的流变特性,引入分数阶导数Kelvin-Voigt黏弹性模型,采用解析方法对半透水边界下的分数阶黏弹性饱和土一维固结特性进行了研究。分别对骤加恒载下饱和土一维固结微分方程和分数阶Kelvin-Voigt黏弹性本构方程进行Laplace变换,并联立求解得到了双边半透水边界条件下分数阶黏弹性饱和土在Laplace变换域内的解析表达式。通过Crump方法实现Laplace数值反演,得到时间域内的半解析解。将所得到的解分别退化为分数阶黏弹性饱和土一维固结半解析解和双边半透水黏弹性饱和土一维固结半解析解,结果与已有文献半解析解相同,验证了提出的双边半透水边界条件下分数阶黏弹性饱和土一维固结解的可靠性。通过算例考察了半透水边界条件和分数阶黏弹性饱和土参数对一维固结特性的影响。研究表明,双边半透水边界下分数阶黏弹性饱和土一维固结发展过程与半透水边界条件、分数阶次和黏滞系数有关,且土体的压缩模量对饱和土一维固结最终沉降量有显著影响。     

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。     

频域内饱和多孔介质的参数反演分析

基于Biot理论,假定固体颗粒和孔隙内流体均不可压缩,建立了以固体骨架位移表示的的控制方程.考虑单层饱和多孔介质在竖向简谐荷载作用下一维动力响应,通过理论推导获得了骨架位移、应力以及孔隙流体压力等物理量的解析表达式.基于饱和土的简谐动力模型试验数据,与所得到的理论解答相结合,将饱和多孔介质材料参数反演问题归结为非线性多峰函数的最优化问题.全局最优解的求解采用了遗传算法和模拟退火算法,并通过试验和数值算例验证了所得材料参数的正确性.     

任意荷载下双面半透水边界分数阶导数黏弹性饱和土层一维固结

基于Terzaghi一维固结理论,分析了考虑半透水边界条件的分数阶导数黏弹性饱和土层在随时间变化的任意荷载作用下一维固结问题。首先,应用Laplace变换联立求解饱和土层一维固结微分方程和分数阶Kelvin-Voigt黏弹性本构方程,推导出有效应力和沉降在Laplace变换域内的解析解,采用Crump方法进行Laplace逆变换,得到了时间域内的半解析解。然后将本文得到的半解析解分别退化为半透水边界条件下基于黏弹性假设的一维固结半解析解和双面透水边界条件下基于分数阶黏弹性假设的一维固结半解析解,结果与已有文献的半解析解相同,验证了本研究所提出解的可靠性。最后通过算例分别考察了半透水边界参数、分数阶黏弹性模型参数和荷载参数对饱和土层固结沉降的影响。研究表明,半透水边界条件参数、分数阶次与黏滞系数主要影响饱和土层固结的发展快慢,而饱和土层的最终沉降量主要受到土层压缩模量的影响;另外,饱和土层的固结规律与外荷载变化规律一致。     

竖向简谐荷载下二维层状饱和地基的解析层元解

基于Biot固结理论,运用解析层元方法求解竖向简谐荷载作用下二维层状饱和地基的动力响应问题。从直角坐标平面应变问题控制方程出发,通过Fourier-Laplace变换将偏微分方程组转化为常微分方程组,求解得到单层饱和地基的解析层元。结合层间连续条件和边界条件,组装得到多层饱和地基的总刚度矩阵方程,进而求得变换域内的解。借助Fourier-Laplace逆变换的数值积分方法,获得平面应变动力问题在物理域内的解,编制了相应的计算程序,其计算结果与已有文献结果吻合较好。通过算例分析了荷载圆频率、荷载作用深度及地基成层性对地基竖向位移的影响。计算结果表明：随荷载圆频率的增大,地基竖向位移先增加后减小;地基竖向位移在荷载作用点处呈现波峰,且受表层土性的影响较大。     

变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结特性研究

为了研究温度变化对一维饱和土固结特性的影响,本文基于渗流方程和热传导方程,考虑了顶面边界的半透水性和热传导性,提出了变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结的半解析解,并分析了其固结特性。首先,引入Laplace变换分别求解了半透水边界条件下热力耦合模型和非热力耦合模型的一维饱和土热固结方程,推出了有效应力、温差和沉降的半解析解。其次,通过Crump方法进行Laplace数值反演,得到时间域内的解析解。然后,将本文已提出的解分别退化为单边排水条件下的一维饱和土热固结和Terzaghi一维固结的半解析解,结果与已有文献相同,验证了本文研究所推导出解的可靠性。最后通过算例分析了各外荷载作用下半透水边界参数、温度增量、热扩散系数和固结系数对热固结特性的影响。结果表明,半透水边界参数、热扩散系数、固结系数和温度增量对饱和土一维固结特性影响显著。     

单层非饱和多孔介质一维瞬态响应半解析解

基于Zienkiewicz提出的非饱和多孔介质波动理论,考虑两相流体和固体颗粒的压缩性以及惯性、黏滞和机械耦合作用,采用半解析的方法获得了一类典型边界条件下单层非饱和多孔介质一维瞬态响应解。首先推导出无量纲化后以位移表示的控制方程,并将其写成矩阵形式;然后,将边界条件齐次化,求解控制方程所对应的特征值问题,得到了满足齐次边界条件的特征值和相对应的特征函数。根据变异系数法并利用特征函数的正交性,得到了一系列仅黏滞耦合的关于时间的二阶常微分方程及相应的初始条件。在此基础上,运用精细时程积分法给出了常微分方程组的数值解。最后,通过若干算例验证了结果的正确性并探讨了单层非饱和多孔介质一维瞬态动力响应的特点。该方法可推广应用于其他典型的边界条件。     

变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结特性研究

为了研究温度变化对一维饱和土固结特性的影响,基于渗流方程和热传导方程,考虑了顶面边界的半透水性和热传导性,提出了变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结的半解析解,并分析了其固结特性。首先,引入Laplace变换分别求解了半透水边界条件下热力耦合模型和非热力耦合模型的一维饱和土热固结方程,推出了有效应力、温差和沉降的半解析解;其次,通过Crump方法进行Laplace数值反演,得到时间域内的解析解;然后,将所提解分别退化为单边排水条件下的一维饱和土热固结和Terzaghi一维固结的半解析解,结果与已有文献相同,验证了所推导解的可靠性;最后,通过算例分析了各外荷载作用下半透水边界参数、温度增量、热扩散系数和固结系数对热固结特性的影响。结果表明,半透水边界参数、热扩散系数、固结系数和温度增量对饱和土一维固结特性影响显著。     

横观各向同性层状饱和土动力问题的反射、透射矩阵方法

建立了轴对称情形下横观各向同性层状饱和土(TISS)动力问题的反射、透射矩阵(RTM)方法。对横观各向同性饱和土状态向量所满足的偏微分方程组进行Fourier和Hankel变换,得到状态向量所满足的常微分方程组。求解该常微分方程组,得到横观各向同性饱和土状态向量的通解。根据该通解得出了状态向量和波向量的传递矩阵,由波向量的传递矩阵得出了层状土的反射、透射矩阵表达式。利用上述反射、透射矩阵,并结合层状饱和土的边界条件和层间连续性条件,得出了垂直力作用下横观各向同性层状饱和土在变换域内的解。对变换域内的解进行Hankel逆变换,得出了频域内层状饱和土的动力响应。     

单层不可压缩饱和多孔介质一维瞬态响应精确解

基于Biot理论,考虑惯性、黏滞和机械耦合作用,假定固体颗粒和流体均不可压缩,得到了表面任意竖向荷载作用下单层饱和多孔介质一维瞬态响应的精确解。导出了以固体骨架位移表示的无量纲控制方程,并将边界条件齐次化。求解对应无黏滞耦合作用的特征值问题,得到一组满足齐次边界条件、关于空间坐标的正交函数基。利用变异系数法和基函数的正交性,得到一系列相互解耦的、关于时间的二阶常微分方程及相应的初始条件,并采用状态空间法求解常微分方程,得到位移分量。对整体平衡方程关于空间坐标积分,根据边界条件可确定总应力,并进而求得孔隙压力。通过算例验证所得解法的正确性     

非等温分布条件下考虑半透水边界时饱和黏土的一维固结解析解

温度的变化会导致土体的物理力学性质改变,且在一些实际工程中,饱和黏土会处于非等温分布状态。为此,针对非等温分布条件下饱和黏土的一维固结问题,考虑了更具普遍性的半透水边界,通过某些假定推导了单级线性加荷形式下饱和黏土一维固结控制方程,并利用分离变量法求解得到了控制方程的解析解。通过将所提解析解分别与已有解析解和有限差分解展开对比分析,验证了所提解答的正确性。基于所提解析解,利用某一算例分析了温度梯度、半透水边界参数及加荷时间对固结性状的影响。结果表明：温度梯度 M 越大,土体的渗透性越大,土体的固结速率越快;半透水边界参数 R1和 R2越大,相同时间内土体的超孔隙水压力越小,土体的平均固结度越大;土体的平均固结度随加荷时间 tc 的增大而减小,这主要是由于加荷阶段所施加的外荷载小于最终荷载,但加荷时间tc的延长可一定程度减小土体中产生的最大超孔隙水压力。     

Dynamic responses of unsaturated half‐space soil to a moving harmonic rectangular load

The problem of the dynamic responses of a semi‐infinite unsaturated poroelastic medium subjected to a moving rectangular load is investigated analytical/numerically. The dynamic governing equations are obtained with consideration of the compressibility of solid grain and pore fluid, inertial coupling, and viscous drag as well as capillary pressure in the unsaturated soil, and they can be easily degraded to the complete Biot's theory. Using the Fourier transform, the general solution for the equations is derived in the transformed domain, and then a corresponding boundary value problem is formulated. By introducing fast Fourier transform algorithm, the unsaturated soil vertical displacements, effective stresses, and pore pressures induced by moving load are computed, and some of the calculated results are compared with those for the degenerated solution of saturated soils and confirmed. The influences of the saturation, the load speed, and excitation frequency on the response of the unsaturated half‐space soil are investigated. The numerical results reveal that the effects of these parameters on the dynamic response of the unsaturated soil are significant.     

Time‐dependent behaviour of a rigid foundation on a transversely isotropic soil layer

An analytical solution is presented in this paper to study the time‐dependent settlement behaviour of a rigid foundation resting on a transversely isotropic saturated soil layer. The governing equations for a transversely isotropic saturated soil, within Biot's poroelasticity framework, are solved by means of Laplace and Hankel transforms. The problem is subsequently formulated in the Laplace transform domain in terms of a set of dual integral equations that are further reduced to a Fredholm integral equation of the second kind and solved numerically. The developed analytical solution is validated via comparison with the existing analytical solution for an isotropic saturated soil case, and adopted as a benchmark to examine the sensitivities of the mesh refinement and the locations of truncation boundaries in the finite element simulations using ABAQUS. Particular attention is paid to the influences of the degree of soil anisotropy, boundary drainage condition, and the soil layer thickness on the consolidation settlement and contact stress of the rigid foundation. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

非均匀地基与均匀地基一维固结解答之间的转换关系

基于一维固结理论,研究了土层物理力学性质沿深度非均匀连续变化的固结问题。首先,利用分离变量法,获得了渗透系数和压缩系数随深度按指数函数变化的非均匀地基一维固结方程的解析表达式; 然后与Terzaghi固结理论的经典解答进行了比较,获得了两种解答之间的相似转换关系。这样,非均匀地基固结问题就可以用相同荷载以及边界条件下的均匀地基固结的经典解线性表示。因此,非均匀地基固结问题的求解转化为对相似转换系数的计算。该系数集中反映土层非均匀性对地基固结的影响,从而为解决非均匀地基一维固结问题提供了便捷途径。     

A quasistatic analysis of a plate on consolidating layered soils by analytical layer‐element/finite element method coupling

In this paper, a coupling method between finite element and analytical layer‐elements is utilized to analyze the time‐dependent behavior of a plate of any shape and finite rigidity resting on layered saturated soils. Based on the integral transform techniques together with the aid of an order reduction method, an analytical layer‐element solution is derived from the governing equations for three‐dimensional Biot consolidation with respect to a Cartesian coordinate system and then extended to be the fundamental solution for the layered saturated soil under a point load. The Mindlin plate is modeled by eight‐noded isoparametric elements. The governing equations of the interaction between soil and plate in the Laplace‐Fourier transformed domain are deduced by referring to the coupling theory of FEM/BEM, and the final solution is obtained by applying numerical inversion. Numerical examples concerned with the time‐dependent response of a plate are performed to demonstrate the influence of soil and plate properties on the interaction process. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

移动环形荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧洞动力响应研究

基于Biot理论,研究了饱和土中带有衬砌的圆形隧洞在移动环形荷载作用下的动力响应。假定衬砌为弹性体,土体为饱和多孔介质,引入两类势函数来表示土体、孔隙水和衬砌的位移,使隧洞的控制方程解耦。结合边界条件及连续条件,通过傅立叶变换得到频率-波数域中衬砌和土体的应力、位移和孔隙水压力解答,最后用傅立叶积分逆变换得到时-空域中的数值解。计算并比较了3种隧洞模型（弹性土体隧洞、饱和土体隧洞和饱和土衬砌隧洞）的动力响应分析。数值分析结果说明：（1）移动荷载速度对3种隧洞动力响应均具有较大影响;（2）弹性土体隧洞和饱和土体隧洞的动力响应具有明显区别,所以在富水地区的隧洞动力响应中土体应该视为饱和土体;（3）衬砌对隧洞动力响应有较大影响,故隧洞的动力分析中不能忽略衬砌作用。     

二阶声波方程频域PML边界条件及频域变网格步长并行计算

研究了二阶声波方程频域PML边界条件和频域变网格并行计算技术。PML边界是一种较为理想的吸收边界方法,多用在求解时域应力速度方程中,但对于频域声波正演,二阶位移方程更常用。从一阶声波方程PML吸收边界条件导出频域二阶位移方程PML边界条件,模拟算例得到的频率切片、时间切片和地震记录对比都说明该边界条件吸收效果很好。频域单炮正演不同频率间是独立的,据此低频部分采用大网格计算,高频采用小网格,实现变网格步长计算技术,这是较时间域正演的一个优势,在保证模拟质量的同时,减少计算量和内存消耗。     

An explicit one-dimensional consolidation solution with semi-permeable drainage boundary for unsaturated soil

Existing solutions for analyzing one-dimensional (1-D) consolidation of unsaturated soil are only derived to cater to two extreme drainage conditions (fully drained and undrained). This study presents a new explicit solution for 1-D consolidation of unsaturated soil with semi-permeable drainage boundary. Based on the assumptions of two independent stress variables and the governing equations proposed by Fredlund, the eigenfunction expansion method is adopted to develop an explicit analytical solution to calculate excess pore-water and pore-air pressures in an unsaturated soil when it is subjected to external loads. The developed general solutions are expressed in terms of depth, z, and time, t. For the semi-permeable drainage boundary, eigenvalues and eigenfunctions in the space domain are developed. The technique of Laplace transform is used to solve the coupled ordinary differential equations in the time domain. The newly derived explicit solution is verified with the existing semi-analytical method in the literature, and an excellent agreement is obtained. Compared with the semi-analytical solution, the newly derived analytical solution is more straightforward and explicit so that this solution is relatively easier to be implemented into a computer program to carry out a preliminary assessment of 1-D consolidation of unsaturated soil.