考虑挤土效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

基于复刚度传递多圈层平面应变模型,研究考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩的纵向振动问题。首先根据桩周土体的纵向成层情况并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段,对每个微元段的桩周土体建立复刚度传递多圈层平面应变模型,并通过剪切复刚度递推方法求得桩周土作用在桩身的剪切复刚度;然后将求得的剪切复刚度代入桩身纵向振动控制方程,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,推导得到考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解;最后,采用参数研究方法在低频范围内分析挤土效应对桩顶复阻抗的影响及其规律。     

柱坐标系下任意埋藏源层状弹性半空间问题的奇异解

通过方位角的Fourier变换及关于径向的Hankel变换，将柱坐标系下一般形式的弹性力学基本方程和本构方程转化为波数域内非齐次的二阶常微分方程组，利用初参数法，建立了介质层传递矩阵．利用层间完全接触条件，给出了任意埋藏源层状弹性半空间频域奇异解，时域奇异解可通过关于频率的Fourier积分得到，该方法可应用到固体、流体层的情况.     

三维层状黏弹性半空间中球面SH、P和SV波源自由场

采用刚度矩阵方法结合Hankel积分变换,求解了层状黏弹性半空间中球面SH、P和SV波的自由波场.首先,在柱坐标系下建立层状黏弹性半空间的反轴对称(柱面SH波)和轴对称(柱面P-SV波)情况精确动力刚度矩阵.进而由Hankel变换将空间域内的球面波展开为波数域内柱面波的叠加,然后将球面波源所在层的上下端面固定,求得固定层内的动力响应和固定端面反力,将固端反力反向施加到层状黏弹性半空间上,采用直接刚度法求得固端反力的动力响应,叠加固定层内和固端反力动力响应,求得波数域内球面波源动力响应.最后由Hankel积分逆变换求得频率-空间域内球面波源自由场,时域结果由傅里叶逆变换求得.文中验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中球面SH、P和SV波为例分别在频域和时域内进行了数值计算分析.研究表明基岩上单一土层中球面波自由场与均匀半空间情况有着本质差异;基岩上单一土层中球面波位移频谱峰值频率与场地固有频率相对应,基岩面的存在使得基岩上单一土层地表点的位移时程非常复杂,振动持续时间明显增长;阻尼的增大显著降低了动力响应的峰值,同时也显著减少了波在土层的往复次数.     

基于Lorenz规范的空间-波数域大地电磁三维正演

大地电磁勘探方法由于其成本低、施工简单、探测深度广等优点,广泛应用于矿产资源普查、油气勘探和深部构造研究等领域.如何提高大规模三维大地电磁数值模拟的精度和效率一直是研究热点.本文基于空间-波数域方法,实现了基于Lorenz规范的空间-波数域三维大地电磁数值模拟.基于二次场计算原理,引入Lorenz规范,将Maxwell方程组转化为关于二次场矢量位的亥姆霍兹方程;利用水平方向二维傅里叶变换,将空间域三维偏微分方程转换为多个波数下相互独立的常微分方程,方程采用二次插值有限单元法计算,得到定带宽线性方程组,方程计算量小、并行性好,采用追赶法求解,提高了算法效率;引入压缩算子,用迭代法逐次逼近真实解.充分利用了空间-波数域方法数值精度高、内存需求少、效率高的特点.设计棱柱体模型验证了算法的正确性、分析了算法的收敛性,说明算法对不同频率、不同电导率对比度模型均具有很好的适应性.利用Dublin(DTM1)模型进行三维大地电磁数值模拟,结果表明：在满足精度要求的前提下,空间-波数域算法比空间域算法占用内存少、耗时短;相比基于Coulomb规范的空间-波数域算法,基于Lorenz规范的空间-波数域方...     

广义Voigt土模型基于虚土桩法的桩基纵向振动

在桩侧土广义Voigt模型条件下,研究成层土中黏弹性桩在纵向振动荷载作用下的动力特性。将桩底截面范围内有限层桩底土模拟为虚土桩,建立虚土桩-土、桩-土耦合振动模型,采用广义Voigt体模型建立桩、虚土桩与桩侧土的纵向振动动力方程。利用桩-土、虚土桩-土的耦合接触条件求解动力方程,得到桩顶频域响应解析解和时域响应半解析解。通过对虚土桩参数的研究检验桩底土对桩顶动力响应的影响,得到一系列的桩顶速度导纳曲线及时域反射波曲线。     

重力异常场空间-波数混合域三维数值模拟

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.     

半空间饱和土在内部简谐水平力作用下的Ge函数

根据积分变换方法得出了半空间内部作用简谐水平力时的Gree函数．首先，利用Hankel积分变换方法，直接对频域内的Biot波动方程进行求解，得出Biot波动方程的通解；利用通解和半空间内部作用水平力时边界上的边界条件，以及力作用面上的连续性条件，可以得出上述边值问题的解；对于边值问题在变换域内的解进行相应的逆变换，就可以得出频域内的Gree函数．本文得到的线弹性退化解与文献中的结果吻合．最后，文中给出了两个算例．      

任意起伏地形下重力异常三维正演及并行计算

为了进一步提高空间-波数域三维重力异常正演算法的适用范围和计算效率,本文采用任意傅里叶变换算法实现了空间-波数域三维重力异常正演,且在NVIDIA CUDA平台上进行CPU-GPU并行加速.任意傅里叶变换算法的基本思想是将二维傅里叶变换转化为两个一维傅里叶变换,一维傅里叶变换积分离散为多个单元积分累加和,离散单元中原函数采用二次插值形函数拟合,求出单元积分的解析表达式.相比现有的傅里叶变换算法,新方法具有采样灵活、积分精度高、计算速度快和傅里叶变换的截断效应小等优势.利用空间-波数域算法的高度并行性,采用CPU并行求解常微分方程,GPU并行计算任意傅里叶变换,实现了CPU-GPU并行加速方案,进一步提升了本文算法效率.利用常密度模型,对比数值解和解析解,结果表明本文算法正确;利用变密度模型对比了任意傅里叶变换算法与高斯快速傅里叶变换算法的计算效率与精度,在相近的数值精度下,本文算法波数选取少,效率高;测试CPU-GPU并行效果,结果表明相比CPU串行算法,CPU-GPU并行算法的计算效率大大提升,千万数量级节点数模型正演仅耗时数秒.最后利用实际地形数据进行三维重力异常场数值模拟,证明了...     

三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式II：正确性检验和数值模拟实验

基于前一篇文章中得到的关于三维层状孔隙介质中弹性波场的积分形式半解析解,本文通过离散波数法开展了数值模拟.将全空间均匀孔隙介质中单力点源和爆炸点源作用下弹性波场的解析解和我们的数值模拟结果进行对比,发现两者是完全一致的.而在一个两层半空间模型下的数值模拟,验证了固相位移Green函数的9组空间互易性情况.通过以上两种对比检验,验证了半解析解理论公式、数值模拟方法以及相应程序代码的正确性和可靠性.随后利用敏感度分析研究了不同的介质参数变化对爆炸点源在界面上会产生的反射波场的影响.通过垂直地震剖面模型的数值模拟,发现弹性波场能很好地反映孔隙介质物理性质的变化,同时也讨论了动力协调这一孔隙介质中的特殊现象.我们发展的基于半解析解的数值模拟方法可以为三维层状孔隙介质中弹性波传播特征的研究提供一种可供选择的有效工具和手段.     

利用积分方程法的大地电磁三维正演

利用积分方程法实现了均匀导电半空间三维大地电磁响应的数值模拟。求取张量格林函数积分时,采用二次剖分算法解决计算中奇异值问题,对于含有贝塞尔函数的积分项,利用结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,确保了张量格林函数的正确计算并提高了计算精度。最后通过数值模拟结果的对比及模型试算验证了算法的正确性,所实现的三维大地电磁数值模拟算法为理论研究三维地电构造的大地电磁响应的分布规律提供了有效的工具,也为研究三维反演算法奠定了基础。     

层状饱和土中部分埋入单桩的水平振动响应

研究了层状饱和土中部分埋入单桩在水平简谐荷载作用下的动力响应问题。基于Biot波动方程和Novak薄层法原理,在求得层状饱和土半空间位移和应力基本解的基础上,利用桩-土变形协调条件和桩单元间位移、转角、弯矩和剪力的连续性条件建立了桩身刚度矩阵方程,导出了水平稳态谐振下部分埋入单桩阻抗函数的封闭形式解答,并获得了桩身弯矩分布形式。将所提退化解与已有成果进行了对比,验证了理论推导的正确性。参数分析表明:埋入比、土层分布、表层土厚度和渗透系数对桩顶阻抗影响显著,但表层土厚度和渗透系数超过特定值后则其影响较小。     

打桩引起的地面振动的研究

为了对打桩引起的地面振动进行研究,应用一维应力波理论建立了粘弹性成层土中等截面弹性桩的力学模型,得到了桩中任意一点处位移的半解析解。利用桩与土的相互作用将桩对土的作用力简化到各土层面上。在复阻尼理论和纳维方程的基础上,利用分层法得到了任意荷载作用下土的位移、速度和加速度的解。从而得到了打桩引起的地面振动的衰减特性。通过实测结果和计算结果的比较说明了该方法的可行性。     

横观各向同性饱和地基中埋置荷载的非轴对称瞬态响应

基于孔隙介质的Biot理论,首先利用Laplace变换,给出圆柱坐标系下横观各向同性饱和弹性多孔介质在变换域上的波动方程;将波动方程解耦后,根据方位角的Fourier展开和径向Hankel变换,求解了Biot波动方程,得到以土骨架位移、孔隙水压力和土介质总应力分量的积分形式的一般解;借助一般解,建立了有限厚度饱和土层和饱和半空间的精确动力刚度矩阵,并由土层的层间界面连续条件建立三维非轴对称层状饱和地基的总刚度方程;在此基础上,系统研究了横观各向同性饱和半空间体在内部集中荷载激励下的动力响应,并给出了问题的瞬态解答.该研究为运用边界元法求解饱和地基动力响应奠定了理论基础.     

双变参数标量纵波方程正演模拟方法

常见弹性波动理论的建立是基于介质均匀这一基本假设,实际介质的非均匀性非常普遍.为研究连续介质中波的传播特征,本文从弹性力学中建立弹性波动方程的三个基本方程出发,考虑连续介质弹性参数的空变特征,建立非均匀介质的弹性波动方程,利用Alkhalifah声学近似思想建立位移表征的纵波波动方程,利用本征值问题求解方法建立标量波频率-波数域传播算子,从而建立描述纵波传播的标量波方程,其中波函数为纵波位移的散度,不同于均匀介质标量波方程的波函数为位移势.随后推导含PML边界波动方程差分格式并建立不同模型数值模拟进行数值试算,与均匀假设标量波方程和变密度方程对比证明本方法的准确性和稳定性.     

基于数值解与解析解耦合的SSI体系地震反应分析方法

基于子结构分析方法,提出了土-结构相互作用体系中数值解和解析解耦合的地震反应分析方法。此方法中,数值解是用有限元方法来模拟上部结构的非线性动力行为;而弹性结构-刚性基础-半无限大弹性地基中频域内的解析解,是通过离散时间递归滤波方法得到时域内的解来等效,且在整个体系中,利用土、结构两个子结构边界上的力和位移协调求解。本文提出的方法用有限元程序Opensees来实现,并用于一个线弹性单层框架结构的动力分析中。这种耦合的分析方法得到的结果,与土-结构相互作用单自由度体系的解析解进行了比较,验证此方法的精度、稳定性和工程实用性。     

含缺陷周期性高架铁路的地震响应分析

建立了含缺陷周期性高架铁路的地震响应计算模型。为了建立频域内的模型,首先将带缺陷的高架桥分成3部分,即:两个半无限的规则高架桥及缺陷跨。利用规则高架桥在地震波作用下频域内的解,规则高架桥的特征波解及缺陷跨处的联接条件,即可得出缺陷高架桥在频域内的响应。对高架桥频域内响应进行快速傅里叶逆变换(IFFT)即得到时域内的响应。数值结果表明,高架桥频域内响应主要集中在低频范围内,且与规则高架铁路相比,缺陷高架铁路的响应峰值明显增大。     

井间电磁测量的2．5维层析成像方法

利用正则化最小二乘反演方法实现了井间电磁测量数据的层析成像,对井间地层电阻率进行了重建。在成像算法中,我们假设了井间电磁的激发与接收采用电磁偶极子源,井间介质仅在二维（xoz）平面内变化。在数值模拟中,通过对构造走向（y方向）的Fourier变换,将三维电磁场问题转化为一系列二维问题,用等参有限元方法在波数域求解,使实际地层模型的处理得以实现。对于波数域中每个波数对应的电磁场方程采用等参有限元求解,并用高斯积分将波数域解变换为空间域电磁场。利用源与接收器电磁场的互易原理,实现了电磁场响应对电导率分布灵敏度的快速计算。针对正演模拟中源点的奇异性,我们采用具有一定面积的伪艿函数表达源电流分布,使数值解精度得到提高。用层状介质的解析解与数值计算结果的对比,验证了模拟算法的精度。用介质扰动产生的电磁场变化检验互易性定理计算灵敏度的有效性。对简单块状模型、斜向裂缝带模型及“大”字模型的模拟数据成像结果表明,本文介绍的层析成像方法是正确有效的。     

利用谱元法计算SNREI地球的表面负荷变形

谱元法作为一种基于变分原理的数值方法,已经成为地球动力学数值模拟的重要手段.本文旨在对Martinec(2000)正演模拟表面负荷问题的谱-有限元方法进行改进.简单地介绍了谱元法计算负荷边值问题的相关理论,并推导了中性分层液体中的平衡方程以及其对应的弱形式解.在地球半径方向上,采取高阶样条函数作为负荷解的基函数,并利用高斯-勒让德方法进行数值积分.均质地球模型数值试验表明,相较于Martinec的方法,本文方法可以有效地加快数值解的收敛速度.最后,利用PREM模型计算了SNREI地球的负荷勒夫数.数值计算结果表明本文方法的收敛性和稳定性都非常好.本文方法获得的负荷勒夫数与采用传统龙格-库塔积分方法获得的结果相对误差在0.01%的量级.     

成层粘弹性土中桩土耦合纵向振动时域响应研究

从三维轴对称角度出发,采用粘性阻尼粘弹性连续土介质模型,考虑桩土相互作用效应,对成层土中桩土纵向耦合振动时的桩顶时域响应进行了解析研究。求解时,首先建立定解问题,然后利用拉氏变换先对底部土层进行求解得到其振动位移形式解,然后利用桩土接触界面连续条件来考虑桩土耦合作用,分析底层土中桩段的动力反应,然后利用桩段阻抗函数的传递性,进行逐层递推求解,最终得到桩顶时域和频域响应的半解析解。通过参数影响分析和与工程实测曲线的对比,讨论分析了成层土中桩土耦合振动的响应特性,验证了本文解。基于本文研究可为桩基抗震、防震设计、桩基动力检测提供新的理论支持。     

液化场地桥梁足尺桩抗震简化分析方法

采用国际VELACS项目中离心机试验标定的内华达砂的动力计算参数,建立液化场地足尺桩-土动力相互作用分析的三维有限元模型;获得不同幅值的正弦波作用下桩-土动力相互作用的p-y曲线,修正并发展一种可用于液化场地桩-土动力相互作用分析的宏单元模型,并基于非线性文克尔地基梁模型建立桥梁足尺桩抗震分析的数值模型与简化方法,通过有限元分析结果验证该简化方法的正确性。