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。     

SH波对无限介质土中衬砌结构的动应力集中

运用复变函数法和保角映射法对无限介质土中的衬砌结构进行分析.通过引入两个势函数将弹性介质的控制方程解耦成两个Helmholtz方程.利用所得势函数的通解,得到无限土介质和衬砌结构的位移和应力的表达式,利用无限介质与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,可确定波函数展开式中的末知系数,并给出动应力集中系数的数值结果.     

饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射

在 Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,首次建立了求解饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面 P 波散射问题的波函数展开法。首先。分析了具有圆柱形孔洞的饱和土半空间场地在平面 P 波入射下产生散射波系,并将入射波和散射波的波函数在圆柱坐标下展开。然后,引入边界条件,求出散射波函数的待定系数,从而,得到饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射问题的解析解。根据所得的波函数的解,可求解区域内的位移、应力的值,同时,分析了入射波频率、入射角对柱面上的应力集中因子的影响。     

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。     

沉积谷中衬砌隧道对SH波的散射

现实中衬砌隧道穿越沉积谷地十分常见,而国内外对其地震响应规律研究较少。基于MATLAB编程平台,采用间接边界积分方程法,就沉积谷地衬砌隧道对平面SH波的散射问题进行了初步探讨。研究了不同频率、隧道埋深与入射角度对地表位移和衬砌内外壁动应力集中因子的影响,并比较了沉积谷地中隧道与半空间隧道两种情况下的差别。结果表明：软土沉积中隧道衬砌动应力集中更为显著;高频波入射下,隧道埋深对沉积区域内位移分布、衬砌应力频谱特性和地表位移频谱特性均有较大影响。研究结论可为沉积谷地中衬砌隧道抗震设计与安全性评估提供定量依据。     

准饱和土中圆柱形衬砌的瞬态动力响应分析

内源瞬态荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答是土动力学的经典问题之一。已有研究大都假设孔洞周围土体为理想弹性介质或完全饱和多孔介质。然而,实际工程中不存在完全弹性和完全饱和土体。分别视衬砌结构和周围土体为弹性材料和准饱和多孔介质（饱和度 95%）,根据牛顿第二定律、达西定律和Biot波动理论推导出准饱和土体的控制方程。根据边界条件导出衬砌和土体的位移、应力和孔隙压力的Laplace变换空间的解答。利用反Laplace变换数值计算方法,将解答转换为时域解。分析了饱和度对衬砌位移、应力和孔压的影响,结果表明,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较小;99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较大;但饱和度对孔隙压力的影响远大于对径向位移和切向应力的影响。得出位移、应力和孔压沿径向的衰减规律,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较小,99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较大,但饱和度对孔压沿径向的衰减影响远大于对径向位移和切向应力沿径向的衰减。     

垂直界面附近椭圆形夹杂对SH波的散射与地震动研究

利用复变函数法和Green函数法给出了SH波对垂直界面附近椭圆形夹杂散射问题的解析解答。首先,将待求的半空间模型沿垂直边界分割为区域Ⅰ和区域Ⅱ两个直角域。通过保角映射的方法将区域Ⅰ内椭圆形夹杂的外域映射为单位圆外域,并利用镜像方法构造出两个区域内满足直角域边界条件的散射波场及适用的Green函数;其次,利用界面契合思想,通过在界面处添加附加力系的方法建立起满足界面处位移和应力连续条件的无穷代数方程组,并截断有限项求解;最后,给出了求解地表位移幅值的具体算例。结果表明,入射波数、入射角度、夹杂位置、垂直界面以及材料参数都对地表位移幅值的分布有影响。     

任意排列的空心管桩屏障对SH波的多重散射

提出1种可计算任意排列、任意圆截面尺寸的多排空心管桩对平面SH波多重散射的理论求解方法。考虑第1重散射即为通常所谓的单重散射,对特定管桩第2重散射的入射波为在各管桩所受的第1重散射波之和,亦即第1重散射所激发的次生波源,以此类推至第m重散射。假设每重散射在桩-土边界以及管桩内部均满足弹性边界条件,将入射波、散射波及透射波采用波函数展开,并运用Graf加法定理移轴获得待定的各重散（透）射复系数,得到总散射及管桩内部透射波场的理论解。算例中讨论了散射重数、桩径与桩（排）间距之比、桩-土剪切模量之比、管桩内外径之比以及多排管桩的几何参数等对屏障隔离效果的影响,结果表明,管桩可取得比实心桩更好的屏蔽效果,同时对管桩非连续屏障的工程设计提供了有价值的理论参考依据。     

Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射

基于Biot的两相介质理论,采用间接边界积分方程法,求解了Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的二维散射问题,分析了入射波频率、孔隙率、边界渗透条件和洞室埋深等参数对地表位移幅值、洞室表面和地表孔隙水压力的影响。研究结果表明,由于圆形洞室的存在,饱和半空间地表位移幅值和地表孔隙水压被明显放大:在透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了10.1倍和11.2倍;在不透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了12.0倍和9.6倍,地表孔隙水压力放大了2.1~3.0倍。地表位移和孔隙水压力最大值均出现在入射波近端洞室边界附近。随着Rayleigh波入射频率的增大和洞室埋深的增加,地表位移幅值的放大作用有所减小。在相同孔隙率条件下,当入射频率为1.0时,洞室表面孔隙水压力最大;当入射频率为2.0时,洞室表面孔隙水压力最小,洞室表面最大孔隙水压力出现在洞室顶部。     

SH波上方垂直入射时界面附近椭圆夹杂与裂纹的动态响应

采用Green函数、保角映射等方法分析SH波上方垂直入射时弹性半空间中椭圆形弹性夹杂与任意方位裂纹的相互作用。首先,求解含椭圆形弹性夹杂的弹性半空间内任意一点承受时间谐和出平面线源荷载作用时的位移基本解,即Green函数,再结合裂纹切割法构造裂纹,得到SH波上方垂直入射时椭圆夹杂和裂纹同时存在条件下的位移场与应力场。作为算例,给出大量的数值结果,探讨不同参数情况下弹性夹杂周边动应力集中系数（DSCF）、地表位移及裂纹尖端动应力强度因子（DSIF）的分布规律,结果表明不同参数的变化会对三者的分布带来一定的影响。     

成层地基在轴对称荷载下的稳态振动分析

基于Biot动力固结方程,考虑了土体和水体的惯性力以及水-土耦合作用的影响,采用Hankel积分变换求解耦联合方程组,得到动荷载下饱和土Lamb问题的解答。根据下边界为不透水基岩的边界条件,获得了地基表面作用圆形轴对称周期荷载时土层应力、位移等的一般积分形式解,并利用矩阵传递法完成了对多层地基和Gibson地基的计算。通过算例研究了层厚和激振频率等对竖向位移的影响。     

横观各向同性饱和地基竖向振动的衰减特性

基于提出的横观各向同性饱和多孔介质Biot波动方程的一般解,研究了饱和半空间地基在竖向点源简谐激振荷载作用下地表振动的衰减特征,分析了激振频率以及横观各向同性饱和土介质的各向异性参数和孔隙渗透系数对地表振动特征的影响。计算结果表明,低频和高频激振时,地表位移衰减特性存在明显差异;在饱和土的各向异性参数中,纵向和水平方向动态渗透系数比值和刚度系数比值对地表位移衰减影响最大,这也说明采用各向同性饱和介质的动力学模型不能准确地描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力特性。     

水平简谐荷载作用下层状饱和土体动力响应

根据Biot波动理论,采用传递、反射矩阵（TRM）方法研究了水平简谐荷载作用下层状饱和土动力响应问题。由Helmholtz矢量分解求出基本解,再利用TRM法推导了层状饱和土动力响应,并由数值Hankel逆变换得到层状土地基位移、应力及孔压在空间域内的解。利用计算结果与已有结果相比较,二者相吻合,验证了算法的正确性。算例分析表明,水平简谐荷载作用在有软弱夹层的层状土体中比均质土中具有更显著的动力响应,尤其是软夹层上下有硬土层时,会引起软弱夹层土体孔隙水压升高、位移幅值增大、土体波动性增强;而荷载作用硬夹层及夹层上下有软土层时,情况则相反。     

随机波浪作用下海床动力响应及液化的理论分析

运用随机波浪理论,基于广义Biot动力固结理论,建立了能够考虑波浪荷载随机特性影响的计算海床动力响应及液化深度的解析数值模型,并从时域上进行求解分析.通过与传统线性规则波浪荷载作用下海床动力响应及液化深度的数值结果的对比分析,详细讨论了考虑波浪荷载的随机特性对于求解海床动力响应及液化深度的影响程度.结果表明,根据随机波浪理论计算得到的海床中的超孔隙水压力、水平有效应力、竖向有效应力、剪应力表现出较强的不规则性,其幅值沿着海床深度方向的变化趋势与根据线性规则波浪理论计算得到结果的变化趋势基本相同,但在同数量级上更大,同时计算得到的海床最大液化深度明显大于根据线性规则波浪理论计算得到的结果.因此,在海洋地基设计和自由场地安全评估时应该合理地考虑波浪荷载的随机特性.     

层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。在洞室边界各个单元上施加虚拟分布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和虚拟分布荷载产生的位移响应叠加起来,即得到问题的解答。比较了层状半空间和均匀半空间中洞室对入射平面SV波的放大作用。结果表明,层状半空间情况有可能导致较大的地表位移幅值,尤其是对于较低频率入射波。     

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.     

局部断层场地对P波的散射影响研究

采用间接边界元法,借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载格林函数,在频域内求解了局部断层场地对P波的散射,着重分析了破碎带较窄断层两侧围岩动力响应的基本规律,以及场地动力特性对散射的影响。研究表明,破碎带断层对入射P波有着显著的影响,即使破碎带很窄,也可对P波产生很大的放大作用;层状场地动力特性对放大作用有显著的影响。