横观各向同性饱和土体振动分析

基于饱和地基多孔介质理论,考虑了水土的惯性及耦合作用,研究了横观各向同性饱和地基的稳态振动问题。利用Hankel变换,得到饱和土的位移、应力、孔压的积分形式的解,由此利用数值Hankel逆变换给出了数值算例,最后讨论了横观各向同性饱和地基各向异性对地表竖向振幅的影响。     

多层横观各向同性地基轴对称固结的传递矩阵解

从横观各向同性地基轴对称Biot固结的基本方程出发,通过关于t的Laplace变换和关于r的Hankel变换,得到关于z的一阶常微分方程组。然后,对变换域内的基本未知量进行线性化处理,建立了变换域内的基本状态变量在z = 0处和任意深度处z的显式关系。利用传递矩阵法,结合层间连续性条件和边界条件,得到了多层横观各向同性地基的Biot固结轴对称问题的解答。该解答能避免随着层数增加而需要求解大型方程组的困难,明显地提高了计算效率。     

横观各向同性饱和地基三维瞬态Lamb问题

研究了横观各向同性饱和土地基在地表动力荷载作用下的三维瞬态响应。基于饱和多孔介质的三维Biot波动理论,利用Laplace变换,建立圆柱坐标系下横观各向同性饱和土的波动方程;解耦波动方程后,根据算子理论,并借助Fourier展开和Hankel变换技术,得到瞬态荷载作用下,饱和土介质的土骨架位移和应力、孔隙水相对位移和孔隙水压力的一般解;利用一般解,给出横观各向同性饱和地基在地表集中荷载激励下的瞬态Lamb问题的解答。数值算例结果表明,采用各向同性饱和介质的动力学模型,不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的瞬态动力特性。     

成层地基轴对称问题的基本解

基于各向同性弹性体基本方程的转换及Hankel变换，得到了轴对称荷载作用下，无限弹性层轴向不同深度经Hankel变换的位移应力向量间的传递矩阵，运用该传递矩阵可求解成层的、层间完全接触情形和各向同性空间轴对称问题。     

横观各向同性饱和土体三维粘弹性动力分析

采用针对横观各向同性饱和土体u-w形式三维粘弹性动力方程,考虑土骨架的粘弹性性质且基于粘弹性理论,通过运用Fourier 展开、Laplace 和Hankel 积分变换方法和引入中间变量,将含有粘弹性参数的六元二阶偏微分运动控制方程组,化为2组各含4个未知变量的常微分方程组,从而给出了柱坐标系下粘弹性横观各向同性饱和土体在非轴对称动力荷载作用下的瞬态反应的土骨架位移分量、孔隙流体相对于土骨架的位移分量瞬态反应一般解。在此基础上,引入初始条件和边界条件,对垂直向和水平向动力荷载作用下半空间边值问题进行了求解。根据动力时域解答的一般解,利用Laplace和Hankel 数值逆变换技术,编制了相应的数值计算程序。并进行了实例验证和弹性、粘弹性解的对比分析。结果表明,在进行横观各向同性饱和土体动力分析时,考虑土骨架的粘弹性是必要的。     

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。     

层状非饱和土地基的轴对称稳态动力响应

考虑土颗粒、孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合作用,采用理论上更加严谨的饱和度本构关系式,建立了非饱和土的动力控制方程。该组方程与饱和土的经典Biot波动方程完全兼容,因此,具有更广泛的适用性。通过引入一组状态向量,在圆柱坐标系下将非饱和土满足的波动方程转化为状态方程组,利用Hankel变换,求解状态方程组,得到了传递矩阵。结合边界条件及层间接触连续条件,求解了层状非饱和地基的稳态动力响应问题。数值算例表明：土层对地表动位移的影响主要集中在临界深度范围内;软硬土层的相对次序对地表动位移幅值有显著影响;饱和度增大会引起土的物理参数发生相应的改变,尤其是动剪切模量通常降幅较大,而动剪切模量是决定位移幅值的关键因素,最终的结果是导致地表动位移幅值明显增大。     

层状横观各向同性地基平面应变问题的扩展精细积分解

利用扩展精细积分法求解横观各向同性地基的平面应变问题。扩展精细积分法具有高精度和较高计算效率的特点,是求解微分方程的有效方法,相比于解析法可以节省大量理论推导工作量。从直角坐标下弹性力学控制方程出发,推导出Fourier变换域内地基的常微分矩阵方程;之后对地基微层元进行消元合并,进一步得到荷载作用在地基内部时层状地基的扩展精细积解。与已有文献的对比验证了方法的精确性,并分析了横观各向同性参数、层状性质和荷载作用点对计算结果的影响。结果表明：土体竖向位移随着横观各向同性参数n的增大而减小,而随着横观各向同性参数m的增大而增大;荷载作用点 的变化只对作用点以上的土体有影响,而上层土体的模量对竖向位移计算结果的影响更为显著,土体成层性对沉降的影响要比对竖向应力的影响更为显著。     

半空间埋置动点源荷载问题的传递矩阵法

引用了流体饱和两相多孔介质的动力控制方程分析半空间埋置动点源荷载问题的位移和变形。经过Laplace Hankel变换 ,控制方程化成常微分方程组。利用数学软件mathmatic对上述方程组求解 ,可以得到单层砂土的传递矩阵。分析过程中 ,假设在两层面上 ,位移与应力相互连续 ,可以借鉴有限元的思想进行耦合计算。这样就获得了在饱和砂土中施加竖向动荷载问题的Laplace Hankel变换解 ,其最终的解还需要通过Laplace Hankel逆变换得到     

层状地基中单桩负摩擦问题积分方程解法

利用Biot固结理论和积分方程方法研究了表面有堆载的层状地基中单桩负摩擦问题。根据层状饱和土的圆形载荷基本解得出了单桩在圆形均布载荷作用下在时间域内的第二类Fredholm积分方程组。运用Laplace变换对上述积分方程组进行简化。再结合传递和刚度矩阵传递到各个层中去,对变换域内的积分方程采用Schapery 逆变换方法得到时域内单桩的近似积分方程。求解积分方程组并进行相应的数值逆变换,就可得出层状地基中的单桩在表面圆形均布载荷作用下的位移、轴力、孔压和桩侧摩阻力随时间的变化情况。计算结果表明,桩侧剪力和孔压分层明显。     

横观各向同性含液饱和多孔介质黏弹性瞬态反应

在考虑横观各向同性含液饱和多孔介质固体骨架和流体可压缩性以及固体骨架的黏弹性特征下,基于横观各向同性含液饱和多孔介质u-w形式的三维动力控制方程,以固相位移u、液相相对位移w为基本未知量,综合运用Laplace变换、双重Fourier变换等方法,在直角坐标系下通过引入中间变量,将六元2阶动力控制方程组化为两组各含4个未知变量的常微分方程组,给出了直角坐标系下横观各向同性含液饱和多孔介质三维黏弹性动力反应的积分形式一般解;作为理论推导的验证,通过引入初始条件和边界条件,对横观各向同性含液饱和多孔介质半空间黏弹性瞬态反应问题进行了求解。解答的退化验证表明,所推导的理论解是正确的。     

墙下条形基础与层状横观各向同性地基共同作用

运用对偶积分方程来求解层状横观各向同性地基与墙下条形基础的共同作用问题。从直角坐标平面应变问题控制方程出发,通过傅里叶（Fourier）变换和层间连续性条件,可以得到层状横观各向同性地基的传递矩阵解。基于该传递矩阵解,并利用条形基础与地基接触的混合边值条件,推导出一组关于基础挠度和地基反力的对偶积分方程。考虑墙下条形基础受到竖向集中荷载的情况,利用弹性薄板理论先求解出条形基础挠度;随后应用雅可比（Jacobi）正交多项式和级数展开的方法,将对偶积分方程转化为线性代数方程组进行求解。编制了相应的计算程序,其计算结果与有限元软件ABAQUS的结果基本吻合,从而验证了所提理论的正确性。算例分析表明,板土相对刚度与地基成层性对地基反力、地表沉降和沿z轴竖向正应力有很大的影响。     

列车荷载下轨道系统-层状横观各向同性饱和地基动力响应

基于Biot波动理论,构建列车荷载-轨道系统-双层状横观各向同性饱和地基模型,将模型分为上覆路轨系统和地层系统。对上覆路轨系统和地层系统处理,并利用双重Fourier变换技术,在变换域中将横观各向同性饱和地基动力响应的求解简化为求解一个6阶控制方程的特征值问题,进而得到了列车荷载作用下双层横观各向同性饱和地基力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,重点分析了上下土层的刚度和泊松比对位移和孔隙水压力和剪切应力响应的影响,结果表明,上、下土层刚度差异对地基动力响应有较大影响,土层各向异性参数中模量的影响较泊松比大。计算结果可为软土路基加固深度的确定提供理论依据。     

交通荷载下横观各向同性土的Biot固结分析

在竖向荷载和切向荷载共同作用下,求解了具有下卧基岩的横观各向同性土的Biot固结问题。首先,基于Biot固结理论得到控制方程,同时引入3个状态变量;然后,对时间t进行Laplace变换和对半径r进行Hankel变换。利用Laplace-Hankel联合积分变换求解状态方程,得到交通荷载作用下横观各向同性土骨架位移、孔隙水压力等的一般积分形式解。结合算例验证了该方法的正确性,并分析了切向荷载和竖向荷载共同作用下对横观各向同性土层沉降和孔压的影响,可以发现切向荷载和竖向荷载共同作用所产生的前期沉降明显小于竖向荷载单独作用的情况。为了更好地模拟实际情况,竖向荷载还采用正弦循环荷载。在循环荷载作用下,沉降变化周期滞后于荷载周期。     

移动荷载作用下层状饱和土的动力响应

根据Biot波动理论,采用传递、反射矩阵（TRM）方法研究了移动荷载作用下层状饱和土动力响应问题。由快速Fourier逆变换法（IFFT）得到层状土地基位移、应力及孔压在时间-空间域内的数值解。计算结果与已有文献结果相吻合,验证了算法的正确性。通过算例分析表明：移动荷载作用下含有软弱夹层的层状土体比均质土具有更显著的动力响应,同时会引起土体孔隙水压升高、土体波动性增强;硬夹层时情况则相反。     

三维横观各向同性成层地基的传递矩阵解

通过解耦变换推导出三维直角坐标系下横观各向同性地基的非耦合状态方程;利用双重Fourier变换以及Cayley-Hamilton定理得到了单层地基的传递矩阵;结合边界条件和层间连续条件进而得其传递矩阵解。编制了相应程序并进行了数值计算与分析,结果表明：数值结果与已有文献结果十分吻合,地基的横观各向同性性质与成层性质对受荷地基中竖向位移和应力的影响较为显著。     

地震动下考虑各向异性土体-盾构隧道数值模拟

针对层状土体-盾构隧道地震反应分析,引入了横观各向同性弹塑性模型,建立了横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于地下结构动力计算的弹塑性动力有限元程序。在程序中对不同的材料采用了不同的本构关系和单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行横观各向同性土体与地下结构的平面应力、平面应变和轴对称问题的静动力有限元分析。最后,利用所研制的程序对上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震波输入下的地震反应进行了计算。结果表明,在层状土体-地铁盾构隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是合理易行的。     

传递矩阵法求解弹性半空间单一覆盖层轴对称动力问题的误差分析

为解决弹性半空间单一覆盖层轴对称动力问题中传递矩阵病态的问题,提出了误差分析方法。分3种情况讨论了采用传递矩阵法计算弹性半空间单一覆盖层轴对称动力问题中被积函数处理方法,进而对逆Hankel变换和逆Laplace变换的处理方法进行了简要说明,据此提出了减小误差的方法。通过退化模型对所提出的方法进行了验证,结果表明该方法可有效减小误差,为利用传递矩阵法求解层状半空间动力问题中传递矩阵病态的问题提供了思路。     

层状地基中基于Laplace变换的桩基横向振动阻抗计算

基于Laplace变换,对层状地基中桩土横向振动阻抗计算问题进行了研究。考虑土层天然分层的特性及桩顶轴向力的参与作用,结合频域内桩-土动力文克尔理论,采用传递矩阵法并通过拉普拉斯变换,将振动微分方程变成代数方程以求解桩的横向振动响应参数,并导出了单桩横向振动阻抗。基于所得解,进一步计算出桩-土-桩水平动力相互作用因子。通过实例分析对比,验证其有效性和可行性。该方法计算工作量小,易于理解,计算结果与已有结果具有良好的一致性,并能保证解的连续性,对桩-土动力相互作用的研究具有一定的实用意义。     

层状可压缩岩基三维固结问题的状态空间解

采用状态空间法求解层状可压缩岩基的三维固结问题。首先从直角坐标系下考虑可压缩性的三维Biot固结问题的控制方程出发,通过Laplace-Fourier变换得到状态空间方程,解此方程并通过Cayley-Hamilton定理,得到单层可压缩岩基三维固结问题的传递矩阵;然后利用传递矩阵法,结合层间连续性条件和边界条件,得到了层状可压缩岩基三维固结问题在积分变换域内的解答;最后应用Laplace-Fourier逆变换技术,得到层状可压缩岩基三维固结问题在物理域内的理论解答。编制了相应的计算程序,进行了数值计算与分析,证明了压缩性对岩基固结问题的影响