层状饱和地基上刚性圆板的扭转振动及参数分析

用解析的方法首次研究了层状饱和地基上刚性圆板的扭转振动特性.运用Hankel变换求解饱和介质动力问题的控制方程,按混合边值条件建立了层状饱和地基上刚性圆板扭转振动的第二类Fredholm积分方程.数值算例给出了动力柔度系数和扭转角幅值随无量纲频率的变化曲线,与单相弹性及匀质饱和介质情况进行了对比分析,并进行了参数研究.     

埋置简谐扭转荷载作用下广义Gibson饱和地基动力响应

考虑地基为饱和半空间,研究了广义Gibson饱和地基内作用简谐扭转动荷载时地基的动力响应问题。从Biot饱和地基固结理论出发,结合扭转振动的特点,建立了剪切模量随深度线性变化的饱和地基扭转振动的动力微分方程,通过Hankel变换求解此微分方程,给出了Hankel变换域内的切向位移和剪应力关于待定系数的表达式。根据饱和地基表面为自由表面,荷载作用面位移连续、剪应力差等于动荷载大小,波的辐射条件等边界条件求解出待定系数,借助Hankel逆变换给出地基内的位移和应力的表达式。通过数值算例研究发现:在同一水平面内,地基内的切向位移和剪应力曲线的实部和虚部都呈现出非常明显的波动变化规律;在竖向平面内,动荷载作用面上部区域内随深度逐渐增大时,地基内切向位移和剪应力曲线的实部逐渐增大,而在动荷载作用面下部区域则正好相反;扭转动荷载的影响范围主要是荷载作用面上下2倍半径区域。     

下卧基岩饱和地基中埋置刚性基础的竖向振动问题研究

基于Biot提出的饱和土波动方程,研究了埋置于单层饱和地基中的有质量的刚性圆柱基础的竖向振动问题。运用Hankel积分变换求解饱和土基本动力方程,并考虑基础与地基接触面的混合边值条件,求得了基础底面和基础侧面的动反力,结合基础振动的动力平衡方程,得到了基础竖向振动振幅和地基等效动力刚度的表达式。数值分析结果表明：下卧基岩饱和地基的等效动力刚度和基础振动振幅都呈现出明显的波动现象,土层厚度、基础埋深比、基础质量比对埋置基础的竖向振动有很大影响。     

均质弹性地基中单桩的扭转振动特性研究

利用积分方程的方法研究了均质弹性地基中单桩的扭转振动问题。在分析过程中,首先利用积分变换的方法得出均质弹性地基内作用一埋置扭矩时的基本解。基于基本解,根据变形协调条件建立了控制单桩扭转振动特性的第2类Fredholm积分方程。对所得积分方程进行数值求解得到单桩扭转振动时的扭矩和扭转角及动力柔度系数,并对其进行了参数分析。所得结论对桩基础设计与计算以及桩基低应变扭转波动测技术有一定的指导意义。     

横观各向同性饱和地基中埋置刚性圆柱基础的扭转振动

考虑埋置基础侧面和底面地基与基础的相互作用,研究了埋置于横观各向同性饱和地基中刚性圆柱基础的扭转振动问题。假设基础侧壁与地基完全黏结,沿侧面对剪应力积分得到了侧壁地基对基础所产生的反扭矩;通过研究位于横观各向同性饱和地基上刚性圆形基础的扭转振动,求得基础底面地基作用于基础的反扭矩。结合基础底面位移和应力连续等条件,根据基础振动的动力平衡方程,求解了相应的动力响应问题。给出了基础的角位移幅值,地基的等效刚度系数和等效阻尼系数的表达式。通过算例研究了相关参数对基础扭转振动的影响。     

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。     

饱和地基上条形弹性基础的摇摆振动

基于Biot动力方程,研究了饱和均质弹性半空间上弹性条形基础的摇摆振动问题。通过Fourier积分变换求解了饱和土的动力控制方程,然后结合基础底部为混合边界的条件得到了弹性条形基础的摇摆振动对偶积分方程,利用正交多项式将对偶积分方程转化为求解一组线性代数方程组,同时利用复合Simpson法则,得到了动力柔度系数的表达式,通过算例得出了不同参数时地基动力柔度系数随无量纲频率的关系曲线。     

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。     

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。     

双层广义Gibson地基轴对称问题求解

假定双层地基土体为弹性、不可压缩、剪切模量随深度线性变化的广义Gibson地基,在两层土体剪切模量表达式常数项与一次项系数之比相同条件下,采用Hankel变换,得到了表面分布轴对称荷载时地基土体应力、位移的积分形式解,讨论了下层深度、剪切模量等对位移的影响。获得的解可退化到半空间情况。     

上覆单相弹性层饱和地基上刚性条形基础竖向振动的混合边值问题

根据Biot动力控制方程,运用Fourier积分变换技术,并按照混合边值条件和连续条件建立了上覆单相弹性层饱和地基上刚性条形基础竖向振动的对偶积分方程,并将其退化到完全饱和地基的情形。通过引进正交多项式将对偶积分方程化为线性代数方程组,从而得到了上覆单相弹性层的饱和地基上刚性条形基础的竖向振动规律。通过算例分析得到,单相弹性层的厚度对动力柔度系数有着较大的影响,在单相弹性层厚度较小时（小于条形基础半宽的0.1）,动力柔度系数曲线与完全饱和的基本重合;完全饱和地基上刚性基础的竖向振动是上覆弹性层厚度Hn=0的特例。     

The axial loading of a rigid circular anchor plate embedded in an elastic half-space

The present paper examines the axisymmetric problem related to the loading of a rigid circular anchor plate which is embedded in bonded contact with an isotropic elastic half-space. A Hankel transform development of the governing equations is used to reduce the associated mixed boundary value problem to a set of coupled Fredholm integral equations of the second kind. These equatons are solved in a numerical fashion to generate results of engineering interest. In particular, the results indicate the influence of the depth of embedment on the axial stiffness of the rigid anchor plate.     

Torsional dynamic response of a large‐diameter pipe pile in viscoelastic saturated soil

An analytical solution is developed in this paper to investigate the dynamic response of a large‐diameter end‐bearing pipe pile subjected to torsional loading in viscoelastic saturated soil. The wave propagation in saturated soil and pile are simulated by Biot's two‐phased linear theory and one‐dimensional elastic theory, respectively. The dynamic equilibrium equations of the outer soil, inner soil, and pile are established. The solutions for the outer and inner soils in frequency domain are obtained by Laplace transform technique and the separation of variables method. Then, the dynamic response of the pile is obtained on the basis of the perfect contacts between the pile and the outer soil as well as the inner soil. The results in this paper are compared with that of a solid pile in elastic saturated soil to verify the validity of the solution. Furthermore, the solution in this paper is compared with the classic plane strain solution to verify the solution further and check the accuracy of the plane strain solution. Numerical results are presented to analyze the vibration characteristics and illustrate the effect of the soil parameters and the geometry size of the pile on the complex impedance and velocity admittance of the pile head. Finally, the displacement of the soil at different depth and frequency is analyzed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

具有球形空腔饱和土分数导数 黏弹性土的动力特性

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于Biot两相饱和介质模型,建立具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体稳态振动的控制方程。通过引入势函数,得到球对称情形下具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体的位移、应力和孔隙流体压力等解析表达式。考察分数导数模型参数和饱和土参数等对土体振动特性的影响,结果表明,流体压缩性对饱和土体的动力特性有显著影响,而土骨架压缩性和流-固耦合系数的影响相对较小;分数导数阶数对土体动力特性的影响与材料参数比的取值有关。同时,边界不排水条件下饱和土体的动力响应大于排水条件下饱和土体的动力响应。     

横观各向同性地基中管桩扭转振动响应解析解

考虑地基沉积过程中产生的竖向和水平向力学性质的差异,对横观各向同性地基中管桩扭转振动频域响应进行了理论研究。基于横观各向同性材料的本构关系以及桩-土耦合扭转振动,建立了桩土系统定解问题,通过Laplace变换和分离变量法求得了桩周土和桩芯土扭转振动位移形式解。通过桩-土接触面的连续条件,求得了管桩扭转频域响应解析解,并得到了桩顶复动刚度和速度导纳的表达式。将所得解退化到横观各向同性地基中实心桩解以及均匀地基中管桩解,并与已有文献进行了对比,验证了解的合理性。通过数值算例,分析了桩周土和桩芯土的横观各向同性力学参数对桩顶扭转复刚度及速度导纳的影响。