饱和土中圆柱形衬砌对瞬态弹性波的散射

基于Biot波动理论,运用Laplace变换和波函数展开法,得到瞬态弹性波入射条件下饱和土体及圆柱形衬砌的位移应力表达式.利用饱和土体与衬砌结构的连续条件和衬砌结构内边界上的应力自由条件确定表达式中的未知系数.利用Laplace逆变换的数值方法给出了问题的数值解.研究了衬砌结构的动应力集中系数的波型特性及材料剪切模量和衬砌厚度对动应力集中系数的影响.结论表明随着阶数n的增大波型明显衰减;土体较衬砌结构软时动应力集中系数越大;衬砌结构厚度越大动应力系数越小.     

饱和土半空间中地下圆形衬砌洞室对平面SV波的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier-Bessel级数展开法,通过对舍有衬砌洞室的局部场地进行波场分析,得到饱和土半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波的散射问题的解析解。经验证,本文得到的解可以退化为半空间单相介质的情况。通过与已有的单相弹性介质半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波散射问题的解析解的对比,验证了此解的正确性。在解析解的基础上,数值计算给出洞口动应力集中放大系数,分析了入射频率和孔洞埋深对柱面上的应力集中因子的影响。     

半无限空间界面附近SH波对圆形衬砌的散射

建立了求解半无限空间中SH波对浅埋圆形衬砌结构的散射与动应力集中问题的解析方法。利用SH波散射的对称性和多极坐标的方法，在复平面上构造出了一个可以预先满足半空间自由表面上应力自由的边界条件的浅埋圆形衬砌对稳态SH波散射的波函数，并构造出衬砌内的散射波函数。然后根据衬砌周围的边界条件，将该问题转化为对一组无穷代数方程组的求解。最后给出了具体算例，并讨论了其数值结果。     

平面SV波在饱和土半空间中圆柱形孔洞周边的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier—Bessel级数展开法,得到SV波在饱和土半空间中圆柱形孔洞周边的散射问题的解析解答。与已有相关问题的解析解答进行对比,验证了此解的正确性,并给出算例,分析了入射频率对柱面上的应力集中因子的影响。     

SH波入射时半圆形凸起地形附近浅埋圆形衬砌结构的动应力分析

本文给出了地下圆形衬砌结构与地面上的半圆形凸起地形对垂直于地面入射的SH波散射问题的解答。方法是将求解区域分割成两部分。其一为包含半圆形凸起地形在内的圆形区域Ⅰ，其二为带有一个半圆形凹陷和一个圆形衬砌结构的弹性半空间Ⅱ，半圆形凹陷部分为其公共边界，在区域Ⅰ和Ⅱ中分别构造其位移解，然后再通过移动坐标，使其满足“公共边界”上的条件和地下衬砌的边界条件，建立起求解该问题的无穷代数方程组。最后，本文给出了算例，并讨论了数值结果，给出了圆形衬砌结构周边上的动应力集中系数变化规律。     

分离式双圆形隧道衬砌对平面SH波的散射

采用波函数展开法,将入射、散射和折射SH波的位移势函数展开成Fourier-Bessel函数的级数形式,根据Graf加法定理,得到了任一局部圆柱坐标系下的波场势函数的表达式.根据隧道衬砌与周围岩体都在界面处应力和位移连续及衬砌内边界完全自由的边界条件,得到了分离式双隧道衬砌对入射平面,SH波的多重散射问题的理论解.通过数值计算分析得出:入射频率、衬砌间距、衬砌与围岩的模量比及衬砌的厚度等是影响衬砌内侧的无量纲位移和动应力集中因子分布的重要因素,为双衬砌或多衬砌的地震评价提供了理论依据.     

线源荷载对半圆形凸起圆形夹杂附近浅埋圆孔的动力作用

采用复变函数法和Green函数法研究了在水平界面承受出平面线源荷载时弹性半空间内半圆形凸起的圆柱形弹性夹杂对浅埋圆孔的动力作用.该问题采用“分区”、“契合”思想求解.首先,将整个求解区域分割成两部分,其一为含半圆形凹陷和圆孔的弹性半空间,其二为圆柱形弹性夹杂;其次,构造满足含半圆形凹陷半空间水平界面应力自由和圆孔边界应力自由的散射波,构造满足圆形夹杂上半表面应力自由下半表面应力连续条件的驻波和散射波;最后,在两个区域的“公共边界”上实施“契合”,满足公共边界处位移和应力的连续性条件,同时满足圆孔边界应力自由的边界条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组,并就具体算例分析讨论了浅埋圆孔边缘动应力集中系数(DSCF)的数值结果.结果表明:圆柱形弹性夹杂的“软”、“硬”对浅埋圆孔孔边动应力集中系数有不同的影响.     

平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(I):解析解

利用波函数展开法给出了入射平面P波在饱和半空间中圆形洞室周围散射问题的一个解析解。半空间假定为无粘性流体饱和介质,满足Biot理论。采用一种基于实验数据的孔隙率和模量之间的线性关系来确定Biot模型中的介质参数。解答考虑了透水边界和非透水边界两种情况。对边界条件进行了数值检验,结果表明,随着级数截断项数的增大,边界残量衰减很快。解答为进一步研究入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响奠定了基础。     

平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(Ⅰ):解析解

利用波函数展开法给出了入射平面P波在饱和半空间中圆形洞室周围散射问题的一个解析解。半空间假定为无粘性流体饱和介质,满足Biot理论。采用一种基于实验数据的孔隙率和模量之间的线性关系来确定Biot模型中的介质参数。解答考虑了透水边界和非透水边界两种情况。对边界条件进行了数值检验,结果表明,随着级数截断项数的增大,边界残量衰减很快。解答为进一步研究入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响奠定了基础。     

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.     

Dynamic response of an eccentrically lined circular tunnel in poroelastic soil under seismic excitation

An exact analysis for two-dimensional dynamic interaction of monochromatic progressive plane compressional and shear seismic waves with a permeable circular tunnel lining of circumferentially varying wall thickness buried in a boundless porous elastic fluid-saturated formation is presented. The novel features of Biot dynamic theory of poroelasticity in conjunction with the translational addition theorems for cylindrical wave functions, along with the appropriate wave field expansions and the pertinent boundary conditions are employed to develop a closed-form solution in form of infinite series. The analytical results are illustrated with numerical examples in which an air-filled and water-saturated permeable tunnel lining of variable wall thickness, embedded within water-saturated surrounding formations of distinct frame properties (soft, stiff, and stiff viscoelastic soil), is insonified by fast compressional or shear waves at selected angles of incidence. The effects of liner eccentricity, interface permeability, formation material type, incident wave frequency, and angle of incidence on the hoop stress amplitude are evaluated and discussed for representative values of the parameters characterizing the system. Limiting cases are considered and good agreements with the solutions available in the literature are obtained.     

The influence of the degree of saturation on dynamic response of a cylindrical lined cavity in a nearly saturated medium

In most previous studies on the dynamic response of a long cylindrical cavity subjected to internal transient dynamic loads, the porous medium was usually assumed to be completely saturated by ground water. In practice, however, the full saturation condition does not always exist. In this paper the surrounding soil and the lining of the cavity are respectively treated as a nearly saturated porous medium and an elastic material, and the governing equations for the dynamic problem are derived. A set of exact solutions are obtained in the Laplace transform domain for three types of transient loads, i.e. suddenly applied constant load, gradually applied step load and triangular pulse load. By utilizing a reliable numerical method of inverse Laplace transforms, the time-domain solutions are then presented. The influence of the degree of saturation of the surrounding soil on the dynamic response of the lined cavity is examined for numerical examples.     

饱和土中孔列对平面快纵波的隔离效应

在Biot饱和土波动理论的基础上,用单排孔列作为屏障,对全空间饱和土中人射平面快纵波进行了隔离分析.采用波函数展开法,将人射波和散射波的势函数展开成Fourier-Bessel函数的无穷级数的形式,利用一组可以求解多散射问题的圆柱坐标系统和界面处位移连续的条件,得到问题的理论解.对影响隔离效果的孔间距和饱和土的渗透性等...     

饱和土中浅埋隧道耦合二维动力响应解答探讨

针对平面波耦合作用下饱和半空间中浅埋隧道二维动力响应的典型问题的解答进行探讨。首先基于Biot饱和孔隙介质理论建立饱和土场方程,并通过中间势函数的代入推导得到饱和土体中的快纵波、慢纵波及横波的Helmholtz势函数方程,随后引入柱坐标系下饱和土体和弹性衬砌的势函数通解,并代入边界条件中,建立以第n组参数为变量的多元一次齐次线性方程组。采用本文的推导思路,可以解决饱和土体中的浅埋隧道在地震作用时P波和S波耦合作用下的响应问题。     

Scattering of elastic wave by a cylindrical shell deeply embeded in saturated soils

The compression of soil grain and pore fluid as well as viscid coupling of pore fluid and soil skeleton is considered, the scattering problem of incident plane P1 wave （fast compressional wave） by an infinite cylindrical shell deeply embedded in isotropic saturated soils is studied by adopting the amended Biot model, amplitude equations about potential functions of scattering and refracting fields are obtained, and the effect of dimensionless frequencies and shell thickness on the back-scattering spectra and dynamic stress concentration factors of two types of cylindrical shells with high and low rigidity are numerically computed and analyzed.     

SH波入射时多个半圆形沉积谷地附近浅埋圆形孔洞的动力分析

本文采用辅助函数的思想,利用复变函数和多级坐标的方法给出了SH波入射条件下多个半圆形沉积谷地附近浅埋圆形孔洞动力分析问题的解答。将整个求解区域分割成两部分来处理,区域I为多个半圆形沉积谷地,区域II为浅埋圆形孔洞附近带半圆形凹陷的半无限弹性空间。在区域I和II中分别构造位移解,并在二个区域的“公共边界”上实施位移应力的连续条件,建立求解该问题的无穷代数方程组。最后,本文给出了算例和数值结果,并对其进行了讨论。     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

圆形隧洞对地下地震动的影响:SH波入射

地下结构对地震波的散射改变了场地的动力特性,无论是地上建筑还是地下结构的安全评价和抗震设计中,目前均没有很好的考虑由于地下结构的存在对原场地地震动尤其是地下地震动的影响。基于弹性波动理论,运用波函数展开法和镜像原理,分析了弹性半空间中圆形隧洞对柱面SH波的散射问题,得到了含圆形隧洞的弹性半空间位移解析解。通过数值算例分析了圆形隧洞对原场地地震动的影响,重点考察了隧洞埋深、隧洞半径和围岩衬砌模量比等参数的影响规律。结果表明,地下结构对沿线场地的动力特性有着显著的影响,对其自身以及沿线工程结构的抗震设计提供一定参考价值。     

饱和砂土地铁车站的振动台试验研究

地震作用下,饱和砂土地层地铁车站的动力反应特征是城市轨道工程抗震的关键问题。以太原地铁新近沉积粉细砂地层地铁工程为对象,通过模拟地震运动输入的饱和砂土地基地下结构的振动台模型试验,分析了不同峰值加速度地震作用下饱和砂土与地下结构相互作用的动力反应性状。研究了地震波作用的放大效应与频率特征,动孔压比增长发展过程和液化区域分布,以及动土压力的变化规律。表明加速度放大系数为1.5~2.0;0.1~0.25g峰值加速度地震作用下饱和砂土均产生动孔隙水压力累计发展;0.3g峰值加速度地震作用下饱和砂土产生液化,抑制了土与地下结构的振动放大效应,地表面大量冒水,结构模型出现了明显上浮,地下结构两侧产生震陷。