移动荷载作用下层状横观各向同性饱和土中排桩的隔振效应

利用有限元-边界元耦合法评估了移动荷载下层状横观各向同性饱和土体中排桩的隔振效果。利用有限元法将排桩离散成单桩以及桩单元,基于Bernoulli-Euler梁理论得到桩的有限元矩阵方程;在桩-土边界,土体单元与桩单元进行了等节点离散,并以层状饱和地基的解析层元基本解作为核函数,利用边界积分法得到桩-土界面处地基的柔度矩阵;基于两阶段理论,将侧摩阻力响应与移动荷载直接引起的振动进行耦合,结合边界元法得到饱和地基的边界元方程;考虑Bernoulli-Euler梁和土体之间不发生相对滑移和脱开的位移协调条件,耦合有限元和边界元方程,得到排桩的动力响应方程;计算有无排桩隔振下某一观测点的位移,即可结合隔振理论分析排桩的隔振效率。在验证所提方法准确性的基础上,分析了桩长、桩身刚度、移动荷载速度以及横观各向同性参数对排桩隔振效应的影响。结果表明:最优桩长约等于2倍瑞利波长,超过该值隔振效果提高不大;桩与地基的刚度差越大,隔振效果越好;荷载速度超过剪切波速,桩基隔振表现反而更好。

横观各向同性层状饱和土动力问题的反射、透射矩阵方法

建立了轴对称情形下横观各向同性层状饱和土(TISS)动力问题的反射、透射矩阵(RTM)方法。对横观各向同性饱和土状态向量所满足的偏微分方程组进行Fourier和Hankel变换,得到状态向量所满足的常微分方程组。求解该常微分方程组,得到横观各向同性饱和土状态向量的通解。根据该通解得出了状态向量和波向量的传递矩阵,由波向量的传递矩阵得出了层状土的反射、透射矩阵表达式。利用上述反射、透射矩阵,并结合层状饱和土的边界条件和层间连续性条件,得出了垂直力作用下横观各向同性层状饱和土在变换域内的解。对变换域内的解进行Hankel逆变换,得出了频域内层状饱和土的动力响应。

横观各向同性饱和层状土中垂直受荷群桩的动力阻抗

给出了稳态振动时,垂直受荷群桩在横观各向同性饱和层状土中动力阻抗计算的一般方法。首先,基于Biot饱和介质的三维波动理论,借助Hankel变换,得到横观各向同性饱和土轴对称动力问题的通解,利用通解,给出饱和土层在Hankel变换域内的精确动力刚度矩阵,进而构建出饱和土层在竖向柱面荷载作用下的动力Green函数;其次,根据桩-土界面的位移协调及平衡条件,利用Kynia的方法,建立了饱和地基-群桩纵向耦合振动的边界元-有限元方程,给出了垂直受荷群桩动力阻抗的计算公式。算例表明:场地土的各向异性及土层刚度的变化,对摩擦型群桩动力刚度的影响要远大于对端承型群桩的影响。

横观各向同性饱和土的基本方程组

两相饱和多孔介质的基本方程组和计算参数的选取在一定程度上是混乱的.本文利用连续介质力学理论,结合空间平均化方法,根据应力-应变关系、运动学关系、连续性方程及广义Darcy定律,建立了横观各向同性液体饱和多孔介质的基本方程组;通过将该基本方程组与Biot理论的基本方程组进行比较,确定了Biot方程组中的弹性常数Bi与弹性常数cij的关系,并得到了确定Biot参数mi和ri的计算公式——Biot参数与渗透率、孔隙率及黏性系数的关系;最后对几种特殊情形进行了讨论,给出了简化方程组.

横观各向同性饱和层状地基的三维稳态动力响应

首先引入状态向量,将直角坐标系下横观各向同性饱和土的Biot波动方程转化为一组状态方程,然后基于双重Fourier变换,求解了状态方程并得到传递矩阵。进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了横观各向同性饱和层状地基的稳态动力响应问题。数值算例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动力特性。

冲刷作用下层状横观各向同性土中群桩水平振动响应

采用有限元(FEM)与间接边界元(BEM)耦合法,求解冲刷作用下层状横观各向同性地基中高承台群桩的水平振动响应。采用三节点梁单元对群桩进行离散;然后,基于层状横观地基频域内的解答,以及考虑桩–桩相互作用,建立了地基积分方程;再通过对积分方程离散和数值求解,得到地基的柔度矩阵;根据桩土之间的协调条件,推导出群桩与地基共同作用的方程;通过引入各基桩桩顶的边界条件,获得共同作用方程的解答。最后,通过相关数值算例,验证本文理论及结果的正确性,并讨论冲刷深度对群桩水平振动响应的影响。

横观各向同性饱和层状地基的三维稳态动力响应

首先引入状态向量,将直角坐标系下横观各向同性饱和土的Biot波动方程转化为一组状态方程,然后基于双重Fourier变换,求解了状态方程,得到传递矩阵.进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了横观各向同性饱和层状地基的稳态动力响应问题.

横观各向同性非饱和土的增量非线性本构模型及参数变化规律研究

为了建立能同时反映成层地基土横观各向同性和非饱和特性的本构模型,通过理论分析和系统的室内试验,对横观各向同性非饱和土的力学特性和本构模型做了深入系统的研究。首先,以非饱和土力学和弹塑性理论为基础,建立了横观各向同性非饱和土的增量非线性本构模型;其次,进行了多种应力路径的非饱和土三轴试验,揭示了横观各向同性非饱和土的力学特性与水量变化特性;再次,分析研究了模型参数随应力状态的变化规律,提出了相应的数学表达式;最后,通过不同条件的非饱和土试验,初步验证了本文所建立本构模型的合理性。研究成果可为天然成层地基和大面积填土工程设计提供科学依据和理论支持,丰富和发展非饱和土的本构模型。

层状横观各向同性饱和地基中桩基的纵向耦合振动

基于层状横观各向同性饱和土地基模式,研究了桩基在饱和土体中的纵向耦合振动问题。首先,根据饱和介质三维波动理论的Biot模型,利用Hankel变换,给出横观各向同性饱和土波动方程的轴对称通解;利用通解,建立了饱和土层的精确动力刚度矩阵,进而构建出盘面和竖向柱面荷载作用下,土体与结构动力相互作用的Green函数;其次,根据桩-土界面的位移协调及平衡条件,用边界单元法构建了层状饱和地基与桩相互作用的动力方程和计算公式,给出求解层状横观各向同性饱和地基与桩基纵向耦合振动的一般解法。算例表明:土介质的各向异性参数、饱和土孔隙率和桩-土模量比,对低频振动桩的动力刚度影响不大,但对高频振动影响显著。

横观各向同性饱和土中柱面载荷的动力Green函数

基于饱和介质的三维波动理论的Biot模型,利用Fourier展开和Hankel变换,并借助算子理论,给出了圆柱坐标系下横观各向同性饱和土波动方程的非轴对称通解;利用通解,建立了饱和土层及饱和半空间的精确动力刚度矩阵;借助刚度矩阵,给出层状横观各向同性饱和地基中,作用沿土层深度方向分布的竖向和水平柱面载荷时的动力Green函数,进而解决了利用间接边界元法分析桩-饱和土动力相互作用的关键问题.

层状横观各向同性饱和地基上圆板的非轴对称振动

研究了层状横观各向同性饱和地基上弹性圆板的非轴对称振动问题.首先,通过方位角的Fourier变换,将圆柱坐标系下横观各向同性饱和土的三维动力方程转化为一阶常微分方程组,基于径向Hankel变换,建立问题的状态方程,求解状态方程后得到传递矩阵;其次,利用传递矩阵,结合层状饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,给出了任意简谐激振力作用下层状横观各向同性饱和地基动力响应的通解;然后,按混合边值问题建立层状饱和地基上弹性圆板非轴对称振动的对偶积分方程,并将对偶积分方程化为易于数值计算的第二类Fredholm积分方程,并给出了算例.

横观各向同性层状饱和地基的轴对称二维Biot固结分析

从Biot基本固结方程出发,引入状态变量,构造了一组描述土体固结的等价状态变量微分方程.该方程组可利用Hankel-Laplace联合积分变换的方法进行求解,由此获得饱和土骨架位移、应力、孔隙水压力及渗流量的一般积分形式解.通过一个数值算例分析了横观各向同性层状饱和地基受荷载作用的固结性状.结果表明,固结速率随地基厚度的增加而减小,在无量纲地基厚度h>10时,其对地基固结特性的影响可略去.

轴对称横观各向同性饱和土中单桩竖向振动的简化模型求解

基于饱和多孔介质理论,将土体视为横观各向同性饱和两相介质,利用分离变量法求解了横观各向同性饱和土层的竖向振动,在此基础上建立横观各向同性饱和土中单桩竖向振动的控制方程,借助桩端边界条件和三角函数的正交性对桩竖向振动问题进行了求解,并分析了相关参数对竖向振动的影响。研究表明:桩-土系统存在共振现象,复刚度的变化受激振频率的影响较大;在高频和低频时,各向异性参数对动刚度的影响不同,各向异性参数越大,复刚度的峰值越小。

层状横观各向同性饱和地基的三维Biot固结问题

首先引入状态向量,在直角坐标系下推导出横观各向同性饱和地基Biot固结问题的状态方程,然后基于Laplace变化和双重Fourier变换,求解了状态方程,得到传递矩阵,进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了层状横观各向同性饱和地基的Biot固结问题。

基于分数导数理论的横观各向同性饱和黏弹性地基中大直径嵌岩桩的竖向振动

为探究各横观向同性饱和黏弹性土中大直径嵌岩桩的纵向耦合振动特性,基于Boer饱和多孔介质理论、分数导数黏弹性模型以及横观各向同性本构方程建立了u-p形式的横观各向同性饱和黏弹性土体动力控制方程组,并使用分离变量法求解得到桩侧土反力基本解。继而结合Rayleigh-Love杆模型建立了大直径黏弹性桩在横观各向同性饱和黏弹性土中的竖向振动方程,基于桩土相容条件和边界条件求解得到了桩顶竖向动力阻抗解析表达式,进一步通过Fourier逆变换得到了激振荷载为半正弦脉冲时桩顶的速度时域半解析解。通过将本文解与数值模拟和已有研究结果进行对比验证了本文推导的合理性。最后,通过数值算例分析了横观各向同性和黏性对桩基振动特性的影响。研究结果表明:土骨架的横观各向同性和黏性特性对桩基的振动特性具有显著影响。桩顶动力阻抗共振幅度以及速度响应反射波信号幅值随着土骨架横观各向同性比δ的增大而减小,而随着土体黏性参数比τ_(ε)/τ_(σ)以及分数导数阶数α的增大而增大。并且当δ较大或τ_(ε)/τ_(σ)及α较小时,不利于速度响应反射波信号的观测。从整体来看:土体横观各向同性及黏性特性对桩顶动力阻抗共振频率的影响较小。

各向同性土与横观各向同性土的力学特性和持水特性

为了探讨不同初始状态下非饱和黄土的力学性质和水量变化规律之间的差异,提出了制备各向同性及横观各向同性试样的方法,用改进的非饱和土三轴仪对制备的各向同性、横观各向同性及常规重塑试样进行了72个三轴固结排水剪切试验.试验结果表明:对不同削样角度的各向同性试样进行试验验证,发现其近似各向同性;3种不同初始状态下各向同性非饱和试样的破坏应力最大,横观各向同性非饱和试样次之;横观各向同性试样在剪切阶段的初始切线模量最大,其他两组试样的初始切线模量较小且近似相等;各向同性试样及横观各向同性试样在剪切的初始阶段均有轻微的剪胀现象,常规重塑试样均处于剪缩状态;不同初始状态下的各非饱和试样在剪切阶段吸力变化对排水的影响并不显著,其中横观各向同性试样的偏应力-含水率关系曲线的斜率绝对值最小,其他两组试验的斜率几乎相同,各向同性、横观各向同性及常规的重塑试样的力学特性及持水特性不尽相同.本文的研究成果可为不同初始状态下各模型的建立及工程应用提供有益的参考.

横观各向同性饱和地基的三维动力响应

首先引入位移函数,将直角坐标系下横观各向同性饱和土Biot波动方程转化为2个解耦的六阶和二阶控制方程;然后基于双重Fourier变换,求解了Biot波动方程,得到以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的积分形式的一般解,并用一般解给出了饱和土总应力分量的表达式.在此基础上系统研究了横观各向同性饱和半空间体的稳态动力响应问题,考虑表面排水和不排水两种情况,得到了半空间体在任意分布的表面谐振荷载作用下,表面位移的稳态动力响应,文末给出了算例.

横观各向同性层状场地在SH波入射时共振特性

采用横观各向同性 (以下简称TI)层状弹性体模拟半空间之上的场地土 .首先推导了在入射SH波时TI弹性体界面上透射角的计算公式 ,然后利用笔者推得的在入射平面SH简谐波时TI弹性土层的刚度矩阵及TI层状场地的响应计算公式 ,计算了典型TI层状场地在SH简谐波入射时的频响函数 .计算表明 ,在入射角度较小时 ,场地的横、竖向模量比越大 ,则共振频率越低 ,而共振幅值越高 .

横观各向同性饱和地基与中厚圆板的非轴对称动力相互作用

研究横观各向同性饱和土地基上中厚弹性圆板的非轴对称振动问题,即首先利用Fourier展开和Hankel变换技术,求解了简谐激励下横观各向同性饱和土地基的非轴对称Biot波动方程,然后按混合边值问题建立地基与弹性中厚圆板非轴对称动力相互作用的对偶积分方程,并将对偶积分方程化为易于数值计算的第二类Fredholm积分方程.文末给出了算例.数值结果表明,在一定频率范围内,地基表面的位移幅值随激振频率增加而增大,随距离的增大以振荡形式衰减变化.

横观各向同性层状地基上弹性矩形板的参数研究

根据横观各向同性单层地基的解析层元,结合土体之间的层间连续性条件,得到了横观各向同性层状土体在任意均布荷载下的位移解答。结合弹性矩形板与层状地基表面的位移协调条件和光滑接触条件,推导出横观各向同性地基与弹性矩形板共同作用的解析解。随后编制了相应的Fortran程序进行数值计算,分析了板土刚度比、土体横观各向同性和土体层状特性,模型中各个参数对计算结果的影响。结果表明:板土刚度比?、横观各向同性参数m和层状性质参数?对计算结果影响更大,横观各向同性参数n和层状性质参数β影响则相对较小。