横观各向同性土——半封闭隧道衬砌相互作用分析

土体在沉积过程中存在各向异性,将土体视为各向异性体更为合理。考虑土体和衬砌的相互作用,基于饱和多孔介质理论和弹性理论,在频率域内研究了简谐荷载作用下横观各向同性土———半封闭圆形隧道衬砌简谐耦合振动。通过衬砌内边界应力连续以及土体和衬砌界面处应力和位移协调,得到了饱和横观各向同性土和衬砌的位移、应力和孔压解析表达式。利用衬砌中流体速度和土体中流体速度相等,建立了隧道部分透水边界条件,得到了待定系数的具体表达式。数值算例分析了土体和衬砌物性和几何参数的影响,表明:横观各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较大,而垂直于各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较小。另外,相对渗透系数和衬砌厚度对响应幅值有很大影响,而衬砌泊松比对响应幅值影响较小。     

具有圆形隧道的准饱和黏弹性土振动响应

采用解析方法在频率域内研究简谐荷载作用下具有分数导数黏弹性衬砌的圆形隧道准饱和黏弹性土振动响应.假定混凝土衬砌为黏弹性材料,利用分数导数模型描述动力学行为.将水-气混合物视为一种均匀流体,采用Biot波动理论模拟准饱和黏弹性土.利用分数导数黏弹性衬砌内边界以及准饱和黏弹性土和衬砌结构界面处的连续性条件,得到准饱和黏弹性土和分数导数型衬砌动力相互作用时土体和衬砌的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.讨论饱和度、衬砌厚度及分数导数本构参数对系统动力响应的影响.数值结果表明,分数导数阶数对系统响应的影响与衬砌材料参数比有关;饱和度对衬砌和土体界面处孔隙水的渗透性有较大影响;弹性衬砌条件下的系统响应大于分数导数黏弹性衬砌条件下的系统动力响应.     

饱和土中球形沼气池的动力响应

采用解析方法研究饱和土中球形沼气池的频域响应.将土体视为流固两相介质,饱和土体的动力学行为采用Biot理论模拟,建立具有球形沼气池饱和土体的动力方程.通过引入势函数,得到饱和土体的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.将模具结构视为均匀弹性介质,根据弹性理论,推导模具结构的位移和应力解.根据土体和模具结构接触面以及模具结构内边界的连续性条件,确定待定系数的具体表达式.与单相土中球形沼气池动力响应的结果、有无模具结构的结果、有限元方法、边界单元法进行对比分析.考察饱和土和模具结构各参数对位移和孔压幅值的影响,结果表明：流体压缩性系数对响应幅值的影响与接触面的孔隙水渗透性有关;边界透水情形下流固耦合系数对系统动力响应的影响远大于不透水情形下的系统动力响应.     

列车加减速引起轨道结构和饱和地基振动

为了研究列车加减速引起的饱和地基振动问题,基于两相介质Biot动力控制方程的简化u-p格式,开发二维饱和土体单元. 通过引入饱和土体黏弹性人工边界,求解移动点荷载作用下的二维饱和地基动力响应,并与半解析解进行对比验证,说明饱和土体单元的正确性和黏弹性人工边界的适用性. 结合E-B梁单元、弹簧-黏壶单元和集中质量单元对轨枕、道砟离散支承的轨道结构及饱和地基进行二维有限单元离散. 将列车荷载简化为平面内的移动轴荷载,通过与列车匀速时对比研究列车加速和减速时饱和地基的孔压、位移响应及离散轨枕、道砟的加速度响应. 结果表明列车减速将增大轨枕、道砟的水平及竖向加速度峰值;列车加速和减速在饱和地基中引起方向相反的土体水平向位移,且减速时土体水平位移峰值更大;列车加速和减速均增大土体竖向位移峰值.     

黏弹性边界对圆形衬砌隧道动力响应的影响

引入黏弹性边界模型,研究了3种瞬态荷载形式下黏弹性边界上径向刚度系数K_r与阻尼系数C_r对饱和土体与衬砌的径向位移、应力的影响。当K_r趋向于无穷,C_r趋向于0,黏弹性边界退化为完美黏结边界,取退化条件下的黏弹性边界参数同完美黏结边界条件下土体径向位移、应力进行对比,验证了黏弹性边界条件下的解答。分析了突加荷载、阶跃荷载和三角脉冲荷载下不同K_r与C_r值对饱和土体与衬砌的影响,结果表明:3种荷载作用下,刚度系数对土体与衬砌的径向位移、应力影响较大,阻尼系数对土体与衬砌的径向位移、应力影响较小;3种瞬态荷载峰值相同的情况下,突加荷载引起的土体与衬砌的径向位移、应力大于阶跃荷载和三角脉冲荷载。     

移动荷载作用下路面板与饱和弹性地基的动力响应

将路面板作为三维弹性体,建立路面-饱和弹性地基动力响应的层状弹性半空间体模型,对移动荷载作用下路面板-饱和弹性地基系统的动力特性进行了分析.将移动单元法引入到饱和弹性土介质的半解析方法中,构造了随荷载按照相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下饱和弹性土介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了饱和弹性土介质移动层单元动力方程,该方程可退化为单相弹性路面板移动层单元动力方程,基于此,建立了移动荷载下饱和弹性地基与路面板系统的三维动态响应的统一的半解析方程.数值分析了饱和弹性半空间地基上路面板的动力特性,研究了荷载速度、饱和层渗透系数等参数对路面板位移和土体孔隙水压力响应的影响,研究结果可为路面结构的施工设计及路基动力响应分析提供参考.     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明：饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大．     

具有半封闭隧道的饱和粘弹性土动力特性

考虑介质和流体的压缩性,根据Biot理论和弹性壳体理论,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土体-半封闭圆形隧道壳体衬砌系统耦合振动.将土体视为液固饱和多孔介质,选择反映介质流变特性的分数导数模型描述土骨架的应力-位移本构关系,又引入部分透水的边界条件,得到了饱和粘弹性土体中半封闭隧洞内边界分别在轴对称荷载和流体压力作用下位移、应力和孔压的表达式.进行了参数分析,研究表明:轴对称荷载条件下,分数导数阶数对系统响应的影响远大于流体压力情形下的动力响应,且存在明显的共振效应,但流体压力条件下不产生共振现象.     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明:饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大.     

黏弹性饱和土体中圆形隧洞动力相互作用

基于Biot波动方程，采用渗流力学耦合模型，研究了任意荷载条件下黏弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞衬砌 土动力相互作用问题.考虑衬砌材料和土体的多孔性质，隧洞处于半封闭状态，边界部分透水.通过引入4个势函数，并利 用Helmholtz分解原理，在Laplace变换域中得到任意响应模式下的应力、位移和超孔隙水压力解答.利用Laplace数值逆 变换在时间域中得到瞬时、移动等响应模式条件下的数值结果，并讨论了衬砌和土体的相对刚度对隧洞动力响应的影响. 结果表明：不同模式下隧洞的应力、位移和孔隙水压力响应有很大差异，且随相对刚度的增大而减小.     

基于复变理论的城门洞型隧洞围岩黏弹性位移解析解（研究生论坛）

围岩蠕变特性是影响隧洞长期稳定性的主要因素,目前对黏弹性位移仅得到圆形、椭圆形和矩形等简单边界的解析表达式,而对城门洞型隧洞,则尚未提出较精确的黏弹性位移计算式。基于任意边界的围岩弹性位移的计算过程,运用复变函数理论,根据实际情况简化计算模型,推导了城门洞型隧洞围岩边界位移的弹性解析解,再根据弹性-黏弹性对应原理,通过Laplace变换及其逆变换进一步得到了城门洞型隧洞边界位移的黏弹性解析解。结合某软岩隧洞工程,开展解析解、弹性有限元及FLAC3D流变分析,计算表明：三种计算方法洞室边界黏弹性变形规律基本相似,初始弹性变形吻合较好,且黏性变形的演变规律与数值分析及现场实测结果基本一致,表明应用文中方法的实用性和可靠性。     

任意荷载下黏弹性饱和土体中球壳的动力响应研究

工程实践中经常需要解决无限大弹性体内球壳的动力响应问题.采用Biot波动理论，对黏弹性饱和
土体中球壳的动力响应问题进行研究分析.利用Helmholtz分解原理，通过引入势函数，在Laplace变换域
中得到任意响应模式下球壳的动力响应解答.最后利用Laplace数值逆变换得到时间域中的数值结果，讨
论了在球壳内作用有轴对称荷载和流体压力两种情况时不同响应模式条件下球壳动力响应.球壳内作用有
轴对称荷载时接触面上的径向位移随n值的增大而减小，孔隙水压力开始有较大振荡；球壳内作用有流体
压力时在瞬时响应模式下位移趋近于零，而孔隙水压力变化相对平缓.结果表明,对于黏弹性饱和土体中
的球壳在不同的边界条件和响应模式下动力响应差别很大.     

瞬态扭矩作用下横观各向同性饱和地基的响应

通过Laplace-Hankel联合变换技术求解了横观各向同性饱和地基在瞬态扭转荷载作用下的动力方程，结合冲击荷载的具体分布形式，给出了地基内位移和剪应力在积分变换域内的解;通过Laplace Hankel逆变换给出了位移和剪应力的积分形式解.数值算例考虑了作用于地基表面圆形区域的荷载分别为线性分布和静刚性分布两种情况，分析了地基内的最大切向位移和最大剪应力沿径向和竖向的变化规律.数值研究表明,冲击剪应力的分布形式对地基内最大位移和剪应力的变化规律影响不大，土体的渗透系数对瞬态扭转荷载作用下地基的动力响应影响不明显，而地基的各项异性程度指标对最大切向位移和最大剪应力都有很大的影响.     

上覆分数阶粘弹性饱和场地土位移地震放大系数

考虑土体液相和固相的耦合作用,将基岩上覆场地土视为两相饱和多孔介质。为了考虑饱和场地土的粘弹性特性,其固相土骨架的应力应变关系利用分数阶Kelvin粘弹性模型来描述,建立了上覆分数阶粘弹性饱和场地土在简谐地震波作用下的运动控制方程。运用分数导数的性质并考虑上覆场地土的边界条件和透水性条件求解了上覆分数阶粘弹性场地土在简谐地震波作用下的振动问题,得到了饱和场地土的位移地震放大系数。采用数值算例分析讨论了分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比等参数对位移地震放大系数的影响。研究结果表明,分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比对饱和场地土的地震响应有较大的影响,通过压实场地土,可以达到增大液固耦合系数减小地震响应的作用,通过增大饱和场地土的粘性和剪切模量也可以减小地震反应。     

盾构任意衬砌变形边界条件下复变函数弹性解

在Verruijt基本解法的基础上,假定Sagaseta通用变形模式为隧洞周边边界条件,推导了任意衬砌变形边界条件下复变函数弹性解答.利用复变函数解决孔口问题的基本方法,采用Mobius共形映射变换,将带孔口半无限空间映射为复平面下圆环域,该域下解析函数以Laurent级数展开,根据Muskhelishvili解法和给定边界条件,求得应力场和位移场.在此基础上分析了各分量对竖向位移和水平位移的影响,结果表明:衬砌椭圆化变形对位移场的影响远大于衬砌竖向沉降对位移场的影响.