平面波入射下深水地基场地动力响应分析

建立了深水地基场地分析模型,基于单相弹性介质、Biot流体饱和多孔介质和理想流体弹性波动理论,分别推导了平面P波或SV波入射时该深水地基场地波动问题的解析解,并得到水下地层表面位移的表达式,分析了土的刚度、饱和度及入射角等因素变化时水深对场地位移响应的影响。结果表明:水深对水平位移峰值的影响较小,而共振频率随着水深的增加而增大;竖向位移峰值和共振频率并不随水深的增加而单调增加;同一水深下,饱和土层的刚度越小,水平及竖向位移峰值越大,共振频率越小;与完全饱和相比,土层饱和度的微小变化会使竖向位移峰值显著增大,共振频率减小,但水平位移峰值和共振频率基本上不受饱和度的影响;在基本频率下,当P波作用时,水深对水平位移的影响随着入射角增加先增加后减小,有水时在不同入射角下水深对竖向位移的影响较小;当SV波入射和有水条件下,对于不同的入射角水平位移均随着水深的增加而减小,在入射角35°到45°范围内竖向位移随着水深的增加而减小,除此范围外水深对竖向位移的影响较小。     

平面P1波入射下双层衬砌对海底隧道地震响应的影响

将海水和海床土分别视为理想流体和饱和多孔介质,基于理想流体波动理论和Biot流体饱和多孔介质理论,考虑海水-海床土-隧道结构动力相互作用,利用波函数展开法和Hankel函数积分变换法,给出平面P₁波入射下海底双层衬砌隧道地震响应的解析解。与以往的“大圆弧假定”方法相比,Hankel函数积分变换法可以将海底双层衬砌隧道场地中的散射波场势函数从柱坐标系下直接转换到直角坐标系下,可以更好地处理海水层表面和水土交界面处边界条件。在解析解的基础上,分析内外衬砌刚度比和内外衬砌厚度比对海底双层衬砌隧道位移响应和应力响应的影响,对海底双层衬砌隧道的抗减震设计提出合理建议。研究结果表明：(1)海底双层衬砌隧道的应力响应明显小于同参数条件下的单层衬砌隧道;(2)内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应的影响与隧道衬砌位置有关;(3)随着内外衬砌刚度比和厚度比的增加,隧道外衬砌应力响应均有减小趋势;(4)综合内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应和应力响应影响,海底双层衬砌隧道抗减震设计时,隧道内外衬砌刚度比和厚度比的选取范围分别建议为E₂/E₁...     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

非饱和土成层场地波动问题的解析解及应用

现有地基场地波动问题研究中,多将地基土视为饱和、准饱和状态或单相介质,难以反映非饱和土体波动性质。在现有非饱和多孔介质波动理论的基础上,建立基岩上覆成层非饱和土复杂场地模型,采用传递矩阵法,分别求解了平面P波和SV波入射下基岩上覆成层非饱和土场地波动问题的解析解。通过与已有的基岩上覆单一非饱和土层波动问题的解进行对比,验证了该解的正确性。并利用该解答初步分析了当非饱和土层饱和度呈梯度变化时,地下水水位变化对地面运动的影响。分析结果表明:地下水位变化对地面运动的影响与入射波频率和入射角有关。相同频率下,当入射角较小时,地下水位变化对地表竖向位移的影响较大;地下水位变化对水平位移的影响随着入射角增加先增加后减小。相同入射角下,随着地下水位上升,地表竖向位移的峰值减小,峰值频率增加,而地表水平位移的峰值及峰值频率变化不大。     

埋置力源下横观各向同性饱和地基的三维Lamb问题解答

基于横观各向同性饱和介质的三维Biot波动方程,首先引入位移函数,将圆柱坐标系下的波动方程解耦,并利用算子理论,给出了Biot波动方程的通解。利用Fourier展开和Hankel变换,求解波动方程,得到土骨架位移、孔隙水压力和饱和介质总应力分量的积分形式一般解。其次,系统研究了横观各向同性饱和半空间体在埋置动力荷载作用下的三维Lamb问题,结合边界条件,给出了问题的基本解。算例表明,水平力作用下,荷载埋置较浅时,地表竖向位移幅值沿径向衰减迅速,埋深和频率增大时,地表位移波动性增强,衰减不明显。     

圆形隧道地震动力响应与埋深的关系

采用二维动力有限元法分析软土隧道埋深的地震动力响应。以波动理论解析解为标准,在验证有限元模型合理性后,选取II-IV类等效均质场地和上海分层场地(IV类)建模,研究典型圆形隧道在不同埋深的地震动力响应。结果表明,均质场地中,圆形隧道地震动力响应与埋深和入射波波长有较强相关性,当埋深为入射波长的1/4时,隧道动力响应有明显放大作用;上海分层场地中隧道动力响应与地层性质有较大相关性,剪切模量较小的地层,隧道动力响应会增加,隧道埋深浅(土层剪切模量小)动力响应更显著。     

海底隧道地震反应特性有限元分析

基于Airy微小振幅波动理论,利用ABAQUS有限元软件建立海水-围岩土体-隧道结构体系有限元模型,对静、动水压条件下不同埋深海底隧道地震反应特性进行了比较。结果表明:基岩输入南京人工波时,动水压力作用下隧道结构的水平加速度及相对水平位移分别比静水压力作用下相应值大1.16~1.19倍和1.81~2.17倍;随着隧道埋深增加,隧道结构的应力、水平位移逐渐减小,动水压力影响系数KD也呈减小趋势,表明当埋深达到一定数值,静、动水压对隧道结构地震反应的影响将趋于一致;隧道拱肩和拱腰处的应力反应明显大于其他部位,拱肩和拱腰处为隧道结构的最危险部位。     

浅埋隧道在部分集中脉冲荷载作用下的波动响应

基于Hamilton理论-弹性波动理论,采用解析法研究了局部集中瞬态脉冲荷载下半空间隧道的动力响应。衬砌采用Hamilton壳体理论模拟,土体采用弹性介质动力学理论模拟,通过波函数展开法、Graf坐标转换法和Laplace变换法及其数值逆变换,求解了半空间中隧道瞬态集中荷载响应的半解析解。通过MATLAB数值计算,分析了隧道不同位置衬砌刚度、土体波速、衬砌环向角度的波动特性。结果表明:隧道环向各位置处位移与应力幅值随埋深增加而减小,环向应力和径向位移曲线波动趋势相似,在各角度上的响应幅值各不相同,由于地表存在,隧道顶部响应大于其他各位置;衬砌外表面的位移与应力随土体波数增加而减小,同时隧道位置的改变对土体波数变化影响较大,以隧道顶部响应最为显著;当衬砌刚度增大时,其环向各位置响应衰减幅度不同,其中隧道底部位置处的幅值衰减最大。     

基于ABAQUS软件盾构法隧道施工中埋地管道力学规律研究

为研究盾构法隧道施工作用下埋地管道的力学性能,建立地层、埋地管道和隧道衬砌的整体模型,采用有限元分析软件ABAQUS进行非线性求解。分别模拟了不同管径、壁厚、埋深条件下的埋地管道应力应变状态,得出在不同影响因素下管道Mises应力和纵向位移的变化规律。分析结果表明:在盾构法隧道施工作用下,管径和壁厚对埋地管道应力应变状态有较大影响,管径越大,管道Mises应力越大,纵向位移越小;壁厚越大,管道的Mises应力越小,纵向位移越小;当管道处在隧道上方时,一定埋深范围内,埋深对埋地管道的应力应变状态影响较小,管道的Mises应力和纵向位移随着埋深的增加虽有增加但增加并不明显。     

过街隧道施工对地下管线影响的三维数值模拟

 采用三维有限元方法分析过街隧道施工引起的相邻地下管线变形和受力,研究路面、管线材质、管线埋深、管线与隧道轴线间距以及管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响,并与实测值进行比较。研究结果表明：有限元模拟结果与实测值较吻合,略大于实测值;路面的存在使浅埋管线的位移变小、沉降槽宽度变窄;隧道开挖引起的管线水平位移远小于竖向位移;与隧道垂直管线的竖向位移和水平位移最大值与管线埋深基本呈线性变化,且随着管线与土体模量比的增大逐渐减小;与隧道平行管线的最大竖向位移和水平位移值均随管线间距和埋深之比(L/h)增大而减小,最大水平位移值与L/h值基本呈线性关系,最大竖向位移值在L/h＜10时迅速增大;管线最大拉应力和压应力均随着L/h值增大而减小,当L/h＜5时急剧增大,当L/h≥5时缓慢减小,且应力值比较小。     

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。     

平面SH波激励下的土–隧道动力相互作用的解析解

采用波函数展开法给出了平面SH波入射下均匀半空间中埋置刚性衬砌隧道动力响应的解析解,并对问题的边界条件进行了验证。研究表明,土–隧道相互作用的机理和土–基础–地上结构相互作用有明显区别。土–隧道相互作用导致隧道动力响应小于相应自由场的动力响应,且前者的反应谱峰值周期有一定程度的降低。入射波角度、入射频率、以及隧道埋深对隧道动力响应和地表动力响应有显著影响,而隧道质量的影响则比较小。     

弹性饱和多孔介质在非轴对称荷载下的稳态动力响应

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求出了弹性饱和多孔介质Biot方程在非轴对称情况下的级数解。首先把饱和多孔介质固体骨架位移和孔隙流体压力用级数展开 ,建立了级数系数函数满足的微分方程组 ;然后把未知函数按一定方式进行组合 ,使方程组进一步简化 ;再应用Hankel变换把关于两个变量的微分方程组转化为只有一个变量的微分方程组 ;最后解微分方程组 ,得到了有关函数的Hankel变换。接着 ,以Biot方程在非轴对称情况下的Hankel变换解为基础 ,给出了饱和多孔介质总应力分量和孔隙流体相对于介质骨架位移的Hankel变换表达式。作为特例 ,在文章的结尾部分还应用Biot方程的解得到了半空间弹性饱和多孔介质分别在表面非轴对称竖向简谐荷载和水平简谐荷载作用时的稳态动力响应。所有这些结果都对研究饱和多孔介质的动力响应特性和有关工程领域有一定意义。     

平面Rayleigh波入射下饱和土中浅埋隧道复合式衬砌的动力响应

基于Biot波动理论,采用Fourier-Bessel级数展开法,建立了平面Rayleigh波入射下,饱和土中浅埋隧道复合式衬砌的散射力学模型,求解了频域内复合式衬砌的动应力集中系数、孔压集中系数的解析解,通过参数化分析,研究了Rayleigh波在不同入射频率作用下,内衬和外衬的刚度比、厚度比、隧道埋深等因素对复合式衬...     

埋地管道出土处位移和应力分析

埋地管道出土处位移与应力受到诸多因素的影响,且各个影响参数具有非线性相关性。为研究埋地管道在出土处的变形特征以及力学行为相应,以福建省莆田市某管网工程为研究对象,运用ABAQUS软件建立埋地管道与土体三维数值仿真模型,计算埋地管道在不同温度差、管道内压力以及土体致密度条件下的应力和位移变化。结果表明：埋地管道出土处的应力最大值主要发生在埋地反弯点和出地反弯点,埋地管道出土处的变形最大值主要发生在出土直线段;埋地管道出土处的最大应力和最大应变均随着工作温度和管道内压力的增加而呈线性增加;最大应力随着土层致密程度的增加而增加,最大应变随着土层致密程度的增加而减小;最大应力随着管道埋深的增加而增加,最大位移随着管道埋深的增加而减小。     

饱和层状场地中任意凹陷地形对入射P波的散射

采用Biot理论的基本模型,利用间接边界元方法在频域内求解了层状饱和场地中任意凹陷地形对入射P波的散射。利用精确的土层动力刚度矩阵进行自由场反应分析,求得假想边界上各点的位移和各单元的应力响应;同样计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得位移和应力响应;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。结果可退化为干土结果并进行了对比。通过算例,研究了饱和层状场地中凹陷地形入射P波的散射,并与相应干土结果进行了对比。研究表明:入射角度、入射频率和参数b对层状饱和场地的地表位移均有重要影响,与相应干土场地结果差别显著。说明了层状模型的合理性,以及利用层状模型分析的必要性。     

南水北调地下埋管PCCP动力特性分析

以南水北调中线工程中河南省南阳市段的地下埋管PCCP为研究对象,使用有限元方法,对地下埋管的动力特性与动力响应进行了分析研究。考虑了不同地震特性的影响:如地震波入射角位移峰值和加速峰值等。结果表明,管道的动应力随着地震波入射角的增大而减小,入射角为零时,应力最大;管的最大轴向应力和最大弯曲应力的数值随着位移数值的增大而增大,呈线性变化规律,并且轴向应力变化幅度比弯曲值大;地震波加速度峰值的变化对结构动应力影响不大。     

隧道衬砌–土层接触面黏–弹性对地铁空间振动传播的影响

隧道衬砌–土层接触面的动力特性十分复杂,且受诸多因素影响,而地铁振动的传播又具有空间性,其在接触面处必然会发生较大变化,针对这一问题,提出一种黏弹性接触面模型,模拟隧道衬砌与土层的动力相互作用。利用柱面P波的传播规律推导了黏弹性接触面模型的无量纲弹簧系数和阻尼系数的解析表达式,并给出了其低频和高频极限。结果表明:与连续性接触面模型相比,黏弹性接触面模型能够有效地模拟衬砌–土层接触面处波动能量的损失;随着衬砌–土层剪切模量比的增加,土层动力响应幅值逐渐增大;衬砌–土层密度比对土层应力幅值影响较小,基频附近对应的径向位移幅值随着密度比的增加而增大;土层泊松比对无量纲频率w_11和w_13时的径向位移幅值影响较小,基频附近对应的径向位移幅值随着土层泊松比的增加逐渐减小。     

地震波入射角对盆地地震反应影响的数值分析

利用二维时域非线性场地地震反应分析程序,针对不同坡角的盆地,利用不同峰值、不同卓越频率、不同入射角度的Ricker波作为输入基岩的SH波,研究地震波入射角、卓越频率以及盆地坡角对盆地地表地震反应的影响,研究表明:盆地地表加速度峰值(PGA)比例系数的最大值不一定出现在地震波垂直入射时,而大致在5°~25°之间,按垂直入射得出的计算结果在某些部位可能偏于不安全,在场地地震安全性评价工作中应适当考虑地震波入射角对场地地表地震反应的影响,综合确定场地地震动参数;同时,随着地震波入射角的增大,加速度反应谱峰值有减小的趋势;入射地震波卓越频率越大,对盆地地表加速度峰值有影响的地震波入射角变化范围越小;随着入射地震波卓越频率的增大,同一测点的加速度反应谱曲线逐渐向左"走移";盆地坡角对盆地地表加速度峰值分布模式有重要的影响,当盆地坡角较小时,盆地边缘处的地震反应最为强烈,而盆地中部地表的地震反应相对较弱,随着盆地坡角的增大,反应强烈位置逐渐远离盆地边缘向中部转移。     

平面S波在弹性介质与饱和冻土介质分界面上的能量传输特性

基于冻结饱和多孔介质与单相弹性介质中弹性波的传播理论,研究平面S波入射在弹性介质与饱和冻土介质分界面上的能量传输问题。根据分界面上的边界条件和利用Helmholtz矢量分解定理,推导获得透反射振幅比和能量率的解析表达式。通过数值分析研究S波入射在弹性介质与饱和冻土介质分界面上的能量率与入射角度、入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度以及接触参数的关系。研究结果表明：随入射角度的增加将引起透射P₁,P₂,P₃,S₁和S₂波的能量率增大,当达到临界角时反射P波消失以及透射P₁,S₁波出现明显的脉冲。透射波间的能量相互作用率仅随饱和度的增加而减小,受其余参数的增加而增大。透射S₁波的能量率占各透反射波能量率之和的90%以上,各类参数的增大均引起透射S₁波能量率的增大。此外入射频率、胶结参数、孔隙率和接触参数的变化对能量比例系数均有显著影响。