饱和黏弹性土中圆柱形隧洞的振动特性

基于流体不可压缩饱和多孔介质理论,将衬砌视为具有分数导数本构关系的多孔黏弹性体,在频率域内研究了在内水压力作用下饱和黏弹性土和衬砌系统的振动特性。通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数,合理地确定了隧洞边界衬砌和孔隙水共同承担的内水压力值。利用衬砌内边界上的边界条件以及衬砌和土体界面处应力和位移的连续性条件,给出了隧洞边界部分透水条件下饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统简谐耦合振动时系统动力响应的解析解。结果表明:饱和黏弹土和衬砌结构的动力响应与衬砌材料的黏性有关;应力系数合理地确定了衬砌和孔隙水共同承担的内水压力值。     

准饱和粘弹性土-隧道衬砌系统的动力特性

将衬砌和土骨架分别视为多孔弹性材料和具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,在频率域内研究了饱和度对分数导数型准饱和粘弹性土-半封闭圆形隧洞弹性衬砌系统动力特性的影响。将水-气混合物视为一种均匀流体,基于Biot两相动力固结理论和弹性理论,分别得到了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数型准饱和粘弹性土的位移、应力和孔压以及衬砌的位移和应力解析表达式。利用衬砌内边界上的边界条件及土体和衬砌界面处的连续性条件,得到了待定系数的具体表达式。通过算例分析,发现:衬砌和土体相对渗透系数对孔压幅值的影响与饱和度有关;流体压力作用下,随着饱和度的减小,位移幅值逐渐增大。另外,分数导数模型参数对系统动力响应有较大影响。     

饱和分数导数型粘弹性土-深埋圆形隧洞衬砌系统的动力特性

在频率域研究了分数导数型粘弹性饱和土体和深埋圆形隧洞弹性衬砌相互作用的耦合简谐振动。将土骨架视为具有分数阶导数型本构的粘弹性体,基于饱和多孔介质理论和平面弹性理论,分别给出了饱和粘弹性土、弹性衬砌简谐振动的解析解。通过弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件和衬砌内边界条件,得到了饱和粘弹性土-衬砌系统的稳态动力响应,给出了衬砌和饱和粘弹性土位移、应力和孔隙压力的解析表达式。在此基础上,进行了参数研究,讨论了物理和几何参数对系统响应的影响。研究表明:饱和分数导数型粘弹性土-衬砌系统的动力响应与经典饱和弹性/粘弹性土-衬砌系统的动力响应差异很大。     

黏弹性土中衬砌隧道振动响应的解析解

该文采用解析方法在频率域内对黏弹土层和衬砌结构简谐振动特性进行了研究。首先, 将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体, 根据黏弹性理论, 推导得到了简谐荷载作用下分数导数型黏弹性土层的位移和应力等解析表达式。其次, 建立了两种类型的衬砌运动方程:第一, 将衬砌结构视为均匀弹性介质, 研究了分数导数黏弹性土中弹性衬砌结构的动力特性;第二, 将衬砌等效为薄壁壳体结构, 利用Flügge薄壳理论, 得到了衬砌结构的运动方程, 并对分数导数黏弹性土和壳体衬砌的动力相互作用进行了分析。根据连续性边界条件, 得到了相关待定系数的表达式。再次, 与以往的解析解进行了对比。最后, 通过算例分析了土体和衬砌各参数对系统动力特性的影响, 结果表明:薄壁壳体衬砌结构条件下系统的动力响应大于均匀弹性衬砌结构条件下系统的动力响应;随着土体和衬砌模量比的增加, 响应幅值逐渐减小。分数导数本构参数对系统的动力特性有较大影响。     

饱和分数导数型粘弹性土层竖向振动放大效应

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,采用Biot动力固结方程,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土层的土骨架粘性、土层厚度等对竖向振动放大系数的影响。通过动力控制方程解耦和边界条件束缚,给出了经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土和经典粘弹性饱和土三种情况下饱和土层的位移、应力和孔压解析表达式。考察了饱和土各物理和几何参数对竖向振动放大系数的影响,结果表明:在不同土层厚度时,经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土及经典粘弹性饱和土的竖向振动放大系数各不相同;分数导数模型的材料参数对振动放大系数有较大影响。     

分数导数黏弹性准饱和土中球空腔振动特性

在频率域内用解析方法研究分析了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数黏弹性准饱和中球空腔的稳态响应问题。将土骨架等效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,通过势函数推导求得了边界部分透水时分数导数粘弹性准饱和土中球空腔的位移、应力和孔压等的解析解。根据界面连续性条件,确定了待定系数的表达式。在此基础上,考察了准饱和土各参数对动力响应的影响,结果表明：轴对称荷载和流体压力两种情况时,相对渗透系数对动力响应的影响有较大的差异。分数导数本构模型更合理地描述了准饱和土中球空腔的振动特性。     

基于传递矩阵法的分层饱和土中单桩扭转动力阻抗

以分层饱和土中单桩扭转振动为研究对象,将桩周土体视为分数阶黏弹性饱和土,借助分数阶黏弹性本构模型和土体运动平衡方程、应力位移关系建立分层分数阶黏弹性饱和土层扭转振动微分方程。以两层分数阶黏弹性饱和土为例,讨论主要桩土力学参数对扭转动力阻抗影响。结果表明：下上层土体本构模型阶数比对扭转动力阻抗随频率变化曲线峰值影响较大,下上层土体剪切波速比、土层厚度比和桩土模量比对扭转动力阻抗的影响与频率有关,下上层土体液固耦合系数较小时,其对扭转动力阻抗的影响很小。     

轴对称横观各向同性土体中桩的扭转振动响应研究

基于单相弹性土体的运动方程以及横观各向同性材料的本构关系,研究了轴对称条件下端承桩在横观各向同性土体中的耦合扭转振动响应问题.在柱坐标下推导得到横观各向同性土体受谐和扭转荷载作用的动力控制方程,并采用分离变量法求得了土体扭转振动位移形式解.依据桩土接触面上的衔接条件,求解了桩身的动力平衡方程,并在频域内得到了桩身转角、扭矩和桩顶复刚度的解析解.最后分析了横观各向同性土体的力学参数对动力响应的影响.结果表明,横观各向同性土体的力学参数对桩顶复刚度、桩身转角和扭矩沿深度方向的变化均有着显著影响.     

球形沼气池模具结构振动响应的黏弹性解

考虑土和模具结构的动力相互作用, 在频率域内研究了深埋球形沼气池模具结构的动力特性。根据黏弹性理论, 通过引入势函数得到了黏弹性土体的位移、应力等的解析解。将模具结构等效为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体, 根据黏弹性理论推导了模具结构振动响应的完全解析解。根据界面连续性条件, 确定了待定系数的具体表达式。将不同类型的黏弹性模具结构动力响应进行了对比, 并考察了分数导数本构参数、土体和模具结构各参数对系统动力特性的影响。结果表明:模具结构的黏性对系统动力响应有显著影响。随着壁厚的增加, 模具结构振动响应幅值减小;随着阶数的增加, 系统共振效应逐渐减弱;随着材料参数比的增加, 系统响应幅值减小。     

横观各向同性饱和土体的实用波动方程

假定饱和土体土骨架及渗透系数具有横观各向同性，土颗粒不可压缩，建立了横观各向同性饱和土体实用波动方程，推导出横观各向同性饱和土体平面简谐波的波速弥散方程，结果显示横观各向同性饱和土体存在四个体波，其中一个为ＳＨ波，其余三个当波沿水平面或垂直水平面传播时，才分别是ＳＶ波、Ｐ１波和Ｐ２波。最后，用数值方法分析了ＳＨ波、ＳＶ波、Ｐ１波和Ｐ２波沿水平面和垂直面传播时的波速弥散曲线与特征衰减曲线，以及各个弹性波沿与水平面成４５°方向传播时的波速弥散曲线。     

内水压作用下粘弹性饱和土-隧洞衬砌相互作用

混凝土衬砌既有粘弹性性质,又有渗透性。实际工程中内水压力值由衬砌和孔隙水共同承担,该文通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数合理地分配了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。根据衬砌和土体界面处衬砌中流体速度和土体中流体速度相等以及应力和位移连续性条件建立了部分透水边界条件。将衬砌和土体分别视为多孔粘弹性材料和液固两相介质,采用饱和多孔介质理论和粘弹性理论,在频率域内给出了内水压力作用下粘弹性饱和土-衬砌相互作用时饱和粘弹性土位移、应力和孔压和衬砌的位移和应力解析表达式。进行了参数研究,表明:应力系数以及衬砌和土体相对渗透系数对系统动力响应影响很大。另外,应力系数合理地确定了边界衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。     

分数导数微分算子描述的粘弹性土层中群桩的水平振动研究

将桩周土体视为粘弹性介质,利用分数导数粘弹性模型描述土体的力学特性,在Novak 平面应变假定的基础上,借助于势函数并考虑土体边界条件求得了分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数以及分数导数粘弹性土层的刚度和阻尼系数。利用Winkler 动力弹簧-阻尼器模型模拟桩-土之间的动力相互作用,并在此基础上利用初始参数法求解了分数导数粘弹性土层中桩-桩水平动力相互作用和群桩的水平振动问题。以数值算例的形式讨论了分数导数微分算子的阶数和土体的模型参数对分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数和群桩的水平动力阻抗的影响。研究表明:分数导数微分算子的阶数对土层水平位移的衰减函数的影响与桩间距和荷载方向角有关;分数导数粘弹性土中群桩的动力阻抗可以退化到经典粘弹性和弹性情况;分数导数微分算子的阶数和土体模型参数对群桩水平动力阻抗有较大影响。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞饱和土-衬砌系统的动力响应

考虑隧洞衬砌内壁对爆炸波的反射作用及其负压效应,将衬砌视为弹性介质,研究了深埋圆形隧洞饱和土-弹性衬砌耦合系统在隧洞轴线发生爆炸时的轴对称瞬态动力响应。首先,基于Biot理论和弹性理论,考虑边界条件以及弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件,利用Laplace变换得到饱和土和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析表达式。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到其时间域的动力响应,数值分析重点考察了不同隧洞模型和不同爆炸载荷模型对饱和土动力响应的影响,并进行了参数研究。结果表明:爆炸波反射产生的负压效应对饱和土体的动力响应有显著影响。同时,饱和土-壳体衬砌系统、饱和土-弹性衬砌系统和无衬砌饱和土隧洞的响应性态基本一致,但响应周期和幅度依次增大。     

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。