横观各向同性弹性半空间非轴对称问题解析解

基于地基土存在着固有各向异性和诱发各向异性 ,本文采用横观各向同性弹性体模型模拟地基半空间 ,将Love位移函数推广到半空间 ,得到位移与位移函数之间的关系 ;然后经过Hankel变换得到非轴对称问题位移、应力的一般解。本文的一般解经过退化 ,得到的轴对称弹性半空间解与经典解吻合。     

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。     

Stress influence Charts for transversely isotropic rocks

A graphical procedure to calculate stresses in a transversely isotropic half-space subjected to a three-dimensional surface load has been developed. The surface load can be distributed on an irregularly-shaped area. The planes of transverse isotropy are assumed to be parallel to the horizontal surface of the half-space. The closed-form solutions for stresses at a point under the vertex of a loading sector, with a unit load intensity are presented first. Based on these solutions, five influence charts are constructed for calculating the six components of a stress tensor at any given point in the half-space. The charts are composed of unit blocks. Each unit block is bounded by two adjacent radii and arcs, and contributes the same level of influence to the stress within the half-space. An example is presented to demonstrate the use of the new graphical method. For the case analyzed, results from the new graphical method agree with those of analytical solutions within 3%. The new influence charts can be a practical alternative to the existing analytical or numerical solutions, and provides results with reasonable accuracy.     

轴对称受荷弹性圆板下横观各向同性多层地基分析

将地基视为多层横观各向同性体,基于弹性圆板与地基的竖向位移协调条件与光滑接触条件,结合多层横观各向同性地基应力与位移的传递矩阵解,推导出多层横观各向同性地基上轴对称受荷弹性圆板问题的解析解。编制了相应的计算程序,并对数值计算结果进行了对比分析。结果表明：圆板刚度的增大有助于减小板底位移和沿深度竖向应力;地基横观各向同性性质对板底位移及板中心下沿深度竖向应力影响显著。     

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。     

表面荷载下横观各向同性介质中水平裂纹分析

首先采用基于横观各向同性双材料基本解的一种数值方法计算半无限介质的弹性场,然后根据线弹性断裂力学叠加原理获得裂纹处的内应力,再利用另一种数值方法获得裂纹面的张开或滑移位移,最后应用应力强度因子(SIF)与裂纹面位移之间的关系,获得裂尖SIF值。基于建议的方法,讨论了表面矩形荷载作用下横观各向同性半无限介质中的单条裂纹问题以及两条裂纹间的相互影响问题。分析结果表明:加载面中心点下单条裂纹应力强度因子开始随距离自由面深度的增加而增大,达到一定深度后减小;相邻裂纹的存在对加载面中心点下裂纹的影响除相隔最近的相邻裂尖外均为抑制效应;而加载面中心点下裂纹的存在对相邻裂纹的影响主要体现在相隔最近的相邻裂尖上。     

岩层上非均质弹性地基轴对称问题求解

假设地基土体为弹性,不可压缩,剪切模量随深度线性变化,采用Hankel 变换,得到了下卧为岩层,表面分布一般轴对称荷载的地基土体应力位移积分形式解,应用数值方法,就地基的非均质性、岩层深度对位移的影响进行了讨论。获得的解可以退化到半空间情况。     

车辆荷载下上覆无限大薄板加筋路堤的三维动力响应

利用半解析的方法研究了车辆荷载作用下加筋路堤上覆薄板的动力响应问题。基于Biot多孔弹性介质的波动理论,建立了加筋路堤-道路系统模型。采用上覆Kirchhoff小变形无限大薄板模拟路面板,车辆荷载用4个均布矩形荷载来模拟。在忽略土颗粒自重的情况下,半空间土体引入Biot方程,通过Fourier变换以及边界条件求得变换域里的加筋路堤层位移表达式,采用快速Fourier变换求出时域里的位移。通过数值计算,给出了移动荷载速度、加筋路堤层厚度、板刚度以及加筋率对道路系统位移响应的影响。     

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。     

横观各向同性层状地基上轴对称受荷刚性圆板问题

采用轴对称横观各向同性层状地基的解析层元解来求解刚性圆板与地基的共同作用问题,结合刚性圆板与地基表面的位移协调条件,建立横观各向同性层状地基上受荷刚性圆板问题的积分方程;运用数值方法求解该积分方程,得到在给定位移下刚性圆板与地基间的接触应力。编制相应的计算程序进行数值计算,分析了地基横观各向同性参数、地基厚度和地基成层性对地基反力的影响。     

Analytical layer-element solution for 3D transversely isotropic multilayered foundation

This paper presents a solution for 3D transversely isotropic multilayered foundations under external loading, for which the analytical layer-element method is used because it has good numerical stability due to its symmetry and no existence of positive exponents. Based on the basic equations for transversely isotropic elastic materials, an analytical layer-element, which describes the relationship between the displacements and stresses of 3D transversely isotropic single-layered foundations, is exactly derived in the transformed domain by applying the double Fourier transform technique and the Cayley–Hamilton theorem. Taking account of the continuity conditions between adjacent layers, the global stiffness matrix can be obtained by assembling the interrelated layer elements. The solutions in the physical domain can be obtained by a numerical Fourier inversion. Finally, numerical examples are carried out to verify the presented theory and to elucidate the effect of stratification on the deformation of a foundation.     

采动底板横观各向同性岩体应力解析解

针对采动煤层底板应力计算中将底板层状岩体视为各向同性介质这一问题,通过把横观各向同性弹性理论引入到采动煤层底板应力解析解中,根据开采煤层上覆载荷分布特点,利用半无限横观各向同性弹性体表面受垂直集中力作用的应力分量计算公式,推导出采动横观各向同性底板中的附加应力解析解,并与FLAC^3D数值解进行对比验证。在此基础上,分析了横观各向同性底板与各向同性底板中的附加应力在水平方向上的变化规律。算例显示,在煤层底板同深度下,横观各向同性底板垂直附加应力在采空区的卸载程度要小于各向同性底板,而水平附加应力则与之相反;在工作面两侧的底板中的垂直附加应力与水平附加应力的集中程度横观各向同性底板皆小于各向同性底板;横观各向同性底板的附加剪应力要小于各向同性底板。当底板为横观各向同性岩体,按各向同性岩体计算其应力分布是不合理的,需作必要的修正。     

水平荷载作用下横观各向同性地基力学性态研究

根据横观各向同性体各向同性面为水平时的本构方程，推导出了横观各向同性面倾斜时的本构方程，并由此得出了横观各向同性地基的自重应力计算公式以及在各种水平荷载作用下地基中的附加应力解析解。通过实例计算，发现横观各向同性地基与各向同性地基力学性态的差异之处，并从自重应力角度较好地解释了水平应力大于竖直应力和水平应力的各向异性的重要实测现象，得出了一些有益于工程设计的结论。     

爆炸应力波引起地表位移的数值分析

将爆孔围岩粉碎区简化为一个圆形孔洞,将半空间表面假定一个半径为无穷大的圆弧,则爆炸应力在粉碎区表面产生向外传播的P波(压缩波),在半空间表面产生散射,而散射波在粉碎区上再次产生散射,如此多次散射,进而引起半空间表面的位移。根据粉碎区周边应力平衡和半空间表面完全自由的边界条件,求得了待定散射系数,并进一步得到了半空间表面的位移的理论解答。最后通过数值计算分析了不同爆炸应力峰值和爆炸源埋深对地表位移的影响,结果表明:(1) 在爆炸源埋深和爆孔围岩粉碎区大小等条件都相同的情况下,随着爆炸应力峰值的增大,地表振动位移明显增大,增大的数值基本上与爆炸应力峰值成线性比例;(2) 在爆炸应力峰值和爆孔围岩粉碎区大小等条件都相同的情况下,随着爆炸源埋深的增大,地表处水平位移和竖向位移明显减小,但减小的幅度由快变缓。     

半球形垂直荷载下横观各向同性地基的解析解

从横观各向同性弹性体的基本方程出发,对各向同性下的Love位移函数重新修正,采用位移解法,利用Hankel变换及Bessel函数理论,得到了当材料特征值s1=s2=s时,半球形垂直荷载下横观各向同性地基的位移和应力分量的解析解.     

地面波动分析若干问题

本文首次给出了匀质各向同性弹性半空间表面在竖向及水平谐和集中力作用下的位移精确解,它适用于任何介质泊松比值。利用此精确解及圆心位移影响函数法分析了地面波动衰减的某些问题。此法可用来分析近场地面位移。对Barkan的远场判别式的合理性进行了讨论。分析表明,对理想弹性半空间来说,增大扰频会减小地面波动衰减率。波动相速度的计算表明,近场相速度一般均小于瑞利波波速。     

多层地基上轴对称受荷弹性圆板问题

利用弹性圆板与多层地基表面的竖向位移协调条件与光滑接触条件,再由多层地基应力与位移的传递矩阵解,推导出多层地基上轴对称受荷弹性圆板问题的解析解。在此基础上,编制了相应的程序,并进行了数值计算。计算结果表明,园板刚度对弹性圆板的位移以及圆板中心下的竖向应力有着较大的影响。     

横观各向同性饱和地基轴对称Biot固结问题的解析解

基于Biot理论研究了横观各向同性饱和地基半空间的轴对称固结问题。通过引入状态变量 ,构造出一组描述土体固结的等价状态变量微分方程。利用Hankel-Laplace联合变换对其进行求解 ,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 ,由此分析横观各向同性半空间饱和地基受荷载作用的固结性状。文末给出了数值算例。     

Soil-pile interaction in inhomogeneous transversely isotropic media

Through a rigorous mathematical formulation, this paper considers the axisymmetric interaction analysis of a thin-walled cylindrical pile with finite length embedded in an exponentially graded transversely isotropic half-space under axial loads at the top of pile. The action of pile to the embedding medium is represented with axial and radial ring loads and the relevant set of Green's functions for the pile and semi-infinite soil medium has been developed. By satisfying the compatibility conditions between the two interacting media, the interaction analysis is shown to be reducible to a pair of Fredholm integral equations. Due to the complex nature of mathematical formulations and the intrinsic singularity of stress transfer, the analytical solution of obtained boundary integral equations is not possible and a suitable numerical scheme has been developed. By means of adaptive gradient shape functions which are capable of smoothly capturing regular and singular solutions, the given Fredholm integral equations are discretized in the common boundary of interacting media and solved numerically for the interfacial stress components. The numerical procedure is verified through comparisons with previous studies and the effect of inhomogeneity of soil layer on different responses of the interaction process is discussed by presenting several numerical results.     

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。