非饱和土一维渗流与变形耦合问题的数值分析

基于多孔介质理论,研究了非饱和土中水－气－土骨架三相耦合的渗流与变形耦合问题。考虑土体孔隙中由液态水、水蒸气和干燥气体等填充,在固体土颗粒、水分、气体等各相质量平衡以及土体动量守恒的基础上建立了问题的控制方程。选取孔隙气压力、孔隙水压力和土颗粒位移以及它们的一阶导数作为状态变量,通过理论推导得到了一维非稳态情形下的状态方程组。结合Ｌａｐｌａｃｅ变换,采用打靶法求解该耦合的非线性变系数微分方程组,并且基于Ｈａｕｓｄｏｒｆｆ矩方法将频域上的数值解转化到时域上,与已有的试验结果相比较,验证了模型及数值方法的有效性。通过数值算例,参数分析了孔隙水压力、孔隙气压力以及土骨架位移等物理场之间的相互作用。     

横观各向同性土强度与破坏准则的研究

建立横观各向同性土的破坏准则必须考虑其应力水平和材料横观各向同性的综合影响。本文通过分析横观各向同性土的试验规律,基于横观各向同性土的强度随SMP面（空间滑动面）和沉积面的夹角减小而变小这一假设,建立横观各向同性土的峰值强度表达式。提出了一个关于横观各向同性土的峰值强度和应力张量函数的各向异性变换应力张量。在各向异性变换应力空间,横观各向同性土体被认为是各向同性材料。将变换应力与SMP准则结合,建立了横观各向同性土的三维破坏准则。分别采用具有横观各向同性的 Santa Monica 海滩砂土和 San Francisco 海湾黏土真三轴试验数据验证了该破坏准则的合理性。预测结果与试验结果的对比表明,本文提出的横观各向同性破坏准则能够合理的描述横观各向同性对土体强度特性的影响。     

基于分形理论的饱和土孔隙水压力计算模型

孔隙水压力是一种作用于土体孔隙间的应力,其定量分析对于探究土体的抗剪强度等力学性能有着至关重要的作用。传统的孔隙水压力计算方法忽略土体内部孔隙中流体流动及流量变化对孔隙水压力的影响,导致计算结果偏小。为修正此计算误差,基于孔隙数目-尺寸分形模型,推导出土颗粒材料孔隙度与分形维数之间的演化公式,并结合孔隙水流动方程及压力方程推导出饱和土孔隙水压力与分形维数、孔隙水压缩模量及孔隙间流量变化之间的函数关系。并使用此孔隙水压力计算公式对饱和黏土边坡进行数值分析验证公式准确性及实用性。所得公式可用于饱和土体的有效应力及抗剪强度计算修正,并可应用于饱和土体宏观-微观的多尺度液相-固相耦合渗流分析。     

横观各向同性饱和两相介质弹塑性波动问题研究

针对横观各向同性饱和两相介质的弹塑性波动问题,建立了基于SMP 破坏准则的横观各向同性饱和两相介质弹塑性动力本构模型,并建立了横观各向同性饱和两相介质弹塑性波动问题求解的时域显式有限元方法。基于上述本构模型与时域显式有限元方法进行了横观各向同性饱和两相介质弹塑性波动问题的研究。研究结果表明：横观各向同性饱和两相介质的弹塑性动力反应与其弹性动力反应有较为显著的差异,表现在前者的反应峰值相对于后者有较为明显的增大,同时二者反应时程的波形也有较大的差异。数值计算工作同时表明,时域显式有限元方法是进行横观各向同性     

建筑物地基动力液化的两相介质动力有限元分析

应用饱和多孔介质动力学原理分析了建筑物地基的地震液化问题。将地基视为两相介质体系，水是可压缩的。根据土力学模型，采用双曲线非线性动力本构，考虑了砂土的剪胀性，刚度退化，滞回特性和土水相对运动等因素，建立了动力方程 组。基于是否考虑渗流问题，建立了两种离散形式：(1) 以土骨架位移和水位移为未知量的矩阵方程；(2) 以土骨架位移、水位移和孔隙水压力为未知量的矩阵方程。用 显式差分法求解，通过计算发现地基下液化有明显的分区现象。     

珠江三角洲河网与河口区CBOD 及TN和TP通量的模拟

建立横观各向同性土的破坏准则必须考虑其应力水平和材料横观各向同性的综合影响。本文通过分析横观各向同性土的试验规律,基于横观各向同性土的强度随SMP面(空间滑动面)和沉积面的夹角减小而变小这一假设,建立横观各向同性土的峰值强度表达式。提出了一个关于横观各向同性土的峰值强度和应力张量函数的各向异性变换应力张量。在各向异性变换应力空间,横观各向同性土体被认为是各向同性材料。将变换应力与SMP准Fra则nc结isc合o,海建湾立黏了土横真观三各轴向试同验性数土据的验三证维了破该坏破准坏则准。则分的别合采理用性具。有预横测观结各果向与同试性验的结S果an的ta对M比oni表ca明海,滩本砂文土提和出S的an横观各向同性破坏准则能够合理地描述横观各向同性对土体强度特性的影响。     

饱和土的变渗透系数固结理论及其合理性验证

饱和土体的固结过程伴随着土骨架的压缩和孔隙水的排出,其孔隙比及渗透系数随固结过程不断减小,但当前的Biot和Terzaghi固结理论均没有考虑固结过程中孔隙比及渗透系数的变化。这种处理方法对于压实土地基的固结过程来说,计算结果与实际相差甚微,但对于孔隙比很大的欠固结软黏土层、尾矿堆积层以及淤地坝库区的固结沉降来说,计算结果与实际过程的差异则会很大。首先建立土体固结过程中孔隙比与体应变的关系式,再利用渗透系数与孔隙比的关系式建立了渗透系数与体应变的关系式,最后利用弹性力学的几何方程得到渗透系数与单元位移的关系式。将这一关系式代入Biot固结理论,即得到变渗透系数固结理论,并在COMSOL中实现了求解计算。理论分析和数值计算表明：变渗透系数固结理论能够反应固结过程中因孔隙比减小造成的孔压消散缓慢、沉降速率降低的客观现象;土体初始孔隙比越大,体应变越大时,修正的渗透系数对固结过程的影响越大;渗透系数的减小只影响固结过程,不影响固结计算的最终结果。     

饱和地基在轴对称动力荷载下的振动分析

基于Biot动力固结方程，考虑了土体和水体的惯性力以及水土耦合作用的影响，采用Hankel积分变换求解耦联合方程组，得到动荷载下饱和土Lamb问题的解答，并分析研究了渗透系数和激振频率对竖向位移的影响。根据下边界为不透水基岩的边界条件，获得了轴对称周期荷载作用于地基表面时其上任一点应力、位移的一般积分形式解，并根据算例分别给出了不同频率下和不同渗透系数的土的竖向位移曲线。     

饱和度对横观各向同性准饱和多孔介质中弹性波传播的影响

基于Biot两相孔隙介质理论，研究了饱和度对横观各向同性准饱和介质中弹性波传播的影响。横观各向同性双相多孔介质中存在4种不同波速的平面体波：第一准纵波(QP1)、第二准纵波(QP2)、准横波(QSV)和反平面横波(SH)，文中分别研究了不同饱和度下这4种波的波速、衰减和频散，结果显示，饱和度的变化对弹性波的传播有显著影响。文中把数值计算结果用图表形式列出，并试图从理论上对结果进行深入的探讨，得到一些有益的结论。     

三维波浪作用下土体动态响应

由于波浪和海洋土的特殊性,使得波浪诱发海床土体的动态响应机理非常复杂。本文采用有限元软件建立了三维波浪作用下的海床动态响应计算模型。波浪是以Navier-Stokes方程作为控制方程,并采用VOF法进行自由表面追踪来准确模拟海洋表面波浪运动。土体部分基于Biot动力方程,考虑土体骨架的加速度,以及孔隙水位移的速度场(u-p模型)来研究海床的孔隙水压力和有效应力的变化情况。通过与文献中的结果比较验证本文方法的有效性,并对渗透系数、饱和度和波高参数进行研究。研究结果发现:土体参数对海床的孔隙水压力和有效应力有显著影响。     

频域内求解移动荷载作用下三维层状场地动力响应的理论推导

基于Hung教授所做移动荷载作用下弹性半空间的振动分析,给出了频域内求解移动荷载作用下三维层状场地动力响应的理论推导,得到弹性半空间动力刚度矩阵和单层土动力刚度矩阵;根据相邻层连接处的平衡条件和变形协调条件,得到具有对称性精确分析、且不受土层厚度影响的整体刚度矩阵。本理论分析方法可用于求解三维层状场地在车辆移动荷载作用下的动力响应问题。     

半空间饱和土中瑞利波特性

通过对饱和土中波的运动方程及连续方程分析，推导了饱和土中瑞利波特征方程，讨论了半空间饱和土中瑞利波波速度的弥散特性，以及位移和孔压分布情况。     

饱和土中端承桩非完全黏结下的竖向振动特性

建立了考虑桩土非完全黏结条件下端承桩在饱和土中竖向振动的模型,将土视为线弹性饱和多孔介质,桩简化为一维弹性杆件。通过引入势函数,采用分离变量法对饱和两相介质动力固结方程解耦,求得桩受任意激振力作用下的桩土耦合系统解析解。计算结果表明,桩土非完全黏结条件下桩振动引起的饱和土中孔压分布略小于完全黏结条件下的,其影响幅度随激振频率的增加而增大,随渗透系数的减小而增加。桩顶的频率和时域响应研究结果表明,桩土接触面条件对桩顶动力响应有显著影响。经分析,增大击发能量使桩土出现非完全黏结状态可以加大有效测桩深度。     

横观各向同性岩体地基中赋存裂纹断裂力学分析

采用无双材料对偶边界元方法分析了半无限横观各向同性岩体地基中赋存的正方形裂纹,裂 纹面上作用着法向均布力,横观各向同性岩体地基的各向同性面平行于半无限域自由面。数值计算得 到了该类裂纹的应力强度因子值。根据数值结果讨论了横观各向同性岩体地基弹性参数、裂纹面对各 向同性面的倾角赋存裂纹应力强度因子的影响。结果表明,岩体地基弹性系数、裂纹面对各向同性面的 倾角对裂尖应力强度因子有明显影响。在弹性系数中,弹性模量对应力强度因子的影响最为敏感。     

层状饱和半空间轴对称Biot固结问题

本文针对饱和多孔介质空间轴对称Biot固结问题，引入状态变量，构造了一组状态变量方程。并利用Laplace-Hankel变换和矩阵理论，提出了单层饱和多孔介质空间轴对称Biot固结问题的传递矩阵。得出饱和半空间表面排水和表面不排水两种情况下场变量积分形式的解。由层间完全接触的条件，给出了N层饱和半空间轴对称Biot固结问题的一般解析表达式和数值算例。Laplace逆变换的计算采用Crump、Durbin、Stehfest和Schapery 4种方法。数值结果表明本文方法有较好的计算效率和较高的计算精度。     

移动荷载作用下饱和土体上筏板—上部结构的动力响应分析(英文)

根据饱和土Biot理论与最小势能原理及薄板理论,采用子结构法,把上部结构、基础和地基作为一个共同作用的整体,在接触界面上满足变形协调条件,建立移动荷载作用下饱和土体地基—筏板—上部结构共同作用的积分方程.对积分方程的数值求解和相应的Fourier逆变换,得到任意时刻上部结构、筏板的内力和位移以及地基反力.最后通过数值计算,分析了饱和土体参数、移动荷载的速度等对上部结构水平、垂直方向的振动的影响特点.数值结果表明,上部结构各层的水平位移、竖向位移都随荷载速度增大而增加.竖向位移随楼层增加变化不大,当荷载速度较低时,水平位移随上部结构高度的变化曲线平滑少弯折,说明振动较稳定.但当荷载速度较高时,水平位移随楼层变化曲折越明显,层间差异大.     

土壤固相组分对镉吸持试验研究

选用三种不同类型的土壤，用连续提取法去除土壤固相中碳酸盐（石灰性土壤）、氧化锰、有机质、无定型氧化铁和晶型氧化铁组分，制得分离某一组分或某几个组分后土壤钙饱和的样品，研究土壤固相各组分对Ｃｄ吸持的影响。研究表明，Ｃｄ的吸持能力除受土壤理化性质的影响外，土壤固相组分及其相互作用直接控制着土壤对重金属Ｃｄ的吸持。     

板桩支挡结构的应力与位移弹性理论解

基坑支护挡墙的应力及位移计算是进行基坑支护设计的关键,对保证基坑安全具有重要意义。因此,基于弹性理论,建立了挡墙应力及位移的计算模型;结合边界条件与相容方程,采用半逆解法得出了极限土压力条件下挡墙应力及位移分量解析解;并考虑土压力随挡墙侧向位移非线性变化,假定挡墙处于RB位移模式,引入有限位移条件下土压力-位移效应公式,修正挡墙应力及位移解析计算式,得出了有限位移条件下挡墙应力及位移分量解析解。同时,利用ADINA软件建立了基坑及挡墙的二维数值计算模型,将解析解与数值计算结果进行对比,两者符合较好,证明了本解析方法的正确性。研究结果表明：文中提出的有限位移条件下的解析计算公式,较将挡墙简单当做悬臂梁计算更为精确可靠,较数值计算更为简单便捷,并考虑了土压力随挡墙位移的非线性变化,可作为支护挡墙常规设计的工具,具有重要的实用价值。