横观各向同性层状地基上埋置刚性条带基础动力刚度矩阵求解

提出了求解横观各向同性层状地基埋置刚性条带基础动力刚度矩阵的精确算法。算法利用空间变换方法求解得到了横观各向同性层状地基表面或内部任意点的动力位移响应,针对开挖基础求解开挖区域内节点群的动力柔度矩阵,最后利用容积算法求解埋置刚性条带基础动力刚度矩阵。此算法采用精细积分算法求解频率–波数域内层状地基的动力柔度系数,对层状地基的层数和厚度均没有任何限制。此外,算法基于维数较小的矩阵(2×2)运算,数值计算稳定,求解效率较高,数值算例验证了所提算法的精确性及对横观各向同性多层地基的广泛适用性。     

二维层状地基格林函数的求解

提出了求解二维层状地基内部格林函数的混合数值算法。利用傅里叶变换将二维层状各向同性地基的波动方程转换为频率-波数域内的两点边值问题的常微分方程,运用精细积分方法求解并得到频率-波数域内的动力柔度系数,最后利用傅里叶逆变换得到层状地基内部的格林函数。本文提出的混合数值算法克服了已有算法的局限性,对于层状地基有广泛的适用性,对层状地基的层数和厚度均没有任何限制,不仅可以求解层状地基表面的动力响应,而且可以求解层状地基内部节点格林函数。混合数值算法基于矩阵运算,从而数值计算稳定,并且有较高的计算效率。数值算例验证了本文算法的高精度。     

横观各向同性层状地基上任意形状刚性基础动力响应求解与分析

基础动力响应的求解对于更好地理解结构–地基相互作用具有重要的意义,而以往的相关研究主要求解各向同性层状地基内的频域解,对于横观各向同性层状地基,尤其是时域解目前较少有相关报道。针对横观各向同性层状地基,利用积分变换方法、混合变量技术以及改进相减模型求解得到了任意形状基础动力响应的时域解。数值算例验证了算法的准确性,同时针对横观各向同性属性中水平向和竖直向材料参数的不同对时域内基础动力响应的影响进行了参数分析。结果表明,地基的非均质特性对于基础动力响应有显著的影响,在实际工程中应予以考虑,以求得到更加精确的结果。     

横观各向同性层状地基平面应变问题的解析层元解

从横观各向同性平面应变弹性体的基本控制方程出发,通过Fourier积分变换和Cayley-Hamilton定理推导出单层横观各向同性地基的传递矩阵,然后再通过矩阵变换求得单层地基的精确刚度矩阵,即解析层元解;根据有限层法原理组合得到总刚度矩阵,通过求解总刚度矩阵得到横观各向同性层状地基平面应变问题在积分变换域内的解答,应用Fourier逆变换得到物理域内的精确解。编制相应的计算程序,计算结果与有限元软件模拟结果吻合。算例分析表明土的分层特性和横观各向同性性质对土体变形有明显影响。     

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。     

横观各向同性地基空间问题的位移函数解法

从横观各向同性弹性体空间问题的基本方程出发,通过引入各向同性弹性体力学伽辽金(Galerkin)位移势函数的修正,采用位移函数解法,借助Hankel积分变换和Bessel函数理论,在象域内严格导出了横观各向同性地基空间问题的一般解。运用Hankel积分反演变换,针对横观各向同性地基材料特征根相等或不相等的两种情形,分别导出了横观各向同性地基空间问题的应力分量和位移分量的解析表达式,可用于多种边界条件下具体问题的求解。     

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。     

层状横观各向同性地基上刚性条形基础动力刚度系数

采用间接边界元方法（IBEM）研究了层状横观各向同性（TI）地基上明置条形基础平面内动力刚度系数。首先,在波数域中求解TI介质动力平衡方程,建立了TI土层和TI半空间的精确动力刚度矩阵,并通过集整土层和半空间刚度矩阵,求得层状TI地基整体动力刚度矩阵。然后,采用刚度矩阵方法求得层状TI地基表面均布荷载动力格林函数。最后,由基础与地基表面的混合边界条件求得明置条形基础的平面内动力刚度系数。均布荷载动力格林函数的引入克服了传统边界元方法的奇异性问题,同时,精确动力刚度矩阵的引入使得方法不受土层厚度的限制。通过与已有结果比较验证了方法的正确性,并以均匀TI半空间地基、单一TI土层地基和多TI土层地基上明置基础为例进行了数值计算分析,探讨了TI参数、振动频率和土层对刚度系数的影响。研究表明,土体TI参数对刚度系数有着显著的影响,尤其是层状TI地基中刚度系数的峰值频率和峰值十分依赖于TI参数的变化;逆序地基与正常序列地基上基础刚度系数差异明显,逆序地基对应刚度系数随频率振荡剧烈且数值较大。     

解析层元法求解层状横观各向同性地基轴对称问题

提出了一个求解横观各向同性层状地基轴对称问题的解析层元方法。从弹性力学基本方程出发并利用 Hankel 变换,得到横观各向同性单层地基的传递矩阵解,进而推导出单层地基的解析层元刚度矩阵。利用有限元方法组装总体刚度矩阵,通过求解总体刚度矩阵,并采用 Hankel 逆变换的数值积分方法,可求出层状横观各向同性弹性体轴对称问题在物理域内的精确解。刚度矩阵元素中不存在正指数并具有对称的特点,不仅使计算过程简化,还提高了计算精度。最后文中给出了算例来证明推导结果的准确性。     

层状横观各向同性地基与刚性条形基础共同作用分析

运用对偶积分方程来求解刚性条形基础与层状横观各向同性地基的接触问题。从直角坐标系下平面应变问题基本控制方程出发,通过对坐标的Fourier积分变换和Cayley-Hamilton定理推导出单层横观各向同性地基的传递矩阵。将单层地基传递矩阵结合层间连续性条件,推导出层状地基的传递矩阵解。利用刚性条形基础与层状横观各向同性地基接触的混合边值条件,推导出一组对偶积分方程,并应用Jacobi正交多项式将其转化为线性代数方程组,求解得到地基反力。编制了相应的计算程序,其计算结果与已有文献和有限元软件的结果基本吻合,并分析了地基横观各向同性性质与成层性对计算结果的影响。     

位移函数法求解饱和层状地基中的抽水问题

运用Biot固结理论,对饱和层状地基中的抽水问题进行了求解。从轴对称问题的Biot固结方程出发,通过引入位移函数以及将各个量进行Laplace和Hankel变换,得到了位移、应力、孔压和流量在z=0和任意深度处的传递矩阵关系。将这个传递矩阵关系应用于多层地基的每一层,并结合多层地基的连续条件、边界条件以及抽水作用面的连续条件,求得了饱和层状地基的抽水问题在Laplace-Hankel变换域内的解答。通过相应的逆变换,得到了该问题的真实解答,并分析了泊松比、抽水形式和时间对饱和层状地基地表位移的影响。     

多层渗透各向异性地基非轴对称固结分析

从渗透各向异性非轴对称固结基本方程出发,通过引入Fourier级数展开,对时间t、坐标r的Laplace-Hankel变换,再对坐标z的Laplace变换,得到四元一次方程组,解此方程组,并进行Laplace逆变换,得到了单层渗透各向异性地基非轴对称固结问题的传递矩阵,然后利用传递矩阵法,结合层间连续性条件和边界条件,得到了多层渗透各向异性地基非轴对称固结问题在积分变换域内的解。最后应用Laplace-Hankel逆变换技术得到非轴对称固结问题在物理域内的理论解;并编制出相应的计算程序,进行数值计算和分析,以讨论渗透各向异性对地基固结的影响。     

井点抽水时饱和分层地基的传递矩阵解

从直角坐标系下三维Biot固结问题控制方程出发,引入位移函数,并对各个变量进行关于时间t的Laplace变换和关于x、y的双重Fourier变换,得到了z=z处和z=0处的8×8传递矩阵;根据各土层间以及井点抽水作用处的连续条件、边界条件,并结合传递矩阵的性质和Laplace-Fourier逆变换技术,求得井点抽水时饱和分层地基的真实解答。数值计算结果表明,随着井点抽水时间的增加,饱和多层地基的地表位移逐渐增大。     

考虑孔隙流体压缩性的土体平面应变固结 半解析数值分析

针对 Biot 固结基本方程的特点,在构建满足边界条件的位移和超静孔压试探函数的基础上,由 Galerkin 法 建立了考虑孔隙流体可压缩性渗透 各向异性 层状 土体中平面应变固结问题的半解析数值求解格式,并利用三角函数系的正交性实现了加权余量方程按不同级数项的解耦。在此基础上,编制相应计算程序实现了半解析数值方程的求解。通过算例对比分析验证了半解析数值方法的正确性,并说明了其处理渗透各向同性、孔隙流体可压缩性和土体层状的能力。     

Anisotropy of multi-layered structure with sliding and bonded interlayer conditions

A better understanding of the mechanical behavior of the multi-layered structure under external loading is the most important item for the structural design and the risk assessment. The objective of this study are to propose and develop an analytical solution for the mechanical behaviors of multi-layered structure generated by axisymmetric loading, and to investigate the impact of anisotropic layers and interlayer conditions on the multi-layered structure. To reach these objectives, first, according to the governing equations, the analytical solution for a single layer was formulated by adopting the spatial Hankel transform. Then the global matrix technique is applied to achieve the analytical solution of multi-layered structure in Hankel domain. The sliding and bonded interlayer conditions were considered in this process. Finally, the numerical inversion of integral transform was used to solve the components of displacement and stress in real domain. Gauss-Legendre quadrature is a key scheme in the numerical inversion process. Moreover, following by the verification of the proposed analytical solution, one typical three-layered flexible pavement was applied as the computing carrier of numerical analysis for the multi-layered structure. The results have shown that the anisotropic layers and the interlayer conditions significantly affect the mechanical behaviors of the proposed structure.     

层状地基三维问题的解析层元解

从弹性力学三维问题的基本控制方程出发,通过双重 Fourier 变换及解耦变换技术,推导出相应问题在积分变换域的解析解;根据该解析解,进而推导出三维弹性地基问题的精确刚度矩阵,即解析层元;然后根据有限层法原理,组装得到总体刚度矩阵;通过求解总体刚度矩阵形成的代数方程,得到三维层状地基问题在变换域内的解答;最后应用 Fourier 逆变换 技术,得到其物理域内的解。与经典 Bounsinesq 解及有限元软件 ABAQUS 的结果进行比较,验证了本文理论及数值计算方法的正确性;计算分析结果还表明：土体的分层特性对地基沉降具有较显著的影响。     

Non-axisymmetric Biot consolidation analysis of multi-layered saturated poroelastic materials with anisotropic permeability

To start with, an analytical layer-element (i.e., a symmetric stiffness matrix), which describes the relationship between the generalized displacements and the stress levels of a layer subjected to non-axisymmetric loading, is exactly derived in the transformed domain by the application of a Laplace–Hankel transform with respect to variables t and r, a Fourier expansion with respect to variable θ, and a Laplace transform and its inversion with respect to variable z, based on the governing equations of Biot’s consolidation of multi-layered saturated poroelastic materials with anisotropic permeability. The analytical layer-element experiences considerable improvement in computation efficiency and stability, since it only contains negative exponential functions in its elements. In addition, a global stiffness matrix for multi-layered saturated poroelastic media is obtained by assembling the interrelated layer-elements based on the continuity conditions between adjacent layers. By introducing the boundary conditions and solving the global stiffness matrix, the solutions in the Laplace–Hankel transformed domain are obtained, and the final solutions can be recovered by a numerical inversion of the Laplace–Hankel transform. Finally, numerical examples are presented to verify the theory and to study the effect of the property of anisotropic permeability on vertical displacements and excess pore pressure. The calculation results show that the property of anisotropic permeability has a great influence on the process of consolidation.     

上覆弹性板双层地基在移动荷载作用下的动力响应

 用Fourier变换及逆变换对移动荷载作用下路基路面系统的动力响应问题进行研究。考虑路基路面相互作用,假设一条形移动荷载作用在路面板的表面,地基以地下水位面为分界面分为双层,水位面以上为单相弹性土层,以下为饱和土层。考虑地基土层厚度有限,利用Lame对位移场的分解理论,引入势函数,并运用Fourier变换分别对弹性土层和饱和土层进行分析。在Fourier变换域内,结合边界条件,联立路面板、弹性土层和饱和土层的运动方程,得到土体竖向位移、应力和饱和土层内孔隙水压力的表达式;同时利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果。计算结果表明,荷载速度、频率,饱和土层的渗透系数对地表竖向位移的影响很大;弹性土层厚度对竖向位移的影响依赖于荷载速度;弹性土层厚度以及弹性土层和饱和土层的相对刚度比对孔隙水压力有非常明显的影响。     

求解层状地基平面应变问题的解析层元法

提出了一个求解层状地基平面应变问题的解析层元法。从平面应变问题的基本控制方程出发,通过 Fourier 变换,并依据微分方程原理,推导出相应问题的解析解;基于该解析解,推导出平面应变问题的精确刚度矩阵,即解析层元;然后根据有限层法原理组合得到总刚度矩阵,通过求解总刚度矩阵形成的代数方程,得到层状地基平面应变问题在积分变换域内的解答;应用 Fourier 逆变换技术,得到物理域内的解。编制了相应的计算程序,讨论了土体的分层特性对地基沉降的影响。