黏弹性饱和土体中圆形隧洞动力相互作用

基于Biot波动方程，采用渗流力学耦合模型，研究了任意荷载条件下黏弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞衬砌 土动力相互作用问题.考虑衬砌材料和土体的多孔性质，隧洞处于半封闭状态，边界部分透水.通过引入4个势函数，并利 用Helmholtz分解原理，在Laplace变换域中得到任意响应模式下的应力、位移和超孔隙水压力解答.利用Laplace数值逆 变换在时间域中得到瞬时、移动等响应模式条件下的数值结果，并讨论了衬砌和土体的相对刚度对隧洞动力响应的影响. 结果表明：不同模式下隧洞的应力、位移和孔隙水压力响应有很大差异，且随相对刚度的增大而减小.     

具有圆形隧道的准饱和黏弹性土振动响应

采用解析方法在频率域内研究简谐荷载作用下具有分数导数黏弹性衬砌的圆形隧道准饱和黏弹性土振动响应.假定混凝土衬砌为黏弹性材料,利用分数导数模型描述动力学行为.将水-气混合物视为一种均匀流体,采用Biot波动理论模拟准饱和黏弹性土.利用分数导数黏弹性衬砌内边界以及准饱和黏弹性土和衬砌结构界面处的连续性条件,得到准饱和黏弹性土和分数导数型衬砌动力相互作用时土体和衬砌的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.讨论饱和度、衬砌厚度及分数导数本构参数对系统动力响应的影响.数值结果表明,分数导数阶数对系统响应的影响与衬砌材料参数比有关;饱和度对衬砌和土体界面处孔隙水的渗透性有较大影响;弹性衬砌条件下的系统响应大于分数导数黏弹性衬砌条件下的系统动力响应.     

黏弹性饱和土中隧道在爆炸荷载作用下的动力响应

为了给隧道的抗爆防护设计提供理论依据,采用解析法研究了爆炸荷载作用下黏弹性饱和土体中圆形隧道的动力响应问题.假定爆炸发生在圆形隧道中心处,爆炸荷载采用峰值递减的三段突加三角形荷载,应用Biot波动方程模拟饱和土体,将土骨架视为Kelvin Voigt饱和土体,衬砌运动方程基于Flügge壳体理论,通过引入势函数,利用Laplace变换及数值逆变换,得到爆炸荷载作用下土体响应的时域计算结果,给出了在不同土体渗透性参数b*时的黏弹性饱和土中位移、应力的时程曲线,并与单相介质进行了对比;讨论了黏滞阻尼系数η对黏弹性饱和土中位移和应力响应的影响.数值分析结果表明：在爆炸荷载作用下,b*越大,位移和应力幅值振荡越显著,黏弹性饱和土中应力和位移响应幅值小于单相介质;在黏弹性饱和土中,η值越大,波衰减越快,位移和应力响应峰值越小.     

半封闭圆柱形衬砌结构振动响应的解析解

假定衬砌和土骨架都为Kelvin-Voigt黏弹性体,在频率域内采用解析方法研究了轴对称荷载和流体压力作用下圆柱形半封闭衬砌结构稳态振动问题.利用Biot理论和平面黏弹性理论分别模拟饱和土体和衬砌结构,通过引入位移势函数,得到了隧洞边界部分透水条件下饱和黏弹性土和衬砌结构动力相互作用的解析解.利用衬砌结构内边界及土体与衬砌结构界面处的连续性条件,确定衬砌和土体位移、应力和孔压表达式的待定系数.在此基础上,分析了渗透系数、流体压缩性系数及衬砌的黏性阻尼系数对饱和土和衬砌结构动力响应的影响,并与已有的解析结果进行了对比.     

具有半封闭隧道的饱和粘弹性土动力特性

考虑介质和流体的压缩性,根据Biot理论和弹性壳体理论,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土体-半封闭圆形隧道壳体衬砌系统耦合振动.将土体视为液固饱和多孔介质,选择反映介质流变特性的分数导数模型描述土骨架的应力-位移本构关系,又引入部分透水的边界条件,得到了饱和粘弹性土体中半封闭隧洞内边界分别在轴对称荷载和流体压力作用下位移、应力和孔压的表达式.进行了参数分析,研究表明:轴对称荷载条件下,分数导数阶数对系统响应的影响远大于流体压力情形下的动力响应,且存在明显的共振效应,但流体压力条件下不产生共振现象.     

变荷载下半透水边界成层黏弹性地基的一维固结分析

基于Kelvin黏弹性地基模型，研究了半透水边界饱和成层黏弹性地基在循环荷载作用下的一
维固结问题。利用Laplace变换，得到了问题在变换域内的通解。通过数值Laplace逆变换，获得了黏弹性
成层饱水地基在变荷载下的有效应力及固结曲线图。结果表明，在变荷载下黏弹性地基的固结速率慢于弹
性地基，其有效应力呈振荡增长；地基的上部垫层和下卧土层的透水性能对固结速率具有较大的影响。     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明:饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大.     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明：饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大．     

移动荷载作用下路面板与饱和弹性地基的动力响应

将路面板作为三维弹性体,建立路面-饱和弹性地基动力响应的层状弹性半空间体模型,对移动荷载作用下路面板-饱和弹性地基系统的动力特性进行了分析.将移动单元法引入到饱和弹性土介质的半解析方法中,构造了随荷载按照相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下饱和弹性土介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了饱和弹性土介质移动层单元动力方程,该方程可退化为单相弹性路面板移动层单元动力方程,基于此,建立了移动荷载下饱和弹性地基与路面板系统的三维动态响应的统一的半解析方程.数值分析了饱和弹性半空间地基上路面板的动力特性,研究了荷载速度、饱和层渗透系数等参数对路面板位移和土体孔隙水压力响应的影响,研究结果可为路面结构的施工设计及路基动力响应分析提供参考.     

列车加减速引起轨道结构和饱和地基振动

为了研究列车加减速引起的饱和地基振动问题,基于两相介质Biot动力控制方程的简化u-p格式,开发二维饱和土体单元. 通过引入饱和土体黏弹性人工边界,求解移动点荷载作用下的二维饱和地基动力响应,并与半解析解进行对比验证,说明饱和土体单元的正确性和黏弹性人工边界的适用性. 结合E-B梁单元、弹簧-黏壶单元和集中质量单元对轨枕、道砟离散支承的轨道结构及饱和地基进行二维有限单元离散. 将列车荷载简化为平面内的移动轴荷载,通过与列车匀速时对比研究列车加速和减速时饱和地基的孔压、位移响应及离散轨枕、道砟的加速度响应. 结果表明列车减速将增大轨枕、道砟的水平及竖向加速度峰值;列车加速和减速在饱和地基中引起方向相反的土体水平向位移,且减速时土体水平位移峰值更大;列车加速和减速均增大土体竖向位移峰值.     

基于多孔介质理论的饱和土中球形空腔的稳态响应

将土体视为液固饱和2相多孔介质,利用多孔介质理论描述饱和土的宏观力学行为,运用势函数和贝塞尔函数的性质求解了饱和土体中球形空腔的稳态响应问题,得到了简谐动荷载作用下球形空腔的径向位移、径向应力和孔隙水压力的解,分析了饱和土液固耦合系数对球形空腔稳态响应的影响,并分析了径向位移、径向应力和孔隙水压力沿半径方向的消散规律.     

半空间内洞室在冲击荷载作用下的瞬态响应

为了研究外界冲击力对地下洞室及周围土体的影响, 对半空间弹性土体圆柱形洞室在突加反平面冲击荷载作用下的瞬态响应进行探讨.将列车急刹车时对隧道产生的冲击力简化为半无限弹性体中突加在圆柱形洞室表面沿轴线方向的均布荷载,利用残余变量法求得频域解,运用Durbin提出的拉普拉斯数值逆变换给出问题的数值解,并将计算结果与静力情况下的结果进行比较,分析土体应力和位移随时间、弹性波的传播距离以及夹角的变化,结果表明：波到达后,该点土体的应力和位移均瞬间增大,随后慢慢减小并逐渐趋于静力值,波向外发散传播,并沿半径方向衰减;对于相同的传播距离上的各点,最大动应力和动位移与夹角无关;应力和位移最后的稳定值随着夹角的增大而增大.     

饱和土中球形沼气池的动力响应

采用解析方法研究饱和土中球形沼气池的频域响应.将土体视为流固两相介质,饱和土体的动力学行为采用Biot理论模拟,建立具有球形沼气池饱和土体的动力方程.通过引入势函数,得到饱和土体的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.将模具结构视为均匀弹性介质,根据弹性理论,推导模具结构的位移和应力解.根据土体和模具结构接触面以及模具结构内边界的连续性条件,确定待定系数的具体表达式.与单相土中球形沼气池动力响应的结果、有无模具结构的结果、有限元方法、边界单元法进行对比分析.考察饱和土和模具结构各参数对位移和孔压幅值的影响,结果表明：流体压缩性系数对响应幅值的影响与接触面的孔隙水渗透性有关;边界透水情形下流固耦合系数对系统动力响应的影响远大于不透水情形下的系统动力响应.     

强动载荷下离散多层圆筒的弹性动力响应分析

针对离散多层圆筒（DMC）在动载荷作用下研究的不足，研究了DMC在强动载荷作用下的弹性动力响应.在轴对称平面应变条件下，将内筒和钢带层的径向位移分别分解为满足非齐次应力边界条件的准静态解和满足齐次应力边界条件的动态解，准静态解由齐次线性方法和边界条件确定，动态解通过有限Hankel积分变换和Laplace积分变换求得.数值算例结果表明，与几何尺寸、材料均相同的单层圆筒（MC）相比，在相同的内部动载荷作用下，DMC有更大的径向位移和更大的径向应力峰值.DMC内筒的环向应力峰值比相应内径处的MC大，而钢带层中的环向应力峰值比单层圆筒小.     

爆炸荷载作用下钢框架柱冲击响应与破坏模式的数值模拟

目的运用非线性显示动力学有限元方法分析计算爆炸冲击荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．方法基于有限元分析程序ANSYS／LS—DYNA建立三维有限元模型,分析钢框架柱在3种爆炸荷载作用下可能发生的破坏模式特征及其影响因素．结果壳单元shell163考虑了局部屈曲效应和剪切应变的影响,可以有效模拟在爆炸荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．在荷载峰值相同的情况下,荷载持续时间越长,结构的变形越大;荷载冲量相同时,爆炸荷载峰值压力越高,结构的破坏程度越严重．结论钢框架柱的破坏模式与爆炸荷载的作用特征有关：在冲量荷载作用下,钢框架柱倾向发生柱脚剪切破坏和柱中翼缘屈曲破坏;在动力荷载作用下,钢框架柱则倾向发生柱脚剪切破坏;在准静态荷载作用下易发生整体弯曲屈曲破坏．