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。     

解析层元法求解层状地基非轴对称荷载问题

从弹性层状地基非轴对称问题的解析解出发,推导出Hankel积分变换域内单层地基的解析层元,即对称的精确刚度矩阵;然后根据有限层法原理组合相邻层元得到总刚度矩阵,并结合边界条件,求解总刚度矩阵形成的代数方程,得到层状地基非轴对称问题在Hankel积分变换域内的解答;最后应用Hankel逆变换技术,得到物理域内的解。编制了相应的计算程序,分析了非轴对称荷载作用下多层地基沿径向的地表水平位移性状。     

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。     

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。     

多层地基轴对称弹性空间问题的解析层元解

从轴对称弹性空间问题的基本控制方程出发,推导出Hankel积分变换域内单层地基的精确刚度矩阵,即解析层元,然后按有限层法组装成多层地基的总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵形成的方程组,得到该问题在Hankel积分变换域内的解,再通过Hankel积分逆变换,得到轴对称荷载作用下多层地基的精确解。编制了相应程序进行计算,通过与已有文献的结果及有限元计算结果比较,证明了所提方法的正确性;通过多层地基模型与均匀地基模型的比较,揭示了两者的差异。天然地基往往呈层状分布,各层土的物理性质差别较大,故与通常采用的均匀地基模型相比,成层地基模型更能真实地分析天然地基在轴对称荷载作用下的位移。     

基于解析层元法的成层半平面地基移动荷载动力响应研究

解析层元法具有较高的计算效率和数值稳定性,为此基于解析层元法研究移动荷载作用下层状各向同性地基的平面应变动力响应问题。假定研究坐标系随移动荷载同步移动,移动荷载相对于移动坐标系处于相对静止状态,从而将移动荷载作用下的动力问题转化为准静态问题。结合移动坐标系下的控制方程和傅里叶变换方法,推导出单层有限厚度和半空间土体在傅里叶变换域内的解析层元。根据有限层法原理组装各土层的解析层元得到总刚度矩阵,再结合边界条件求解总刚度矩阵方程在积分变换域内的解。然后,利用傅里叶积分逆变换将变换域内的解答转换为物理域内的解。最后,通过算例验证本文理论的正确性,并分析荷载移动速度、荷载作用深度、成层性及地基加固厚度与加固效果等对成层地基动力响应的影响。研究表明:地基的竖向位移和竖向应力随荷载移动速度的提高而不断增大,当移动速度接近土体的剪切波速时,地基竖向位移和竖向应力均迅速增加;移动荷载作用下地基的成层性对土体的竖向位移有较大的影响,且主要受地基表层土体性质的影响;表层土体的加固对减小地基沉降有显著效果,随着加固效果的增加,地表沉降的减小量逐渐降低。     

移动荷载作用下层状正交各向异性地基平面应变问题动力响应

基于移动谐振荷载作用下单层正交各向异性地基的平面应变问题的动力方程,通过Fourier变换,引入状态向量,推导了直角坐标系下单层正交各向异性地基的传递矩阵,建立层状正交各向异性地基平面应变问题计算模型,利用传递矩阵方法,结合层间接触条件和连续条件,求得了直角坐标系下正交各向异性层状地基任意深度处的平面应变问题的位移和应力解析表达式。基于推导的理论方法,编制了相应的计算程序,验证了单层正交各向异性土体的计算结果,算例分析土体的分层特性和正交各向异性性质对土体变形的影响规律。研究结果表明:忽略土体的分层特性和上层土体的正交各向异性,不能准确描述地基的动力特性。     

渗透各向异性饱和层状地基中的抽水问题

从渗透各向异性轴对称Biot固结的控制方程出发,构造出Laplace-Hankel变换域内的状态方程,利用Cayley-Hamilton定理推导出单层饱和地基的传递矩阵。结合多层饱和地基的连续条件、边界条件、以及抽水作用面的连续条件,运用传递矩阵法求得了渗透各向异性饱和层状地基内抽水问题在积分变换域内的解。通过Laplace和Hankel数值逆变换,获得了相应问题在物理域内的真实解。分析讨论了土体的渗透各向异性参数及及抽水时间等因素对饱和地基地表沉降的影响。     

二维渗透各向异性多层地基Biot固结分析

从二维渗透各向异性Biot固结问题的基本控制方程出发,对时间t进行Laplace变换,对坐标x进行Fourier变换,构造出Laplace-Fourier变换域内的常微分方程,利用Cayley-Hamilton定理推导出单层地基的传递矩阵。根据传递矩阵的性质,并结合层间连续条件和边界条件,求得了二维渗透各向异性多层地基Biot固结问题在Laplace-Fourier变换域内的解,通过Laplace-Fourier逆变换可求得该问题物理域内的真实解。编制了相应的计算程序,并对数值计算结果进行了比较和分析。计算结果表明:土的渗透各向异性对固结过程中的地表位移有比较显著的影响。     

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。     

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.     

利用刚度矩阵法求解多层弹性半空间体的温度应力

从热弹性力学的基本方程出发,采用Hankel 积分变换和Laplace 积分变换等数学手段,首先推导出了单层弹性半空间轴对称体的温度应力问题的刚度矩阵,然后按传统有限元的方法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程组,再对其进行Hankel 和Laplace 积分逆变换就可解出在外荷载和温度联合作用下多层弹性半空间轴对称问题的解析解。由于刚度矩阵的元素中不含有正指数项,计算时不会出现溢出的现象,从而克服了传递矩阵法的缺点。在推导过程中,因不用事先人为的选择应力函数,使得问题的求解更加合理,同时也为进一步研究这类问题如湿度场、动力学等奠定了理论基础。最后,文中还给出了计算实例来证明推导结果的正确性。     

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.