任意荷载作用下层状横观各向同性弹性地基的直角坐标解

首次建立了在直角坐标系下层状地基力学问题的通用解法,改变了过去仅能在柱坐标系下进行求解此类的状况。首先将坐标系的原点选在荷载影响范围以外足够远处,从直角坐标系下的横观各向同性弹性问题的基本方程出发,利用Laplace变换及其微分性质,建立了单层横观各向同性弹性地基的状态控制方程,并利用状态空间理论给出了单层地基的解答。然后再利用传递矩阵技术,给出了任意荷载作用下的层状横观各向同性弹性地基的解析解。用提供的方法求解层状横观各向同性地基的非轴对称问题比在极坐标下求解简单、快捷。     

层状横观各向同性地基性质对刚性条基摇摆振动的影响

分析了土体的横观各向同性及层状性质对刚性条形基础摇摆振动的影响。首先利用解析层元法得出层状横观各向同性地基的总刚度矩阵。再根据刚性条形基础与地基相互作用的混合边值条件,建立了一组对偶积分方程,并借助Jacobi正交多项式求解了该对偶积分方程,从而得到地基动力柔度系数。计算结果与已有文献的结果吻合较好。同时,算例结果表明:土的水平向与竖向弹性模量比的减小、竖向的剪切模量与弹性模量比的增大,以及水平向泊松比与竖向泊松比比值的增大,都将导致地基动力柔度系数增大;而且,层状地基中上层土的弹性模量的减小使得地基动力柔度系数也增大。     

地震波斜入射下层状TI饱和场地地震反应分析

滨海地区的天然土体在长期的风化和沉积作用下,其水平模量往往会大于其竖向模量,表现出明显的横观各向同性（TI）饱和特性,目前还很少有针对地震波斜入射下TI饱和场地动力响应问题的研究。将HaskellThomson传递矩阵方法拓展到层状TI饱和半空间,求解了直角坐标系下两相介质的Biot动力平衡方程及孔隙流体运动方程,建立了层状TI饱和半空间传递矩阵,并结合地表边界条件求解了地震波斜入射下层状TI饱和场地自由场的时域反应。该文验证了提出方法的正确性,进而以CNTEWGXE波（0.3 g）作为输入地震动,研究了土体TI性质及饱和特性对场地加速度时程及反应谱的影响。结果表明:层状TI饱和场地和各向同性饱和场地地表的动力响应存在一定差异,TI参数的改变使得场地对地震波产生不同的滤波和放大效应;场地的饱和特性对地表的动力响应有重要影响,饱和多孔介质固液耦合作用对地震波具有削弱作用;地震波斜入射时地表加速度时程及反应谱响应小于其垂直入射时的响应,且入射角度对qP1波入射时的场地影响更明显。     

饱和横观各向同性分数导数黏弹性土中半封闭衬砌振动响应

在频率域内研究了饱和横观各向同性分数导数黏弹性土体中深埋圆形隧道半封闭衬砌振动响应问题。根据土体在长期沉积过程中存在各向异性的特点,将土骨架视为具有分数导数本构关系的横观各向同性黏弹性体,采用饱和多孔介质理论和弹性理论,利用衬砌内边界应力协调以及土体和衬砌界面处应力和位移连续,得到了简谐荷载作用下饱和横观各向同性黏弹性土和弹性衬砌的位移、应力和孔隙水压力解析表达式。考察了饱和经典弹性土、饱和分数导数性黏弹性土和饱和经典黏弹性土三种条件下饱和黏弹性土和衬砌各参数的影响,表明：横观各向同性面的弹性模量和衬砌厚度对系统动力响应的影响与分数导数阶数和土骨架的黏性有关;渗透系数较小时,系统存在明显的共振现象。另外,在三种条件下半封闭衬砌振动响应存在较大差异。     

横观各向同性饱和土中单桩竖向振动的简化模型求解

基于饱和多孔介质理论,将土体视为横观各向同性饱和两相介质,利用分离变量法求解了横观各向同性饱和土层的竖向振动,在此基础上建立横观各向同性饱和土中单桩竖向振动的控制方程,借助桩端边界条件和三角函数的正交性对桩竖向振动问题进行了求解,并分析了相关参数对竖向振动的影响。研究表明:桩-土系统存在共振现象,复刚度的变化受激振频率的影响较大;在高频和低频时,各向异性参数对动刚度的影响不同,各向异性参数越大,复刚度的峰值越小。     

轴对称横观各向同性土体中桩的扭转振动响应研究

基于单相弹性土体的运动方程以及横观各向同性材料的本构关系,研究了轴对称条件下端承桩在横观各向同性土体中的耦合扭转振动响应问题.在柱坐标下推导得到横观各向同性土体受谐和扭转荷载作用的动力控制方程,并采用分离变量法求得了土体扭转振动位移形式解.依据桩土接触面上的衔接条件,求解了桩身的动力平衡方程,并在频域内得到了桩身转角、扭矩和桩顶复刚度的解析解.最后分析了横观各向同性土体的力学参数对动力响应的影响.结果表明,横观各向同性土体的力学参数对桩顶复刚度、桩身转角和扭矩沿深度方向的变化均有着显著影响.     

饱和弹性半空间地基与中厚圆板的动力相互作用

利用Fourier-Bessel级数,对横观各向同性饱和弹性半空间地基与中厚圆板的动力相互作用问题进行了系统地分析。板的位移函数、荷载、地基反力及板下地基表面的沉降均被展开为二重Fourier-Bessel级数,这些级数中的待定系数由板的边界条件、板的控制方程及板-地基的相容条件加以确定,从而将饱和弹性半空间地基与中厚圆板的动力相互作用问题转化为数值积分和代数方程组的求解问题。数值计算表明,该级数解答具有较快的收敛速度。可以将该方法推广到弹性半空间与梁、矩形板相互作用问题的分析。     

横观各向同性土体三维比奥固结有限层解法

建立了三维横观各向同性土体固结的有限层求解方法,并编制了相应的计算程序;通过2个算例的分析对比,验证了计算方法和程序的正确性;探讨了横观各向同性地基参数对三维地基固结的影响,给出了对工程有价值的相关计算图表和结论.     

横观各向同性饱和土体的实用波动方程

假定饱和土体土骨架及渗透系数具有横观各向同性，土颗粒不可压缩，建立了横观各向同性饱和土体实用波动方程，推导出横观各向同性饱和土体平面简谐波的波速弥散方程，结果显示横观各向同性饱和土体存在四个体波，其中一个为ＳＨ波，其余三个当波沿水平面或垂直水平面传播时，才分别是ＳＶ波、Ｐ１波和Ｐ２波。最后，用数值方法分析了ＳＨ波、ＳＶ波、Ｐ１波和Ｐ２波沿水平面和垂直面传播时的波速弥散曲线与特征衰减曲线，以及各个弹性波沿与水平面成４５°方向传播时的波速弥散曲线。     

层状TI饱和半空间均布斜线荷载及孔隙水压动力格林函数

基于Biot流体饱和多孔介质模型,采用动力刚度矩阵方法结合傅里叶变换,给出了层状横观各向同性(TI)饱和半空间中均布斜线荷载及孔隙水压的动力格林函数。方法首先将荷载作用层固定,在波数域内求得层内响应和固端反力,进而由刚度矩阵方法求得反加固端反力于整个层状半空间而产生的响应,最后叠加层内解和固端反力解经由傅里叶逆变换求得空间域内解。所给出的层状TI饱和半空间格林函数为建立相应边界元方法进而求解层状TI饱和介质相关波动问题提供了一组完备基本解。通过与已发表的各向同性饱和结果和TI弹性结果进行对比,验证了方法的正确性。进而给出了数值计算结果并进行了参数分析。结果表明:TI饱和介质与各向同性饱和介质对应的动力响应差异显著,且介质的各向异性参数对动力响应有着重要影响。此外,荷载埋深越小,地表位移和孔压波动更剧烈;介质渗透系数起到类似阻尼的作用,减小渗透系数可降低动力响应;随着频率的增大,位移、应力和孔压的波动也更为剧烈。     

饱和地基上刚性圆板的扭转振动

用解析的方法首次研究了饱和地基上刚性圆板的扭转振动特性。首先运用Hankel变换求解饱和介质动力问题的控制方程,然后按混合边值条件建立了饱和地基上刚性圆板扭转振动的对偶积分方程,并把对偶积分方程化为第二类Fredholm积分方程。文末数值算例给出了动力柔度系数和扭转角幅值随无量纲频率的变化曲线,并与单相弹性介质情况进行了对比分析。数值结果表明:与经典的弹性介质上基础的振动特性相比,水相的存在对饱和地基上刚性圆板的扭转振动特性有一定的影响,且在共振频率附近可以减弱其振动,当土体渗透性较好时更是如此。     

埋置移动荷载作用下成层饱和地基的动力响应

利用Fourier变换和传递反射矩阵法（TRM法）研究了成层饱和地基在埋置移动荷载作用下的动力响应。土体被假设为完全饱和的多孔弹性介质并且服从Biot多孔弹性波动方程,用修正粘滞阻尼模型来描述土体的粘弹性行为,采用TRM法来考虑饱和地基的成层性,利用Fourier变换和Fourier逆变换得到了埋置移动荷载作用下饱和地基动力响应积分形式解答。当饱和成层地基退化单层饱和地基时,该文解与已有解能很好的吻合。最后,通过数值计算分析了埋置荷载深度﹑荷载速度、荷载频率及软硬夹层对动力响应的影响。     

A soil damage model expressed by a double scalar and its applications

Poroelasticity refers to the study of the mechanics of porous elastic materials that are saturated with compressible or incompressible fluids. When considering saturated poroelastic geomaterials, their consolidation response can be influenced by the evolution of damage in the porous skeleton. The objective of this paper is to examine the problem of consolidation response of damage-susceptible poroelastic geomaterials. Firstly, a new constitutive model of soft soils expressed by isotropic double scalar damage variables is developed and incorporated into Biot’s consolidation finite element equations via EDAPD program. Then, the EDAPD program is applied to analyze a soft subgrade reinforced by surcharge preloading technology. The comparison between the numerical predictions and the experimental data shows that the isotropic double scalar damage model presented in this paper is effective and feasible in analyzing the consolidation problem of damaged porous media.     

水平层状饱和场地地震响应分析的等效线性化方法

采用饱和土层和半空间精确的动力刚度矩阵,建立了求解P波、SV波斜入射情况下水平层状饱和场地地震响应的一维等效线性化分析方法。将饱和场地退化至干土场地进行方法验证,并将该文结果与二维有限元程序FLUSH结果进行对比,验证了该文方法的准确性。以天津市区某典型饱和场地为例,分别比较了P波和SV波入射情况下饱和场地线性、非线性地震响应之间的差别,以及饱和场地、干土场地非线性地震响应之间的差别,并讨论了入射角度和透水条件等因素对地面运动加速度峰值的影响,总结了饱和场地非线性地震响应的一些基本规律。     

Dynamic behavior of saturated poroviscoelastic media

Summary The Vardoulakis-Beskos model for the dynamics of nearly and fully saturated poroelastic soils and the Aifantis-Beskos model for the dynamics of fully saturated, fissured, poroelastic rocks are here extended to include viscoelastic material behavior. Linear hereditary isotropic viscoelasticity of the relaxation type for the solid phase is considered. Correspondence principles are established for both models in the Laplace transformed domain. The one-dimensional dynamic column problem associated with both of the above proroviscoelastic soil and rock models is solved by an analytical-numerical procedure to illustrate the theory and assess the effect of viscoelasticity on the response.     

Effective porothermoelastic properties of transversely isotropic rock-like composites

The present work is devoted to the determination of the overall porothermoelastic properties of transversely isotropic rock-like composites with transversely isotropic matrix and randomly oriented ellipsoidal inhomogeneities and/or pores. By using the solution of a single ellipsoidal inhomogeneity arbitrarily oriented in a transversely isotropic matrix presented by Giraud et al. [A. Giraud, Q.V. Huynh, D. Hoxha, D. Kondo, Effective poroelastic properties of transversely isotropic rocks-like composites with arbitrarily oriented ellipsoidal inclusions, Mechanics of Materials 39 (11) (2007) 1006-1024], it is possible to observe the effect of the shape and orientation distribution of inhomogeneities on the effective porothermoelastic properties. Based on recent works on porous rock-like composites such as shales or argillites, an application of the developed solution to a two-level microporomechanics model is presented. The microporosity is homogenized at the first level, and multiple solid mineral phase inclusions are added at the second level. The overall porothermoelastic coefficients are estimated in the particular context of heterogeneous solid matrix. The present model generalizes to transversely isotropic media a recently developed two-level model in the simpler case of isotropic media (see Giraud et al. [A. Giraud, D. Hoxha, D.P. Do, V. Magnenet, Effect of pore shape on effective thermoporoelastic properties of isotropic rocks, International Journal of Solids and Structures 45 (2008) 1-23]). Numerical results are presented for data representative of transversely isotropic rock-like composites.