内源爆炸荷载作用下无限弹性土体中圆柱形衬砌隧道的瞬态响应解答

内源爆炸荷载产生的振动响应对地下衬砌隧洞的安全非常重要.采用Fourier变换和Laplace变换,推导出内源爆炸荷载作用下无限弹性空间中圆柱形衬砌孔洞的瞬态动力响应无量纲解答,利用Fourier和Laplace逆变换数值方法,计算分析内爆炸荷载产生的振动在衬砌和周围弹性介质中的分布和传播衰减规律.计算结果表明,爆源中心处衬砌内表面径向位移、切向应力和衬砌外表面土体径向位移、切向应力最大,向左右两侧迅速衰减,在6倍衬砌内径处衰减为0;衬砌内表面径向位移、切向应力和衬砌外表面土体径向位移、切向应力时程曲线峰值爆源中心处最大,离爆源中心越远,峰值越小,且在t*=10时衰减为0.     

内源爆炸荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道的瞬态响应解答

内源爆炸荷载作用下隧道的动力响应,经常被简化为以爆源为中心的二维平面应变问题,其实际上是一个三维岩土工程问题.为评价隧道爆源及周围区域的爆炸破坏,采用Laplace和Fourier变换,提出一种在内源爆炸荷载作用下,饱和土体中圆形衬砌隧道的瞬态响应精确解答.基于Biot波动理论,将周围土体和衬砌结构分别看成饱和两相介质和弹性介质,推求了Laplace和Fourier变换域内爆炸荷载作用下衬砌和周围饱和土体的动力响应解析解.利用Laplace和Fourier反变换的数值方法,进行了爆炸荷载作用下衬砌和周围土体的动力响应数值分析.结果表明:与简化的二维平面应变模型相比,基于三维模型得到的切向应力、径向位移和孔隙水压力较小;隧道的动力响应随时间而迅速减小,并随着与爆源距离的增加,而在径向和轴向上呈指数衰减.     

饱和土对瞬态荷载响应的初步分析

文中给出两个典型爆炸实验并指出了其中共有的特殊现象即负压的出现。对饱和土在这种瞬态荷载下的响应及负压作用作了初步分析。     

任意竖向荷载作用下单层饱和多孔介质一维瞬态响应精确解

基于Biot理论,考虑流体和固体颗粒的压缩性以及惯性、黏滞和机械耦合作用,得到了表面任意竖向荷载作用下单层饱和多孔介质一维瞬态响应的精确解。文章首先导出了以无量纲位移表示的矩阵形式的控制方程,并将边界条件齐次化。采用分离变量法求解不考虑黏滞作用的特征值问题,得到一组关于空间坐标的正交函数基。在此基础上,利用变异系数法和基函数的正交性,得到一系列可以通过状态空间法求解的相互解耦的关于时间的二阶常微分方程组及相应的初始条件。最后通过算例验证本文的正确性。     

爆炸荷载作用下两相饱和土中结构响应试验研究

 通过试验研究含气量低于99.99%两相饱和土及其中的结构响应问题。试验在f 2.5 m×5 m的圆柱形模拟爆炸装置中进行,爆炸采用TNT集团装药,炸药埋设在饱和土中进行接触爆炸,采用统一比例埋深。在饱和土中设置正方体大跨度结构,该结构产生整体破坏。同时研究完全不动钢壁极限结构,与大跨度结构进行对比,系统研究饱和土中不同结构形式的反射系数。结果表明,在两相饱和土中压力超过2 MPa时,饱和土发生动态液化,应力波变化为冲击波,其中压力与饱和土的具体颗粒性质关系不大。通过极限状态的两种结构响应研究认为,饱和土中不同跨度结构的反射系数为0.5～2.0,其具体取值将根据结构形式决定。     

轴对称荷载下饱和地基热-水-力耦合动力响应

基于Biot波动理论,通过建立饱和地基的热-水-力耦合动力响应的控制方程,对轴对称荷载作用下半无限地基的热-水-力耦合动力响应问题进行探讨。利用Hankel变换技术,得到外荷载作用下地基中温度增量、应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Hankel数值逆变换得到计算结果,对热-水-力耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布进行分析,并与水-力耦合动力响应情况下的结果进行比较。     

移动简谐荷载作用下饱和土体中圆形隧道和轨道结构的动力分析

采用解析法研究了移动简谐荷载作用下饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构的动力响应,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成周期性的两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例分析了荷载移动速度、自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响,对比了连续浮置板轨道和离散浮置板轨道的动力特性。结果表明:离散浮置板轨道情形下,轨道结构和饱和土体响应频谱中存在由荷载周期通过不连续浮置板而引发的参数激励;荷载自振频率接近轨道结构固有频率时产生共振,对轨道结构和饱和土位移、孔压响应均有较大影响;离散浮置板轨道和连续浮置板轨道动力特性有显著差异,当荷载频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,二者对应的自由场响应区别明显;增大衬砌厚度可以显著减小饱和土位移响应。     

列车振动荷载作用下隧道衬砌结构动力响应特性分析

论述隧道衬砌结构动力有限元分析的理论与数值计算方法，并以京广线朱亭隧道列车振动荷载现场测试成果为基础，通过对3种不同断面形状的隧道衬砌结构的动力响应特征进行分析研究，可获得隧道衬砌结构竖向位移、竖向加速度及各种内力时程曲线。研究成果对评价既有提速铁路隧道衬砌结构的动力稳定性和完善铁路隧道结构的设计理论具有一定的指导意义。     

地下混凝土衬砌结构基于渗流耦合作用的实验研究

考虑地应力场与地下水渗流场的耦合,介绍了其对衬砌结构的损伤与耐久性产生影响的方式与规律,阐述了渗流耦合作用下,建立地下混凝土结构劣化模型的过程,最后提出了对结构耐久性寿命开展评判与预测研究的方法。     

地震加速度作用下饱和土中深埋隧道的动力响应

通过建立和求解饱和土中圆形隧道在地震加速度作用下的动力控制方程,得出了该问题的通解;再根据弹性力学问题的几何方程和物理方程,推导出了饱和土及隧道结构中的应变及应力分量表达式;结合饱和土中圆形隧道在地震加速度作用下动力响应的边界条件,对其进行了数值计算,较为全面的分析了地震频率、隧道结构参数以及地震加速度大小对饱和土中圆形隧道对地震响应的影响。研究结果表明：随着地震频率的增加,孔隙水压力和土体应力分量最大值减小;隧道衬砌结构剪切模量的增加,孔隙水压力和土体应力分量最大值均有所增加;地震加速度的大小对孔隙水压力和土体应力分量影响最为明显,地震加速度增加的倍数与各应力分量增加的倍数基本一致,随着离开隧道距离的增加,饱和土中孔隙水压力、径向应力分量和切向应力分量迅速衰减,而剪应力分量值最大且呈正负交替较慢衰减;这些研究结果对正确理解饱和土中圆形衬砌隧道的抗震性能、破坏机理以及指导隧道抗震设计都有参考意义。     

饱和土中圆形衬砌结构对弹性波的散射

运用复变函数法，在Biot波动理论的基础上，对饱和土中的圆形衬砌结构进行分析。首先，通过引入3个势函数将饱和土的Biot波动方程解耦成3个Helmholtz方程，将衬砌结构看作是弹性均质的各向同性材料介质，通过引入2个势函数将弹性介质的挖制方程解耦成2个Helmholtz方程；然后，利用所得势函数的通解，得到饱和土的位移、应力和孔压的表达式及衬砌结构的位移和应力表达式，利用饱和土与圆形衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件，确定波函数展开式中的未知系数，进而得到问题的求解；最后，对波数及衬砌结构厚度等参数进行了分析。     

非饱和土中热-湿-盐耦合作用的稳态分析

研究了非饱和黏土上覆非饱和砂土组成的复合非饱和土中的水-热-盐多场耦合问题。基于多孔介质的质量守恒和能量守恒方程,选取温度、孔隙压力和含盐率以及它们的梯度作为状态变量,建立了非稳态条件下水热盐多场耦合问题的状态方程组。将状态方程组进行Laplace变换后,进而求解该强耦合的非线性变系数微分方程组的频域解,并通过反演法获得时域解。并将数值解与自主设计试验的试验结果进行了对比,验证了所建立数学模型的准确性。分析了复合非饱和土体在温度梯度下,底部非饱和砂土的厚度和饱和渗透系数等对整个非饱和土体中水分场和盐分场分布以及迁移规律的影响,继而对盐渍土的改良工作和工程土障的建设提供试验和理论依据。

     

弹性层和饱和半空间体系稳定动力响应

弹性层和饱和半空间模型是一种具有理论价值及工程背景的地基模型.本文针对这一模型,采用积分变换方法研究了其表面受稳态激振下的动力响应.本文针对两种界面连续条件推导了响应的积分形式解,并将其蜕化为饱和弹性半空间及固体弹性半空间的积分形式解,文末利用数值积分技术作了有意义的算例分析.本文为饱和分层地基的动力响应计算提供了有效方法,同时也为进一步利用边界元法解决此类地基的波传播问题、动力相互作用问题开拓了一条途径.     

平面Rayleigh波入射下饱和土中浅埋隧道复合式衬砌的动力响应

基于Biot波动理论,采用Fourier-Bessel级数展开法,建立了平面Rayleigh波入射下,饱和土中浅埋隧道复合式衬砌的散射力学模型,求解了频域内复合式衬砌的动应力集中系数、孔压集中系数的解析解,通过参数化分析,研究了Rayleigh波在不同入射频率作用下,内衬和外衬的刚度比、厚度比、隧道埋深等因素对复合式衬...     

单层饱和多孔介质一维瞬态响应半解析解

 基于Biot饱和多孔介质理论,以一类边界条件为例,提出一种单层饱和多孔介质一维瞬态响应问题的半解析求解方法。首先将基本方程和相应的初始条件、边界条件量纲一化,给出矩阵形式的位移控制方程。通过适当变换使边界条件齐次化,求解相应特征值问题,得到非齐次边界条件下的特征值和特征函数,并证明特征函数的正交性。利用该正交性,得到无限个仅阻尼项耦合的关于时间的常微分方程及相应的初始条件。截取有限项,采用精细时程积分法求解常微分方程组初值问题,并得到原问题的解,最后通过算例分析动力渗透系数对流固耦合作用的影响,验证方法的有效性。提出的方法不仅考虑孔隙流体、固体颗粒的压缩性及任意的惯性、黏滞和耦合作用,而且可以推广到任意非齐次边界条件的一维瞬态响应问题。     

成层土中桩的纵向振动理论研究及应用

建立了成层土中考虑桩端和桩侧土作用的有限长桩在任意激励力作用下的定解问题 ,并用拉氏(Laplace)变换和阻抗传递函数求得任意层土中桩顶速度和位移响应函数的解析表达式 ,然后利用卷积定理和付里叶 (Fourier)逆变换求得半正弦脉冲激振力作用下桩顶的速度时域响应的半解析解 (积分形式解 )。并就成层土中的桩侧和桩底土的特性的变化对桩纵向振动特性的影响作了进一步的研究。     

饱和软土场地中地下结构非线性地震响应分析的一个FEM-IBEM耦合方法

基于Biot孔隙介质理论,提出了饱和软土场地中地下结构非线性地震响应分析的一个有限元-间接边界元（FEM-IBEM）耦合方法。方法考虑了饱和土骨架与孔隙水的动力耦合作用及饱和土-结构动力相互作用,并通过等效线性化方法考虑土体的非线性。该耦合方法的特点之一是有限元子域和间接边界元子域相互独立,非常适合并行计算,提高计算效率;特点之二是能够同时考虑有限元子域（近场）和间接边界元子域（远场）的土体非线性。通过与文献结果对比,验证了FEM-IBEM耦合方法的正确性和计算精度。以天津滨海地区一典型深厚饱和软土场地中两层双跨地铁车站为例,计算了地铁车站结构的地震内力和变形,并比较了饱和土体线性和非线性情况下地铁车站地震响应的差别,和饱和土体模型和单相土体模型情况下地铁车站地震响应的差别。研究表明：土体非线性对地铁车站结构的地震内力和变形具有显著影响;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对地铁车站结构地震内力和变形也有明显影响。