基于2.5维有限元法分析横观各向同性地基上列车运行引起的地面振动

 根据2.5维有限元原理,从横观各向同性土体弹性本构方程出发,推导出横观各向同性土体2.5维有限元弹性波动方程。轨道简化成铺设在横观各向同性地基上的Euler梁。在轨道方向的垂直截面上,将轨道结构和地基进行有限元离散,采用八节点单元,每个节点包含3个自由度,从而使复杂的三维问题转化为平面应变问题,再通过FFT逆变换转换为沿轨道方向三维空间中的时域振动响应。分别基于上海和北京地区的典型土质参数,进行场地动力响应分析。结果表明：列车运行引起的北京地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值均分别大于上海地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值;随着距轨道中心处距离的增加,两地区土体的动力响应频率均衰减到简谐荷载的自振频率周围,反映出横观各向同性土体的滤波作用;应力波在软土层中传播所消耗的能量大于在硬土层中传播;列车运行引起的地面振动衰减曲线会出现反弹增大的现象,其反弹特性及出现的位置与地基土体参数及列车运行速度密切相关。     

基于2.5维有限元法分析横观各向同性地基上列车运行引起的地面振动

根据2.5维有限元原理,从横观各向同性土体弹性本构方程出发,推导出横观各向同性土体2.5维有限元弹性波动方程.轨道简化成铺设在横观各向同性地基上的Euler梁.在轨道方向的垂直截面上,将轨道结构和地基进行有限元离散,采用八节点单元,每个节点包含三个自由度,从而使复杂的三维问题转化为平面应变问题,再通过FFT逆变换将转换为沿轨道方向三维空间中的时域振动响应.分别基于上海和北京地区的典型土质参数,进行场地动力响应分析.结果表明:列车运行引起的北京地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值均大于上海地区场地;随着距轨道中心处距离的增加,两地区土体的动力响应频率均衰减到简谐荷载的自振频率周围,反映出横观各向同性土体的滤波作用;列车运行引起的地面振动衰减曲线会出现反弹增大的现象,其反弹特性及出现的位置与地基土体参数及列车运行速度密切相关.     

水平荷载作用下横观各向同性地基力学性态研究

根据横观各向同性体各向同性面为水平时的本构方程，推导出了横观各向同性面倾斜时的本构方程，并由此得出了横观各向同性地基的自重应力计算公式以及在各种水平荷载作用下地基中的附加应力解析解。通过实例计算，发现横观各向同性地基与各向同性地基力学性态的差异之处，并从自重应力角度较好地解释了水平应力大于竖直应力和水平应力的各向异性的重要实测现象，得出了一些有益于工程设计的结论。     

横观各向同性饱和地基轴对称Biot固结问题的解析解

基于Biot理论研究了横观各向同性饱和地基半空间的轴对称固结问题.通过引入状态变量,构造出一组描述土体固结的等价状态变量微分方程.利用Hankel-Laplace联合变换对其进行求解,获得饱和土骨架位移、应力、孔隙水压力及渗流量的一般积分形式解,由此分析横观各向同性半空间饱和地基受荷载作用的固结性状.文末给出了数值算例.     

地铁列车荷载作用下轨道系统及饱和土体动力响应分析

 为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,建立了地铁列车–轨道结构–衬砌–饱和土体耦合分析模型,其中列车荷载用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟,轨道结构中的钢轨和浮置板简化为无限长弹性Euler梁。基于弹性理论和Biot多孔介质理论,采用2.5维有限元法分别模拟衬砌和饱和土体,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道系统与衬砌及周围饱和土体的耦合,并通过快速Fourier逆变换(IFFT)进行波数展开获得三维时域–空间域内的动力响应。研究结果表明,随着常荷载移动速度和移动简谐荷载自振频率的提高,地表振动水平显著增大;移动常荷载产生的地表响应最大值在荷载正上方,其空间衰减率保持恒定;移动简谐荷载产生的地基振动大于移动常荷载产生的地基振动,响应最大值在列车运行线路两侧一定范围内;在移动简谐荷载作用下,钢轨速度谱与地表速度谱分布在以简谐荷载自振频率为中心的一段范围内。     

基于现场测试的列车引起地基振动分析

 对秦沈客运专线列车引起地基振动进行现场测试,通过对实测数据的时频分析,得到一个由轨道不平顺引起的基频。推导考虑轨道不平顺条件下列车动荷载的简化解析解,基于波数有限元理论推导动荷载作用下地基动力响应的柔度矩阵。以现场实测数据为依据,建立列车–轨道–地基振动模型,以推导的列车荷载为输入,计算轨道不平顺条件下列车运行引起的地基振动。分析不平顺幅值、波长以及车速对动态轮轨力的影响;研究层状地基上多轮荷载作用产生的动力响应,讨论车速变化对地基振动的影响。研究结果表明：所提出计算模型可以高效地预测轨道不平顺引起的地基振动;不平顺波长与列车运行速度一定时,轨道不平顺幅值越大,地基振动响应和轮轨作用力越大;不平顺幅值与列车运行速度一定时,不平顺波长越长,地基振动加速度和动态轮轨作用力越小;轨道不平顺波长与不平顺幅值一定时,车速越大振动加速度越大。     

饱和黄土地基的液化数值分析

通过将黄土的孔压增长模型用于碎石桩黄土地基的地震液化有限元数值分析 ,表明地震过程中黄土的孔隙水压力增长很快 ,震后消散缓慢 ,并伴随有大的沉降量。碎石桩的抗液化 (排水 )效果明显 ,但范围有限     

埋置力源下横观各向同性饱和地基的三维Lamb问题解答

基于横观各向同性饱和介质的三维Biot波动方程,首先引入位移函数,将圆柱坐标系下的波动方程解耦,并利用算子理论,给出了Biot波动方程的通解。利用Fourier展开和Hankel变换,求解波动方程,得到土骨架位移、孔隙水压力和饱和介质总应力分量的积分形式一般解。其次,系统研究了横观各向同性饱和半空间体在埋置动力荷载作用下的三维Lamb问题,结合边界条件,给出了问题的基本解。算例表明,水平力作用下,荷载埋置较浅时,地表竖向位移幅值沿径向衰减迅速,埋深和频率增大时,地表位移波动性增强,衰减不明显。     

横观各向同性成层地基在轴对称荷载作用下的分析

由横观各向同性弹性体的胡海昌解[1 ] 出发 ,研究了单层地基的传递矩阵 ,并应用到多层地基的解答中。通过算例给出了横观各向同性地基表面受竖向集中力作用时的表面沉陷公式     

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.     

移动列车荷载作用下路轨系统及饱和半空间土体动力响应

利用Fourier变换对移动列车荷载作用下铁路系统和饱和半空间土体的动力响应问题进行研究。将整个系统分为上覆路轨系统和下卧土体分别求解,并通过应力、位移边界条件进行耦合。对于路轨系统,将钢轨简化为无限长弹性Euler梁;将枕木简化为连续质量块;对道渣层采用Cosserat模型。对于下卧饱和土体,由忽略土体自重的Biot波动方程出发,利用Fourier变换对Biot波动方程进行求解。在Fourier变换域内,联立铁路系统和下卧土体的动力方程,求解列车荷载作用下钢轨位移、加速度,土体位移、加速度及孔隙水压力表达式。利用数值积分方法对表达式进行Fourier逆变换,得到钢轨位移、加速度,土体位移、加速度及孔隙水压力在时域内的表达式。计算结果表明,水相介质与荷载移动速度都对路轨系统和土体动力响应有很大影响。当列车移动速度较低时,饱和多孔介质和弹性介质的位移响应仅在幅值上有区别,但当列车移动速度超过土体Rayleigh波速时,饱和多孔介质与弹性介质的动力响应有很大区别。     

平面P-SV波入射时TI层状自由场地的响应

由于沉积土层的垂直弹性模量常常不同于水平弹性模量，采用横观各向同性（TI）层状场地模型能较真实地反映实际场地。研究了横观各向同性层状场地对平面入射P-SV波的响应，并考虑了平面内偏振角的影响。根据波动方程，采用了薄层元素法，推导了平面P-SV波入射时TI层状场地的动力刚度矩阵。通过算例，分析了TI层状场地的自振特性及各向异性参数对场地响应的影响。     

水平简谐荷载作用下饱和土中群桩的动力反应

研究了在水平简谐荷载作用下饱和土中群桩的动力反应问题。半空间饱和土采用Biot提出的三维波动原理,将桩看作是一维的弹性杆单元,采用Hankel变换及数值逆变换得到饱和土的基本解。利用桩土之间的变形协调条件和叠加原理得到饱和土中群桩的第2类Fredholm积分方程,采用动力相互作用因子的方法计算群桩在水平荷载作用下的动力阻抗,给出了群桩的阻抗、弯矩以及孔压的数值结果。该方法可用于计算层状饱和土中群桩的水平动力反应问题。     

平面波作用下饱和地基表面刚性圆形基础的竖向振动分析

 基于Biot波动方程,研究饱和地基表面刚性圆形基础在入射P1及SV波激励下的动力响应问题。为考虑地基与基础的相互作用以及基础对入射波的散射,引入辐射波场及刚体散射波场。将饱和地基视为Biot波动方程描述的饱和半空间,并假设土与基础紧密接触且接触面完全透水。运用Hankel积分变换求解土体控制方程,并结合地基与基础接触面的混合边值条件及基础的动力平衡方程,得到入射波作用下基础竖向振动振幅的表达式。最终通过数值算例分析入射波频率、入射角度、基础质量以及饱和土体渗透性等对基础竖向振动的影响。研究结果表明,当基础分别受P1及SV波作用时,两者之间的竖向振动特性有较大差异。     

TI层状场地中单桩对入射SH波的响应分析

采用横观各向同性(以下简称TI)层状弹性体模型模拟半空间之上的层状场地，用梁单元模拟桩的运动。结合单桩的动力阻抗函数和TI自由场地在入射SH波下的响应，建立了TI层状场地中单桩对入射SH波响应的计算模型。研究了入射SH波作用下单桩沿桩身的剪力和弯距分布，表明场地中单桩在地震作用下也可能破坏，应当引起重视。     

动载下桶形基础的沉陷

对水平动载下桶形基础的响应进行了试验研究。考察了均匀土层情况下的沉陷现象。结果表明,由于动载的作用,桶周围土体逐渐软化甚至液化,土体强度降低,桶逐渐下沉。根据试验结果提出了1个简单的分析方法,并与试验结果进行了对比。     

强夯荷载作用下饱和土层孔隙水压力简化计算方法

分析了饱和土层在强夯冲击荷载作用下的内部动应力和孔隙水压力的分布特点。建立了相应的渗透固结方程，并给出其一般解析解．将强夯脉冲荷载看作是一个加荷-卸荷过程。将其离散为若干等辐均布荷载。进而给出一个简化的求解方法。讨论了固结系数，卸荷固结比等土性参数对强夯冲击荷载作用下孔隙水压力增长、消散的影响，分析了透水性质不同的土类孔隙水压力变化的一些特征。为强夯荷载作用瞬间饱和土层的固结变形计算提供了前提条件．