饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。     

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析EI北大核心CSCD

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。     

基于非局部Biot理论的循环荷载下饱和土地基动力特性研究

为探究循环动荷载下,孔隙尺寸对饱和土地基动力特性的影响,利用虚位移原理及Newmark积分法对非局部Biot模型进行了空间及时间离散,并采用有限单元法编制了循环荷载下饱和土地基动力响应的计算程序。将该程序计算得到的饱和土一维固结结果和二维单相弹性地基的动力响应结果与已有文献对比,验证了该程序的正确性。研究了循环荷载下孔隙尺寸效应对一维饱和地基,二维饱和地基及饱和路基动力特性的影响。结果表明：荷载频率较高时,随着非局部参数的增加,饱和土地基的动力响应明显滞后,孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响明显,即荷载频率较高时,孔隙尺寸效应不可忽略。     

Biot齐次固结方程的通解

从考虑土颗粒和流体体积压缩的Biot固结方程出发,求得一般Biot固结方程的势函数通解和齐次Biot固结方程的势函数通解。当达西渗透系数趋向无穷大时,齐次Biot固结方程的通解退化为经典弹性静力学的帕普科维奇通解。当颗粒和流体的体积模量趋向无穷大时,Biot固结方程退化为不考虑土颗粒和流体体积压缩的简化Biot固结方程,从而得到一般简化Biot固结方程的势函数通解和齐次简化Biot固结方程的势函数通解。获得Biot固结方程和简化Biot固结方程的位移、应变和应力的势函数通解表达式。     

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。     

桩基震陷的有效应力动力计算方法

本文提出一种能够全面考虑应力、应变、振动孔隙水压力、震陷以及桩土界面规律的上体动力计算模型,并将该模型与Ｂｉｏｔ两相介质动力固结方程相结合,建立了拉基震陷的有效应力动力计算方法。液化砂土地基上典型高层建筑的拉基震陷计算发现：地基液化可以使柱产生较大的震陷,地震期间桩基的瞬时沉降较小,震陷的主要发展阶段是在地震结束以后的一段时间。     

饱和地基上列车运行引起的地面振动特性分析

从饱和土Biot波动方程出发,基于二次形函数薄层法,将圆柱坐标系下饱和土的Biot轴对称波动方程在竖向进行离散,沿切向及轴向坐标分别进行Fourier级数分解和Hankel变换,得到饱和地基频域-波数域中的位移基本解,再利用Hankel逆变换和Fourier综合,求得频域柱坐标系下的位移表达。结合移动列车-轨道-地基的振动模型,对饱和地基上列车运行引起的地面振动进行了分析,讨论了动力渗透系数、孔隙率和动力流体粘滞系数等参数对地面振动传播与衰减的影响规律,并与弹性地基的振动衰减进行了比较。结果表明:在不同列车运行速度下,饱和地基和弹性地基的竖向位移振动响应差异较大;饱和土体的动力渗透系数、孔隙率和孔隙流体动力粘滞系数是影响地面振动的主要参数。     

高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应

基于Biot流体饱和多孔介质理论,求得层状饱和地基表面移动荷载的动力格林函数,进而建立2.5维间接边界元方法,研究了高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间地基和饱和基岩上单一饱和土层地基为模型进行了数值计算,分析了列车移动速度和饱和土层等对动力响应的影响。研究表明,层状饱和地基和均匀饱和地基对应的动力响应有着显著的差别;列车移动速度接近饱和地基的Rayleigh波速时,会引起饱和地基-轨道耦合系统的共振,产生较大的动力响应;饱和地基不透水情况下动力响应最大,饱和地基透水情况下动力响应次之,干土情况下动力响应最小。另外,饱和土孔隙率、饱和基岩与饱和土层刚度比、饱和土层厚度等也对动力响应具有重要影响。     

埋置移动荷载作用下饱和成层地基-梁耦合系统动力响应分析

针对地铁列车运行中引起的地表振动问题,研究了埋置移动荷载作用下饱和成层地基-梁耦合系统的动力响应。将地基土体采用Biot饱和多孔介质理论来模拟,将地下轨道结构简化为埋置无限长Euler-Bernoulli梁,埋置移动荷载作用在梁上。并采用传递透射矩阵法(TRM法)考虑地基的成层性。利用Fourier变换及逆变换,结合梁与土体间的力与位移连续条件,得到了地基在时间空间域内的动力响应解答。当饱和成层地基退化为均质黏弹性地基时,所得解与已有解能很好地吻合。最后,通过数值算例分析了梁的刚度﹑埋置深度及荷载移动速度、频率等因素对地表振动的影响。     

下卧基岩饱和地基在移动荷载作用下的动力响应

基于Biot多孔弹性介质波动理论,在平面应变条件下研究了下卧基岩饱和地基在移动线荷载作用下的动力响应。通过引入势函数并利用Helmholtz原理,再经过Fourier变换和逆变换,获得了移动线荷载作用下饱和地基的位移、应力、孔隙水压力解答。最后通过快速逆傅里叶变化（IFFT）得到数值计算结果,详细分析了土颗粒的压缩性、孔隙水的压缩性、饱和土的剪切模量、孔隙率、渗透性、移动荷载速度和饱和土层厚度等参数对动力响应的影响     

运用FLAC~(3D)对水泥土桩加固液化砂土地基的分析

该文运用三维有限差分软件FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)对水泥土桩加固的液化砂土地基建立模型并进行地震响应分析,从计算机数值模拟的角度对水泥土桩加固模型地基竖向位移、超静孔隙水压力、孔压比、剪应变增量、接触面剪力及表面加速度作了较系统地分析,总结了这些参数的变化规律,得到了一些有价值的结论,对实际工程有一定的指导意义。     

桩-土复合地基抗液化数值试验分析

在自由场中设置群桩基础,改变桩基间距,应用FLAC3D作系列三维桩基础非自由场液化数值模拟试验,从桩对液化土的反作用这一方面,研究群桩设置对场地液化分布的影响,揭示群桩抗液化效应。试验结果显示,群桩改变了自由场的特性,群桩非自由液化场水平向不再同性。相对于自由液化场,群桩约束了内部土体自由应变,加大了桩-土结构复合地基的整体抗剪刚度,适当间距的群桩抑制下部土液化的效应较明显,超孔压比降低20%,群桩对上部土体的抗液化效应不大。桩基间距越小对近处场地液化的抑制作用越大,对远处液化的强化作用也越大,桩间距越大抑制作用越小,对远处的强化作用也越小。桩间距相同,桩径加大,桩间场液化度降低。研究成果为桩-土结构复合地基抗液化设计提供理论及试验基础。     

随机波浪作用下饱和砂质海床弹塑性动力响应规律

为研究实际海洋环境中随机性波浪作用下弹塑性海床饱和土体真实的动力学行为及振动液化过程演化规律,该文结合Biot动力固结理论和本课题组提出的砂土震动液化大变形本构理论模型和处理液化时零有效应力状态的数值算法,采用JONSWAP频谱来模拟波浪,给出了随机波浪作用下饱和砂质海床土体中超静孔隙水压力瞬态变化与液化过程的弹塑性动力分析方法。该方法可很好地描述在随机波浪作用下,海床土体内超静孔隙水压力场在时空上呈现出的瞬态起伏变化和平均单调累积增长或消散的特性以及海床内达到零有效应力的液化状态在时间域上间歇性出现、在空间域上连续性移动的规律性。     

饱和软粘土中沉桩后桩周土体固结分析

假定沉桩过程是一个平面应变圆孔扩张问题, 采用了修正剑桥模型, 给出了软粘土中沉桩过程后初始时刻超孔隙水压力沿桩径分布的解析函数, 并与Cao 等人的数值解以及Gibson 提出的公式进行了比较。根据土骨架的弹性位移特性以及水流的连续性条件, 得到了桩周土体固结的控制方程。运用分离变量法并结合边界条件以及初始条件得到了桩周土中超孔隙水压力消散的级数解答, 该解答可以作为孔压静力触探反求固结系数的一个理论依据。通过2 个算例分析了土体的应力历史以及刚度对桩侧超静孔压消散的影响;算例分析表明, 随着超固结比的增大, 归一化后的塑性区半径以及桩侧超孔隙水压力均在减小;桩侧的超静孔压消散前期较快, 后期较慢。     

液化侧向扩展场地刚性排水管桩群桩振动台试验研究EI北大核心CSCD

地震作用下土体发生液化侧向扩展对建筑物极具破坏性,特别是对建筑物的桩基、高架桥梁等,消除和减小土体液化扩展引起的对结构安全的危害具有极大的意义。刚性排水管桩由圆形空心刚性桩与排水体结合而成,其在具有排水功能的同时,又具有较大的承载力,但是目前针对刚性排水管桩群桩抗液化性能的研究仍十分有限。基于振动台试验,开展了桩顶承台竖向荷载作用下刚性排水管桩群桩与普通桩群桩处理液化侧向扩展场地的振动响应对比研究,分析了地基土的超孔压比、加速度、平均沉降、承台位移、挡板位移以及桩身弯矩等。研究结果表明:刚性排水管桩地基与普通桩地基相比,超孔压、桩身弯矩、地基沉降、承台位移、岸壁位移明显减小,而加速度增大,充分表明刚性排水管桩的抗液化效果显著。     

论对称与非对称的Biot固结有限元方程组的一致性

论述了对称与非对称的Biot固结有限元方程组间的一致性,发现Biot固结有限元方程组系数矩阵是否对称是与平衡方程中与孔隙水压力有关的项是否进行分部积分有关。如果不对其进行分部积分,则得到非对称的系数矩阵;如果对其进行了分部积分,则得到对称的系数矩阵,此时两种情况下与之对应的结点力的意义也不相同。如果把结点力的意义处理成一种情况,则会发现这两种情况下的Biot固结有限元方程组是一致的。     

土体液化大位移条件下群桩动力反应振动台模型试验

设计并开展了可液化场地群桩基础大型振动台模型试验,再现了倾斜场地土体液化、流滑以及桩基倾斜等宏观现象,分析了场地土体及桩基结构地震反应特征。结果表明:群桩存在时的液化倾斜场地流滑可区分为局部流滑和整体流滑两个阶段;倾斜场地土体中的振动孔隙水压力演变过程和空间分布受土体流滑影响,桩间土相对不易液化;斜坡倾角越大,土体侧向大位移可引起更大的桩侧动土压力反应和桩基承台偏移量。但是,该文试验结果表明,桩基结构的倾斜在一定程度上弱化了其内力反应;无论是倾斜场地还是水平场地,桩身弯矩最大值均出现在非液化土层与液化土层分界面附近。     

堤防地基地震液化的数值模拟

基于Biot动力耦合理论,采用一个经过广泛验证的砂土循环弹塑性本构模型,建立了平面应变条件下土堤地基的地震液化数值模拟方法。以某河流堤防的实际工程为例,应用该方法对土堤地基的地震液化进行了数值模拟,并对地震作用下的超孔隙水压力、加速度、位移等动力反应进行了计算分析,得到了一些对于抗震分析有用的结果。