DYNAMIC RESPONSE OF SATURATED POROUS ELASTIC FOUNDATION UNDER POROSITY ANISOTROPY$^{\bf 1)}$

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.     

饱和多孔黏弹地基热-水-力耦合动力响应分析

天然土体由于沉积条件和应力状态不同, 往往会表现出一定的流变性. 本文研究地基上表面受外载荷作用时, 渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理论, 并引入了考虑黏弹性松弛时间因子的Kelvin-Voigt黏弹性模型研究地基上表面受热/力源作用时, 孔隙率和渗透系数变化对均质各向同性饱和多孔黏弹性地基中所考虑的各无量纲量的影响. 根据不同的边界条件采用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度的解析表达式, 结合算例分析了不同变量对各物理量的影响. 正则模态法是一种加权残差法, 可不经正、反积分变换将方程快速解耦并消除数值反变换的局限性. 结果表明: 无论何种载荷作用时, 载荷频率变化对所有考虑的物理量均有明显的影响; 孔隙率和渗透系数均对无量纲超孔隙水压力有明显的影响, 当仅考虑热载荷作用时, 孔隙率和渗透系数变化对无量纲温度均无影响. 正则模态法可广泛应用于岩土工程领域, 尤其适用于商业建筑、高速铁路和公路能源基础的热、力学特性研究中. 该研究结果可为工程施工奠定一定的理论基础, 具有一定的指导性意义.      

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

轴对称热-力埋置载荷下半空间饱和孔隙介质的动力响应

基于修正的Biot热弹性本构理论,得到了饱和多孔介质热-力耦合的动力学控制方程.针对半空间孔隙介质在内置简谐热-力轴对称载荷作用下的动力问题,利用Hankel变换获得了响应的解析表达式,并利用Han-kel逆变换进行数值求解,分析了埋置深度、表面热边界条件等对响应的影响规律.结果表明:孔隙水压力在载荷作用处上方有负压出现;环向、径向及竖向应力在载荷作用处发生突变,且在载荷作用处上方均出现拉应力;在载荷作用处下方,孔隙水压力及竖向、径向和环向应力均随着深度的增大而减小.当内置热载荷仅设置温差,而无外热源输入时,温差对孔隙介质中的响应几乎不产生影响.当孔隙介质表面绝热时,孔隙水压力小于表面等温情况下的值.     

半空间饱和土内置点载荷作用下的热弹性波动

基于Biot波动理论及热弹性动力理论,利用已建立的饱和多孔弹性介质热流固耦合控制方程,研究半无限地基在内置点热力源作用下的动力响应问题. 求解过程引用Hankel变换技术,得到了热力源作用下土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答.利用Hankel数值逆变换得到计算结果,分析了热流固耦合条件下激振频率对竖向位移和孔隙水压力响应的影响. 对热流固耦合、热弹性和多孔弹性模型计算结果进行了比较.      

磁-电-弹性半空间在轴对称热载荷作用下的三维问题研究

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.      

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

黏弹性准饱和土中球空腔动力特性

在频率域内研究了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中球空腔的稳态动力响应. 通 过引入与孔隙率有关的应力系数合理地确定了介质和孔隙水共同承担的内水压力值. 将土骨 架和衬砌分别视为具有分数导数本构模型的黏弹性体和多孔柔性材料, 基于Biot两相介质模 型, 通过引入位移势函数解耦得到了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中半封闭球 形空腔的位移、应力和孔隙水压力解析表达式. 考察了物性和几何各参数对球形空腔动力响 应的影响, 结果表明: 分数导数本构模型更合理地描述了土体的动力学行为; 饱和度对应力 和孔隙水压力影响较大, 而对位移影响较小.     

直角坐标下横观各向同性饱和半空间体动力响应问题的解析解

基于双重Fourier变换技术，成功求解了直角坐标系下，横观各向同性弹性饱和多孔介质的三维Biot动力方程，得到了以固体骨架位移分量和孔隙流体压力为基本未知量的积分形式一般解．进而，用一般解给出了饱和介质的总应力分量表达式。在此基础上，研究了在任意分布的表面竖向和水平谐振力作用下，横观各向同性饱和半空间体的动力响应问题。数值结果表明，采用各向同性饱和介质的动力学模型，不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力性能。     

饱和土埋置力源的三维动力Lamb问题解答

基于一组弹性土波动方程，应用Fourier级数展开和Hankel积分变换，得到了三维问题饱和土骨架与孔隙水的应力及位移分量在变换域内的积分形式通解．考虑地基表面透水情形，由边界条件导出了半空间饱和土体在埋置力源作用下的三维动力Lamb问题的解答．给出了埋置水平力作用下地基表面竖向位移、径向位移及周向位移的数值解．该研究为运用边界元法求解饱和地基的动力响应课题奠定了理论基础．     

Research on coupled thermo-hydro-mechanical dynamic response characteristics of saturated porous deep-sea sediments under vibration of mining vehicle

The excessive deformation of deep-sea sediments caused by the vibration of the mining machine will adversely affect the efficiency and safety of mining. Combined with the deep-sea environment, the coupled thermo-hydro-mechanical problem for saturated porous deep-sea sediments subject to the vibration of the mining vehicle is investigated. Based on the Green-Lindsay(G-L) generalized thermoelastic theory and Darcy's law, the model of thermo-hydro-mechanical dynamic responses for saturated porous deep-sea sediments under the vibration of the mining vehicle is established. We obtain the analytical solutions of non-dimensional vertical displacement, excess pore water pressure, vertical stress, temperature, and change in the volume fraction field with the normal mode analysis method, and depict them graphically. The normal mode analysis method uses the canonical coordinate transformation to solve the equation, which can quickly decouple the equation by ignoring the modal coupling effect on the basis of the canonical mode. The results indicate that the vibration frequency has obvious influence on the vertical displacement, excess pore water pressure, vertical stress, and change in volume fraction field. The loading amplitude has a great effect on the physical quantities in the foundation, and the changes of the physical quantities increase with the increase in loading amplitude.     

条形荷载下梯度非均匀非饱和土的动力响应分析

基于多孔介质混合物理论, 建立了梯度非均匀非饱和土地基模型, 研究了条形荷载作用下梯度非均匀非饱和土地基的动力响应问题. 通过傅里叶积分变换和Helmholtz矢量分解原理, 获得频域内非饱和土地基动力响应问题的通解, 结合回传射线矩阵法和边界条件, 求解获得了非均匀非饱和土层中位移、应力以及孔隙压力的计算列式. 假设沿深度方向梯度非均匀非饱和土的物理力学性质按幂函数连续变化, 通过数值傅里叶逆变换得到了非均匀非饱和土地基中的应力、位移以及孔隙压力等物理量的数值解, 分析讨论了土体非均匀性对非饱和土介质动力响应的影响规律. 结果表明: 土体非均匀性显著改变了非饱和土中竖向位移、正应力和孔隙压力在其深度方向上的振动模态, 其中孔隙气压在其深度方向的振动频率随着梯度因子的增加而不断增大, 波峰值不断靠近地表处附近; 竖向位移随着梯度因子的增大不断减小; 正应力和孔隙水压随着梯度因子的增大先增大后减小, 并且土体非均匀程度越高, 正应力与孔隙水压的幅值越大.      

砂岩岩石力学参数各向异性研究

对胜利油田不同深度的四口井的砂岩岩芯进行了三轴压缩试验和动态岩石力学参数试验。根据获得的垂直地层方向和平行地层方向的试验数据,计算了各岩石力学参数的各向异性系数。通过分析围压以及深度对各向异性系数的影响,给出了砂岩峰值强度各项异性系数、静泊松比各向异性系数、纵波波速各向异性系数、纵横波速比和动泊松比各向异性系数与深度的拟合公式。发现峰值强度、纵波波速和纵横波速比的各向异性系数都随着深度的增加而减小,而泊松比各向异性系数随着深度的增加而增大。动、静弹性模量各向异性系数与深度相关性都很差,动弹性模量各向异性较弱,静弹性模量相对较强。     

爆炸荷载作用下饱和半空间中衬砌隧道弹性动力响应IBIEM模拟

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度间接边界积分方程法（IBIEM）研究了饱和半空间中浅埋衬砌隧道在内部爆炸荷载作用下的瞬态弹性动力反应。通过典型算例,给出了爆炸荷载作用下隧道附近地表位移、衬砌动应力、围岩径向位移和衬砌表面孔隙水压的时程响应,并对比分析了饱和半空间和全空间中隧道动力响应的区别。研究表明：覆土层厚度对浅埋隧道-围岩整体动力响应特征具有明显影响;衬砌表面透水状态对爆炸荷载的时程响应的影响不显著;随半空间饱和介质孔隙率增加,围岩受隧道内部爆炸影响程度降低,衬砌承担的爆炸作用增大;当和直达波、衬砌内部反射波的峰值叠加作用时,半空间表面反射波对衬砌隧道拱顶附近响应影响显著,使得衬砌动应力幅值、径向位移相比深埋情况大幅度增加。