半封闭圆柱形衬砌结构振动响应的解析解

假定衬砌和土骨架都为Kelvin-Voigt黏弹性体,在频率域内采用解析方法研究了轴对称荷载和流体压力作用下圆柱形半封闭衬砌结构稳态振动问题.利用Biot理论和平面黏弹性理论分别模拟饱和土体和衬砌结构,通过引入位移势函数,得到了隧洞边界部分透水条件下饱和黏弹性土和衬砌结构动力相互作用的解析解.利用衬砌结构内边界及土体与衬砌结构界面处的连续性条件,确定衬砌和土体位移、应力和孔压表达式的待定系数.在此基础上,分析了渗透系数、流体压缩性系数及衬砌的黏性阻尼系数对饱和土和衬砌结构动力响应的影响,并与已有的解析结果进行了对比.     

饱和黏弹性土中端承桩扭转振动的对比分析

采用Kelvin模型模拟饱和土体和桩的相对滑移,在频率域内研究了饱和黏弹性土层中端承桩的扭转耦合振动.饱和土体的力学行为利用Biot模型描述.将土骨架视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,采用Novak薄层法,得到了桩扭转振动时饱和黏弹性土层的动力阻抗.利用Euler-Bernoulli杆模型模拟桩的力学行为,给出了饱和分数导数黏弹性土层中端承桩扭转振动的分析方法和桩顶动力复刚度的解析表达式.在此基础上,分别对以下几个方面进行了对比分析：经典弹性模型、分数导数黏弹性模型和标准线性固体模型的结果;三维模型和薄层法的结果;桩土界面有无相对滑移的结果.考察了分数导数模型参数、饱和土和桩各参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响.结果表明：在高频处完全接触条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的振幅小于滑移条件下;随着阶数和材料参数比的增加,桩顶刚度因子和等效阻尼都有所减小.     

横观各向同性土——半封闭隧道衬砌相互作用分析

土体在沉积过程中存在各向异性,将土体视为各向异性体更为合理。考虑土体和衬砌的相互作用,基于饱和多孔介质理论和弹性理论,在频率域内研究了简谐荷载作用下横观各向同性土———半封闭圆形隧道衬砌简谐耦合振动。通过衬砌内边界应力连续以及土体和衬砌界面处应力和位移协调,得到了饱和横观各向同性土和衬砌的位移、应力和孔压解析表达式。利用衬砌中流体速度和土体中流体速度相等,建立了隧道部分透水边界条件,得到了待定系数的具体表达式。数值算例分析了土体和衬砌物性和几何参数的影响,表明:横观各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较大,而垂直于各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较小。另外,相对渗透系数和衬砌厚度对响应幅值有很大影响,而衬砌泊松比对响应幅值影响较小。     

具有半封闭隧道的饱和粘弹性土动力特性

考虑介质和流体的压缩性,根据Biot理论和弹性壳体理论,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土体-半封闭圆形隧道壳体衬砌系统耦合振动.将土体视为液固饱和多孔介质,选择反映介质流变特性的分数导数模型描述土骨架的应力-位移本构关系,又引入部分透水的边界条件,得到了饱和粘弹性土体中半封闭隧洞内边界分别在轴对称荷载和流体压力作用下位移、应力和孔压的表达式.进行了参数分析,研究表明:轴对称荷载条件下,分数导数阶数对系统响应的影响远大于流体压力情形下的动力响应,且存在明显的共振效应,但流体压力条件下不产生共振现象.     

黏弹性饱和土体中圆形隧洞动力相互作用

基于Biot波动方程，采用渗流力学耦合模型，研究了任意荷载条件下黏弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞衬砌 土动力相互作用问题.考虑衬砌材料和土体的多孔性质，隧洞处于半封闭状态，边界部分透水.通过引入4个势函数，并利 用Helmholtz分解原理，在Laplace变换域中得到任意响应模式下的应力、位移和超孔隙水压力解答.利用Laplace数值逆 变换在时间域中得到瞬时、移动等响应模式条件下的数值结果，并讨论了衬砌和土体的相对刚度对隧洞动力响应的影响. 结果表明：不同模式下隧洞的应力、位移和孔隙水压力响应有很大差异，且随相对刚度的增大而减小.     

饱和土中球形沼气池的动力响应

采用解析方法研究饱和土中球形沼气池的频域响应.将土体视为流固两相介质,饱和土体的动力学行为采用Biot理论模拟,建立具有球形沼气池饱和土体的动力方程.通过引入势函数,得到饱和土体的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.将模具结构视为均匀弹性介质,根据弹性理论,推导模具结构的位移和应力解.根据土体和模具结构接触面以及模具结构内边界的连续性条件,确定待定系数的具体表达式.与单相土中球形沼气池动力响应的结果、有无模具结构的结果、有限元方法、边界单元法进行对比分析.考察饱和土和模具结构各参数对位移和孔压幅值的影响,结果表明：流体压缩性系数对响应幅值的影响与接触面的孔隙水渗透性有关;边界透水情形下流固耦合系数对系统动力响应的影响远大于不透水情形下的系统动力响应.     

黏弹性饱和土中隧道在爆炸荷载作用下的动力响应

为了给隧道的抗爆防护设计提供理论依据,采用解析法研究了爆炸荷载作用下黏弹性饱和土体中圆形隧道的动力响应问题.假定爆炸发生在圆形隧道中心处,爆炸荷载采用峰值递减的三段突加三角形荷载,应用Biot波动方程模拟饱和土体,将土骨架视为Kelvin Voigt饱和土体,衬砌运动方程基于Flügge壳体理论,通过引入势函数,利用Laplace变换及数值逆变换,得到爆炸荷载作用下土体响应的时域计算结果,给出了在不同土体渗透性参数b*时的黏弹性饱和土中位移、应力的时程曲线,并与单相介质进行了对比;讨论了黏滞阻尼系数η对黏弹性饱和土中位移和应力响应的影响.数值分析结果表明：在爆炸荷载作用下,b*越大,位移和应力幅值振荡越显著,黏弹性饱和土中应力和位移响应幅值小于单相介质;在黏弹性饱和土中,η值越大,波衰减越快,位移和应力响应峰值越小.     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明:饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大.     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明：饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大．     

移动荷载作用下路面板与饱和弹性地基的动力响应

将路面板作为三维弹性体,建立路面-饱和弹性地基动力响应的层状弹性半空间体模型,对移动荷载作用下路面板-饱和弹性地基系统的动力特性进行了分析.将移动单元法引入到饱和弹性土介质的半解析方法中,构造了随荷载按照相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下饱和弹性土介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了饱和弹性土介质移动层单元动力方程,该方程可退化为单相弹性路面板移动层单元动力方程,基于此,建立了移动荷载下饱和弹性地基与路面板系统的三维动态响应的统一的半解析方程.数值分析了饱和弹性半空间地基上路面板的动力特性,研究了荷载速度、饱和层渗透系数等参数对路面板位移和土体孔隙水压力响应的影响,研究结果可为路面结构的施工设计及路基动力响应分析提供参考.     

上覆分数阶粘弹性饱和场地土位移地震放大系数

考虑土体液相和固相的耦合作用,将基岩上覆场地土视为两相饱和多孔介质。为了考虑饱和场地土的粘弹性特性,其固相土骨架的应力应变关系利用分数阶Kelvin粘弹性模型来描述,建立了上覆分数阶粘弹性饱和场地土在简谐地震波作用下的运动控制方程。运用分数导数的性质并考虑上覆场地土的边界条件和透水性条件求解了上覆分数阶粘弹性场地土在简谐地震波作用下的振动问题,得到了饱和场地土的位移地震放大系数。采用数值算例分析讨论了分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比等参数对位移地震放大系数的影响。研究结果表明,分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比对饱和场地土的地震响应有较大的影响,通过压实场地土,可以达到增大液固耦合系数减小地震响应的作用,通过增大饱和场地土的粘性和剪切模量也可以减小地震反应。     

饱和黏弹性土中单桩的纵向振动

基于Biot两相介质模型,在频率域内研究了简谐荷载作用下饱和黏弹性土中桩纵向耦合振动特性.借助Novak平面应变模型推导了饱和黏弹性土层的控制方程.将桩等效为一维杆件模型,建立了桩的振动方程.根据桩土连续性条件,求得了桩顶的动力刚度和动力阻尼.与Novak解进行了对比,并考察了长径比、流固相互作用系数、土骨架的阻尼比、桩土模量比等参数对饱和土桩系统纵向振动的影响.结果表明：单相和饱和黏弹性土中桩的动力特性存在一定差异;随着长径比的增加,动刚度因子和等效阻尼的共振效应明显减弱;而随着模量比的增加,共振效应和基频都有所增大;流固相互作用系数和土骨架的阻尼比影响相对较小.     

考虑桩体剪切变形的分数导数黏弹性土层中单桩水平振动

建立了分数导数黏弹性（FDV）土层的水平振动控制方程,在Novak平面应变假定的基础上,求得FDV土体的水平动力等效刚度和阻尼.利用等效Winkler动力弹簧-阻尼器模型描述桩基和土体之间的动力相互作用,将桩体简化为Timoshenko梁模型,在同时考虑桩体弯曲和剪切变形的情况下建立了单桩水平振动的控制方程,求得了考虑桩体剪切变形的FDV土层中单桩的水平动力阻抗,讨论了分数导数的阶数、土体本构模型参数和桩体剪力形状系数对桩顶水平动力阻抗的影响.研究表明：对FDV土层中单桩的水平动力阻抗,采用Euler梁模型和Timoshenko梁模型得到的结果存在较大差异;分数导数的阶数主要对桩顶水平动力阻抗随频率变化曲线的峰值有的影响;FDV土体本构模型参数Tσ/Tε越小,桩顶的水平动力阻抗越大.桩体剪力变形系数对桩顶水平动力阻抗有较大影响.     

任意荷载下黏弹性饱和土体中球壳的动力响应研究

工程实践中经常需要解决无限大弹性体内球壳的动力响应问题.采用Biot波动理论，对黏弹性饱和
土体中球壳的动力响应问题进行研究分析.利用Helmholtz分解原理，通过引入势函数，在Laplace变换域
中得到任意响应模式下球壳的动力响应解答.最后利用Laplace数值逆变换得到时间域中的数值结果，讨
论了在球壳内作用有轴对称荷载和流体压力两种情况时不同响应模式条件下球壳动力响应.球壳内作用有
轴对称荷载时接触面上的径向位移随n值的增大而减小，孔隙水压力开始有较大振荡；球壳内作用有流体
压力时在瞬时响应模式下位移趋近于零，而孔隙水压力变化相对平缓.结果表明,对于黏弹性饱和土体中
的球壳在不同的边界条件和响应模式下动力响应差别很大.