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。     

移动荷载下有限深度Winkler地基上梁的动力响应研究EI北大核心CSCD

基于考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁理论,建立移动荷载作用下弹性地基上有限长梁的横向运动方程。利用模态叠加法求得移动荷载作用下有限长梁动力响应的解析解,进而以移动荷载离开时梁的响应为初值,采用分离变量法求得有限长梁自由振动的一阶近似解;通过数值计算和参数分析,揭示了移动荷载作用下有限深度Winkler地基上简支边界梁的动力学特性,分析地基深度、地基黏滞阻尼系数和荷载移动速度等对有限长梁受迫振动阶段和自由振动阶段动力响应的影响,全面揭示有限深度土体运动对临界速度的作用效应。结果表明:地基深度显著降低了临界速度,且弹性地基黏滞阻尼明显延长了自由振动衰减时间;荷载移动速度加剧了有限深度弹性地基与其支承梁的相互作用效应,系统振动的幅值和响应周期均发生显著变化。     

隧道施工期扰动对运营期隧道-土体系统动力响应的影响分析

地铁盾构隧道施工会造成地基土体扰动,由此产生的土体刚度退化会影响地基土体的振动响应。为考虑近场施工扰动对后期隧道系统动力响应的影响,提出了一种静力有限元和2.5维动力有限元联合的求解方法。首先,基于饱和土的波动方程,推导了以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的饱和土2.5维有限元表达式,结合拉伸函数构建完美匹配层边界,建立u-p格式下饱和地基下的2.5维有限元-完美匹配层动力模型。其次,采用静力有限元模拟隧道施工,确定由于盾构隧道施工扰动引起的地基土体剪切刚度退化值。最后,将退化的土体剪切刚度代入2.5维动力模型,实现施工扰动对系统动力响应的影响分析。基于该方法,探讨不同地基土体和隧道形状时盾构隧道开挖施工对地表振动响应的影响。结果表明：隧道施工会增大地表土体的竖向振动位移,距离隧道越近,隧道施工引起的地表竖向位移增量越大,最大值出现在隧道中心线处;圆形和矩形隧道下的振动响应小于椭圆形隧道。     

移动荷载作用下饱和地基上板式轨道动力分析

采用半解析法研究了列车荷载作用下板式轨道-下卧饱和土体系统的动力响应问题.采用双层弹性Euler梁来模拟板式轨道中的钢轨和轨道板,采用弹簧-阻尼器来模拟轨下垫圈.列车荷载采用一系列移动的点荷载来模拟,下卧土体采用多孔饱和半空间模型,并假定半空间土体表面与轨道板接触面完全透水.利用Fourier变换方法在变换域内求解轨道和土体的控制方程,饱和土体动力响应在时域内的结果通过快速Fourier变换求得.文章中主要研究了轨道板刚度和土体渗透系数对土体位移和加速度响应的影响.研究表明,土体中液相介质的存在会对土体的振动响应产生很大影响,且适当增大轨道板刚度可有效控制高速列车引起的土体动力响应.     

移动简谐载荷作用下层状地基-轨道耦合系统动力响应分析

采用格林函数方法求解层状地基-轨道耦合系统在移动简谐载荷作用下的动力响应问题。通过求解层状地基表面作用移动均布线载荷时的动力格林影响函数,由位移连续条件实现层状地基与轨道的耦合,求得移动简谐载荷作用下频率-波数域内的系统动力响应,最后通过傅里叶逆变换求得时间-空间域内的动力响应;与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间地基和基岩上单一土层地基-欧拉梁耦合系统为模型,研究载荷振动频率、移动速度、地基刚度以及土层厚度对动力响应的影响。研究表明移动简谐载荷频率较高时与移动静载荷情况不同,不再具有跨音速时地表位移幅值最大的规律;成层地基-轨道耦合系统在移动简谐载荷作用下的动力响应与均匀地基情况存在显著差异,当载荷频率与层状地基固有频率接近时,地基表面位移幅值较大;另外随着基岩与土层剪切波速比的增大,载荷以超音速经过后地基表面位移振动更加剧烈,振动时间更长,随着土层厚度的增大,位移幅值逐渐向低频区域迁移。     

埋置点源简谐荷载作用下Gibson土体动力Green函数

采用Hankel积分变换方法,研究了Gibson地基在内源简谐荷载作用下的动力响应问题;通过构造积分围道技术,利用对围道上奇点的特殊处理,以消除驻波相来满足实际波的辐射条件,得到了Gibson地基埋置点源简谐荷载的动力Green函数。通过具体算例,分析了地基土体非均质性、荷载埋置深度和激振频率等因素对地基土体表面竖向位移的影响。结果显示:(1)荷载埋置深度和荷载激振频率对地基表面位移幅值大小和波动性都影响较大;(2)低频荷载作用下,地基土体的非均质性对其表面位移有较大影响。     

上覆非饱和层的饱和地基稳态响应分析

基于多孔弹性饱和介质及多孔弹性非饱和介质的动力控制方程,研究了上覆非饱和层的饱和半空间成层地基在竖向谐振荷载作用下的稳态响应问题。通过引入位移函数,并利用Cauchy-Reimann条件,分别求得了Fourier变换域内饱和土与非饱和土的位移、应力和孔压的一般解;结合不同的边界条件和连续条件,经过Fourier逆变换,得到竖向简谐荷载作用下成层土的稳态响应积分表达式;当将上覆非饱和层饱和半空间分别退化为均质饱和弹性半空间及上覆弹性层饱和半空间时,结果与已有结果均吻合得较好。通过数值算例分析,着重研究了上覆非饱和土层的饱和度、厚度以及地表透气透水条件对动力响应的影响。     

半无限弹性空间中移动荷载动力响应的频域-波数域比例边界有限元法分析

基于Fourier积分变换和虚功原理,形成了频域-波数域比例边界有限元法,分析了移动荷载作用下半空间域弹性空间动力响应。首先对半无限域弹性体的动力控制方程进行时间到频域,荷载移动方向的空间域到波数的Fourier积分变换,然后选择比例中心,利用虚功原理,在地铁隧道孔洞横截面环向上采用有限元法意义离散,建立了频域-波数域比例边界有限元方程,进而形成了一阶微分矩阵方程形式的半无限空间动力刚度。文中理论推导表明:利用文中方法分析半无限域中沿地铁隧道结构纵轴向的移动荷载动力响应问题,不仅可避免无穷边界计算处理误差,而且可极大减小计算分析量。计算结果表明:半无限弹性地基的振动响应随移动荷载速度增大而增大,尤其是当荷载速度增大到土体剪切波速后,振动波传播到土体表面引起土体振动显著增大,土体振动性增大,将会对土体及表面结构的安全性形成一定影响,另一方面土体的振动在沿地铁隧道纵轴向的衰减比竖向慢。     

水位变化对于移动荷载作用下土体动力响应的影响研究

采用上覆弹性层饱和地基土模型描述水位于地表以下的地基动力响应问题,利用改变弹性层厚度模拟土体中水位的变化。基于Biot饱和多孔介质动力方程和层间连续性条件,求解出上覆弹性层饱和半空间频域波数内位移场表达式,通过Fourier逆变换得到3维空间域的结果,研究了水位变化对于土体动力响应的影响。数值计算结果表明,水位的变化会对地基中波的传播产生一定影响。当水位离地面较深时,地面竖向位移值与弹性半空间情况类似;随着水位上升,弹性层和饱和半空间界面上的反射波会对地面竖向位移产生影响,导致地表位移值较弹性半空间下的结果有所增大,当水位接近地表时,位移值变化类似于饱和地基土。     

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。     

移动列车荷载作用于单层Euler梁上时地基土的变形分析

以弹性波动理论及分层法为基础,提出一种计算车辆-轨道-地基土耦合体系动力响应的方法,其中将列车荷载分别简化为移动荷载、单自由度移动质量块及双自由度移动体系,轨道模拟为单层的Euler梁.考虑车辆-轨道-地基土的协同工作,计算地基土的变形.计算分析表明:1)地基土变形最大值出现在荷载作用点附近;2)将列车荷载仅仅简化为移动荷载是不合理的;3)车辆重量对地基土变形影响较大;4)车辆与轨道结构本身均有一定的减振功能.同时,与同类研究方法相比,该方法有计算量小的优点.研究成果可为研究由列车振动荷载引起的环境振动分析和评价提供参考.     

移动谐振荷载作用下曲线轨道钢轨动力响应求解方法研究

将曲线轨道视作周期性轨道结构,根据周期性结构的振动特性,可将荷载作用下曲线轨道钢轨动力响应的求解问题转化在一个基本元之内进行。通过引入移动谐振荷载作用下曲线轨道钢轨的数学模态,得出了曲线轨道钢轨频域响应的级数表达。在频域内采用模态叠加法表示钢轨的弯曲及扭转变形,进而求解得出钢轨的频域动力响应。经研究发现:移动荷载作用下曲线轨道钢轨响应显著的频段位于荷载激励频率附近,随着荷载移动速度的增加,荷载激励频率附近一个很窄频段内的位移响应将有所减小,但其它大部分频段内的位移响应将显著增大;随着荷载移动速度的增加,移动谐振荷载引起的钢轨响应峰值变化不大,但响应显著的持续时间变短;离散支承引起的参数激励受速度的影响显著;采用曲线梁模型模拟曲线轨道钢轨所得垂向动力响应结果与直梁模型基本一致,可以采用直梁模型近似研究曲线轨道钢轨垂向动力响应;当对曲线轨道钢轨进行精细化建模分析时,曲线半径对曲线钢轨扭转振动有一定程度的影响,需采用曲梁模型研究曲线轨道钢轨动力响应。     

高速列车荷载作用下无砟轨道地基竖向耦合动力响应研究

建立高速列车荷载作用下车辆系统-无砟轨道-地基耦合动力模型,通过Fourier变换求解弹性半空间地基土体的动力控制方程,同时根据轨道底座与半空间的接触条件得到了弹性半空间表面竖向位移在频域内的表达式,再采用快速Fourier 变换求得了时域内的土体位移解。结合算例,分析了列车速度、轨道结构参数等因素对地基动力响应的影响。研究结果表明:板下调整层弹簧刚度系数越大,地基土动力响应越大,地表振动越大;底座弯曲刚度越大,地基土动力响应越小;随着列车速度增加,地基土动力响应增大;距离轨道中心处越远,地基土动力响应越小。     

移动荷载下下卧基岩Gibson地基的动力响应

针对G ibson地基模型,研究了在移动荷载作用下土体的动力响应。基于弹性方程,通过傅立叶级数展开将偏微分方程转化成常微分方程求解,得出了下卧基岩G ibson地基在移动荷载作用下土体中各点的响应,并讨论了在参数变化时土体各点响应的变化。从分析结果来看,表面土体的剪切模量G0的增大、剪切模量变化率α的增大、荷载移动速度c的减小和层厚H的减小都使土体中各点的竖直方向位移减小,当层厚到一定厚度时,可以忽略下卧基岩的影响,简化为半空间模型来考虑。     

考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁自由振动分析

利用Winkler地基梁理论,考虑有限深度土体运动的影响,建立了弹性地基梁的线性运动方程。采用分离变量法,求得弹性地基梁的模态构型、固有频率和有阻尼自由振动。通过数值计算和参数分析,揭示了有限深度Winkler地基上固支-自由梁的线性动力学特性,分析了土体质量、地基深度和阻尼等对系统固有频率和线性自由振动响应的影响。研究结果表明:若将有限深度土体运动引入到弹性地基梁的动力学模型,系统的固有频率将显著降低;土体质量和地基深度均抑制阻尼对弹性地基梁动力响应影响的发挥,在一定程度上减慢其动能耗散的速度。     

含液饱和多孔二维梁的动力特性分析

基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,分析了含液饱和多孔二维简支梁的动力响应,其中考虑了固体颗粒和流体的可压缩性以及孔隙流体的粘滞性。通过Fourier级数展开和常微分方程组的求解,得到了含液饱和多孔二维梁动力响应问题的解,并将其退化为单相固体二维梁的情形与Bernoulli-Euler梁和Timoshenko梁的自由振动相比较,验证了该文方法的正确性。作为数值算例,分析了含液饱和多孔二维梁的自由振动以及在均布简谐荷载作用下的动力响应特性,分析了表面渗透条件、孔隙流体渗透系数和荷载频率等参数对含液饱和多孔二维梁的自由振动频率、固相位移和孔隙流体压力等物理量的影响。     

弹性支承曲线梁在移动荷载作用下动力响应研究

为探究弹性类支座对桥梁结构振动机理的影响及进一步发展曲线梁的车致振动理论,提出一种将弹性支承曲线梁振动形式考虑为弯曲变形和刚体位移组合的方法,建立简化计算模型,利用Garlekin 法和积分变换法推导移动荷载作用下弹性支承曲线梁的动力响应解析解,并验证本文方法的正确性。通过数值算例分析弹性支承曲线梁在移动荷载作用下的振动机理,以及支座刚度、曲率半径等相关参数对弹性支承曲线梁动力响应的影响规律。研究表明：曲线梁的支座约束情况发生变化会对桥梁结构的动力特性和动力响应造成差异明显的非线性影响,其支座竖向刚度越小,桥梁动力响应越大,不可直接将其简化为刚性支承梁;小半径弹性支承曲线梁与直线梁相比,其曲率半径对桥梁动力响应的放大效应十分显著,同样不可忽略。     

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。     

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。     

轨道结构在移动荷载作用下的周期解析解

为研究列车振动在地表的传播规律,推导了轨道结构在移动荷载作用下动力响应的解析解形式。文中首先以Duhamel积分为基础,应用动力互等定理,得到了移动荷载作用下,半无限弹性空间体上任意点的动力响应的一般表达式;然后在该式的基础上,针对轨道结构的周期性特点,将荷载沿钢轨的移动问题转化为拾振点以L为周期向反方向跳跃式移动与荷载只在一个轨枕间距L内移动的组合移动问题。以此,将一个从-∞到+∞的积分问题转化为了任意点频域周期解析的叠加问题,从而得到了轨道结构在移动荷载作用下动力响应的新的解析解形式。