分层介质中波动传播分析的显式有限元法

基于单相固体介质，液固两相饱和介质和流体介质动力分析的显式有限元法，结合交界面边界条件和人工透射边界，建立了由单相固体介质、液固两相饱和介质和流体介质等不同类型层状介质形成的多层介质中波动问题分析的显式有限元法。该方法可以直接进行逐步积分，而不需求解联立方程组，大大简化了计算过程，可以非常方便地用于分析分层介质的各种波动传播问题。     

基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅱ)——饱和多孔介质与固体间动力接触分析

基于物质点方法(material point method,MPM)理论框架,提出了处理饱和多孔介质与固体间动力接触问题的新方法。其中饱和多孔介质的动力学响应通过文献[1]中发展的耦合物质点方法进行分析,单相固体的力学行为由传统单相物质点方法进行预测。通过本文提出的接触算法使二者相结合,在保证饱和多孔介质与固体间不存在相互穿透的前提下,允许饱和多孔介质与固体间的相互滑动,以预测整个接触/碰撞系统的动力学响应。同时进行了数值算例计算,通过算例验证了此方法的正确性,展示了此方法有效性。     

弹性饱和多孔介质在非轴对称荷载下的稳态动力响应

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求出了弹性饱和多孔介质Biot方程在非轴对称情况下的级数解。首先把饱和多孔介质固体骨架位移和孔隙流体压力用级数展开 ,建立了级数系数函数满足的微分方程组 ;然后把未知函数按一定方式进行组合 ,使方程组进一步简化 ;再应用Hankel变换把关于两个变量的微分方程组转化为只有一个变量的微分方程组 ;最后解微分方程组 ,得到了有关函数的Hankel变换。接着 ,以Biot方程在非轴对称情况下的Hankel变换解为基础 ,给出了饱和多孔介质总应力分量和孔隙流体相对于介质骨架位移的Hankel变换表达式。作为特例 ,在文章的结尾部分还应用Biot方程的解得到了半空间弹性饱和多孔介质分别在表面非轴对称竖向简谐荷载和水平简谐荷载作用时的稳态动力响应。所有这些结果都对研究饱和多孔介质的动力响应特性和有关工程领域有一定意义。     

饱和软土动力响应的弹粘塑性有限元分析

采用基于混合物理论的多孔介质模型,将饱和软土的固体相视为弹粘塑性体,建立了饱和软土的弹粘塑性模型。根据饱和软土两相多孔介质的控制场方程,利用罚参数法和Galerkin加权残值法,推导得到饱和软土动力响应的有限元基本方程,采用了Hughes隐式－显式的求解算法。通过相关理论编制了有限元程序,模拟分析了桩基对饱和软土作用的动力响应,指出了土动力响应的一些特点,揭示了桩基对饱和软土作用的相关机理。     

两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析

基于增量形式的流体饱和两相多孔介质弹塑性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行计算和分析,从而揭示流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应的规律.计算结果表明:两相介质弹塑性位移反应峰值要大于相应的弹性位移反应的峰值,并且弹塑性位移反应峰值出现的时刻滞后于弹性位移反应峰值出现的时刻;两相介质弹塑性速度反应与相应的弹性速度反应的差别并不显著.数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的一种有效的方法.     

饱和多孔介质中热弹性波传播特性研究

在饱和多孔介质热流固耦合动力响应模型基础上,建立了饱和多孔介质热流固耦合热弹性波动理论,研究了热物性参数对波的传播特性的影响。通过引入势函数,推导了饱和多孔介质体中热弹性波的弥散方程,重点分析了热膨胀系数对p_{1、p2、T和S波的波速的影响,结果表明:热膨胀系数对p1和p2的影响较大,热流固耦合效应不可忽视。与饱和多孔介质中弹性波的传播特性对比分析验证了本文结果的正确性。}     

基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅲ)——两相物质点方法

在传统物质点方法的基础上发展了用于饱和多孔介质动力学分析的两相物质点方法(two-phase material point method,tMPM)。由于饱和多孔介质由固体骨架与孔隙流体组成,两相物质点方法通过引入两套物质点,分别表征固体骨架变形与孔隙流体流动。应用饱和多孔介质u-U形式控制方程,推导了两相物质点方法控制方程离散形式,以固相与液相位移作为基本未知量。采用同传统物质点方法相同的时间积分形式,两相物质点方法成功模拟了饱和多孔介质中固体骨架与孔隙流体间的相互作用;并且通过数值算例中两相物质点方法解与有限元参考解的比较验证了两相物质点方法的正确性。     

考虑桩底土层波动效应的饱和黏弹性半空间中摩擦桩竖向振动

为深化对饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩竖向振动特性的认识,基于Boer多孔介质动力控制方程组,考虑桩底土层波动效应,采用Hankel积分变换和微分算子分解理论求解相关方程得到桩底、桩侧反力,进而建立饱和土中桩基竖向振动偏微分方程,结合桩土接触面混合边值条件推导得出了饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩桩顶竖向动力阻抗解析表达式。并在此基础上进一步通过数值算例对比分析探讨了液固耦合系数、桩长径比、桩土模量比、地基土黏滞阻尼系数这些重要因素对所得桩顶动力阻抗的影响规律,得到了一些对工程实践有意义的结论。     

饱和粘性土主固结与次固结变形分析

<正>一、前言饱和粘性土属饱和多孔介质,它是由土粒固体骨架和充满在骨架内的液体孔隙水所组成。当这些饱和多孔介质受外力作用后可以表现出弹性、粘性、塑性、粘弹性、弹塑性和粘塑性等诸多力学性质。研究它的这些变形特性,尤其是粘弹性变形,对於正确指导工程实践有一定意义。 饱和粘土的压缩变形通常以K.Terzaghi的固结理论为依据,这个理论可以归结如下两个方面:其一是饱和粘土受压后,由于孔隙水在压力作用下被排出而发生体积压缩;其二从应     

饱和黏弹性半空间中摩擦桩的竖向振动

为深入了解饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩的竖向振动特性,基于Boer多孔介质理论,考虑激振频率对摩擦桩桩底土体动刚度的影响,采用平面应变模型并结合桩土接触面的混合边值条件,推导求解得出了饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩的竖向动力阻抗模型公式和桩顶速度时域响应解并验证了其合理性。进一步通过参数化对比分析探讨了桩基埋深比和土体渗透系数对所得竖向动力阻抗和桩顶速度时域响应的影响规律。解析推导得出的对应竖向动力阻抗模型公式和桩顶速度时域响应解,丰富了桩基动力学的理论,可为相关工程实践提供参考和理论支持。     

饱和度对平面P波入射下自由场地地震反应的影响分析

场地土的特性是影响场地地震反应的重要因素。以往自由场地震反应分析中常假定场地土为单相介质或两相饱和多孔介质,而在实际工程中,常会遇到非饱和土的相关问题。目前对非饱和土波动特性的研究尚处于起步阶段,关于土体饱和度的变化对自由场地地震动的影响亦只针对准饱和土(饱和度Sr≥90%)的情况。为研究Sr90%时,饱和度变化对自由场地地震动的影响,建立了非饱和土自由场地地震反应分析模型,在现有的非饱和多孔介质波动方程的基础上,对平面P波入射情况下场地中的波场进行分析,根据场地边界条件,求得到平面P波入射情况下非饱和土自由场地地震地面运动的解析解答,通过计算,系统地分析了入射角度、频率、土层刚度、孔隙率不同时,土体饱和度变化对非饱和土自由场地地震地面运动的影响,得到了非饱和土自由场地地震反应的一般规律。     

连续孔隙介质土力学及其在非饱和土本构关系中的应用

首先论述了土力学的理论基础仍然很不完善,仍处于半理论、半经验的发展阶段,它还缺少统一的理论基础。指出:连续孔隙介质土力学是以多相孔隙介质理论为基础描述自然界中土的行为的一门科学,它(或多相孔隙介质理论)可以作为土力学统一的理论基础。然后介绍了连续孔隙介质土力学的理论基础,讨论了多相孔隙介质理论的整体平衡方程的建立以及土力学中控制方程的选择和确定。针对非饱和土问题,利用多相孔隙介质理论(包括热力学和内变量理论),基于3种广义应力即非饱和土的有效应力(式(22))、基质吸力和气相压力作为3个独立的应力状态变量,提出并详细地论证和推导了考虑气相的能量耗散和塑性体积变形的非饱和土弹塑性本构方程。     

饱和孔隙介质中的格林函数及边界积分方程

根据Biot理论,利用势函数方法建立了频域内孔隙介质的二维格林函数;利用格林函数和孔隙介质中的互易定理,建立了孔隙介质的边界积分方程.通过引入二维弹性静力学解和二维La-place方程的基本解,处理了边界积分方程中的柯西主值积分问题.笔者的研究为应用边界元方法求解孔隙介质中的二维动力问题提供了理论基础.     

超限高层小震设计与中震设计的对比分析

超限高层的抗震等级往往取为一级或特一级。较高抗震等级结构的内力调整系数较大,导致小震弹性设计内力放大较多,甚至超过中震的内力设计值。通过详细的分析,给出小震设计内力与中震设计内力的对比,并提出相应的设计建议,为实现性能设计提供参考。     

Responses of a cylindrical lined tunnel due to internal dynamic load in two distinct mediums: Ideal elastic and saturated porous medium

The dynamic responses of a lined tunnel subjected to dynamic loading is one of the key issues that needs to be addressed prior to the design and construction of tunnels. While the tunnel lining and surrounding soil are commonly designed in ideal explosion-proof engineering as ideal elastic media to simplify the problem, in reality; soils are porous geo-materials. Therefore, the concern is whether this practice is more conservative or close to the reality, in contrast to the scenario where the surrounding soil is assumed as a saturated porous medium. This study investigates the differences and relationships between the dynamic responses of the lining structures in two immensely disparate media: ideal elastic medium and porous saturated medium. Firstly, to avoid the complexity of 3D numerical studies, 3D analytical solutions for the responses of the lined tunnel in both the ideal elastic medium and porous medium due to internal dynamic loading are derived using Fourier and Laplace transforms. Also, the differences between the dynamic responses (e.g., the radial displacement, radial effective stress, and hoop effective stress) of the lining structures in two media are determined to assess the rationality of assuming that the soil around the lined tunnel is an infinite elastic compressible medium. Finally, the influence of the porosity on the dynamic response of a cylindrical lined tunnel subjected to dynamic loads is examined.     

Revisiting the methods for gas permeability measurement in tight porous medium

Permeability is a key parameter to describe fluid transport properties of porous medium; however, the permeability measurement is extremely difficult for tight porous medium, e.g. fine-grained rock or dense soil. In this paper, three methods for gas permeability measurement, i.e. steady state method, pulse decay method (PDM) and pressure oscillation method (POM), are first reviewed and then their advantages and drawbacks are discussed. Both analytical and numerical solutions of gas permeability are presented for the tight porous medium. The results show that the analytical method is relatively simple but only valid under certain conditions, whilst the numerical method is more robust and generic, which can take into account several factors such as porosity, saturation, gas leakage, and unconventional boundary conditions. The influence of the effective porosity on the permeability determination is further analyzed using the proposed numerical method. In this study, new pressure data interpretation procedures for PDM and POM are proposed, and the obtained results can serve as a guidance to define a proper method for permeability measurement of the tight porous medium.     

基于隧道空间全波场二维数值模拟与特征分析

基于隧道地震波场二维数值模拟是研究隧道超前探测过程中地震波传播规律的基础,目前关于这方面的研究均建立在隧道侧壁观测系统的基础上,并且把隧道空间作为与周围地层具有同样弹性参数的均匀介质考虑,因此不能实现全波场模拟,与实际存在差异。基于实际隧道空间,建立了更加接近实际的隧道地质模型,实现了隧道空间的二维全波场模拟。通过二维全波场模拟及实例结果对比分析表明：① 采用空间四阶时间二阶交错网格有限差分法能有效实现基于隧道空气介质的二维全波场模拟;② 当地质界面倾角为90°时,掌子面附近激发的共激发点观测系统比侧壁的共接收点观测系统更有利于反射波的获取;③ 随着地质界面倾角的减小,界面同侧激发和接收的反射波能量增强;④对于局部地质体和大倾角地质界面,掌子面附近激发横波能量强于纵波,有利于横波成像。     

二层水平介质球面波正反演联用与震源定位

二层水平介质中原几何平均震源定位方法,无法直接确定震源的水平坐标,推广至任意水平层状介质时,包含震源深度的定位参数难以确定和修正,且难以确定震源所在层。根据将水平和铅垂坐标分离、并去根号的走时方程,反演出发震时刻,并合理修正,根据水平层状体系中球面波波阵面的正演方法,得到含震源空间坐标的非线性方程组,求解可得震源的水平和铅垂坐标。各种定位条件下的定位计算表明,正反演联合运用法的水平和铅垂坐标误差的较大值,均不大于几何平均法的震源深度计算误差,且正反演联用法比几何平均法更适合于深震源定位。对参数敏感性的分析表明,发震时刻对定位参数不敏感,震源位置误差对波速、波速比的敏感性介于几何平均法和经典线性法之间。正反演联用法不能改进几何平均法不适应较大水平竖直距离比和较大、较小埋深比的缺点,仍建议在地(矿)震易发区布置台站,并与经典线性法结合使用。正反演联用法不需要确定和修正含震源深度的定位参数,且便于逐层排除和确定震源所在层,因此将比几何平均法更适合于任意水平层状介质中的震源定位。     

饱和正冻土多孔多相介质的理论构架

通过对冻土多孔多相微元体的平衡方程、各相成分之间的变形协调方程 ,推导出冻土体 (考虑土骨架与冰颗粒之间相互作用力---冻胀力 )的有效应力原理、正冻土单元的连续性方程及各相成分的能量转换与传递方程 ;在此基础上提出了正冻土的控制微分方程的理论框架 ,从而建立了在多孔固液介质的质量守恒方程与多孔多相介质的热、能守恒方程的基础上的全面考虑冻土中骨架、冰、水三相介质水、热、力与变形真正的耦合作用的数理方程 ,比当前国际流行的正冻土流体动力学模型、刚冰模型和热力学模型更全面地描述了正冻土的水、热、力与变形的实际状态