粘弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞的瞬态响应

饱和多孔介质流-固耦合系统的动力学特性研究具有重要的学术理论价值和潜在的应用前景.研究了含衬砌的无限长粘弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞的瞬态响应问题,相关结论可用于饱和土隧道分析、核废料等污染物处置、地热资源开发等基础工程设计.首先,基于多孔介质混合物理论,建立了耦合系统动力学分析的控制方程、边界条件、连接条件和初始条件.其次,采用微分求积单元法和2阶向后差分格式分别在空间和时间域内离散了系统的控制方程.最后,利用Newton-Raphson迭代方法在初始条件下求得了系统的数值解,分析了耦合系统的瞬态响应,并考察了参数的影响,同时也验证了数值方法的有效性.     

基于多孔介质理论的非均质饱和土中单桩的纵向振动

为了考虑桩周土体沿径向的非均质特性,将桩周饱和土划分为内域饱和土和外域饱和土两部分,运用多孔介质理论和桩基动力学理论建立径向非均质饱和土-桩动力相互作用模型.在此基础上,利用Novak平面假定和数学物理方法并考虑桩-土系统的连续性条件和边界条件,求解了非均质饱和土中单桩的纵向振动,并得到了桩顶的复刚度.通过数值算例考察了内、外域饱和土力学性质的差异对单桩纵向振动的影响.研究表明,桩周饱和土弱化范围内、外域剪切模量比和密度比对桩纵向振动影响较大,而内、外域液固耦合系数的差异几乎没有影响.     

半空间各向同性弹性饱和多孔介质非轴对称动力响应分析

应用弹性饱和多孔介质非轴对称Biot方程的解,研究了半空间饱和多孔介质非轴对称动力响应问题。讨论了半空间饱和多孔介质在边界竖直方向和水平方向,存在非轴对称简谐荷载作用下的边界位移分布,给出边界竖向位移的数值计算结果,并对饱和多孔介质非轴对称动力响应特性进行了分析。     

饱和多孔介质渗流的强-弱不连续统一非局部模型

非均匀饱和多孔介质流体传输模拟关键在于需要考虑由孔隙、裂隙以及不同渗透性介质组成的强–弱不连续面,但这与经典连续介质力学局部流体模型所定义的偏微分方程是不相容的,从而导致饱和多孔介质渗流模拟的困难。基于统一变分近场动力学的基本思想,提出了一种向量态函数用于描述饱和多孔介质流体的非局部传输作用,并在此基础上建立饱和多孔介质流体输运的非局部空间积分–时间微分型控制方程。该非局部流体输运模型统一描述了流体在强–弱不连续面的力学行为,避免了传统局部力学模型在不连续界面处的导数无定义性,且从理论上证明,当非局部流体模型中的非局部作用半径趋于零时,非局部模型可退化为局部模型。为了消除非局部模型内在的零能模式问题,基于罚函数方法提出一种全隐式的数值求解格式以保证数值计算的精确性。最后通过算例分析,模拟了三维非均匀不连续多孔介质中流体的传输过程,揭示流体穿越物质界面、孔隙和裂隙的力学行为。为研究饱和多孔介质中流体在不连续界面传输的力学行为提供了一种分析模型。     

孔隙流体对饱和土中桩基础动力阻抗的影响

用流体饱和多孔介质材料描述土体,用间接边界元法分析饱和土中桩基动力阻抗,探讨饱和土中孔隙流体对饱和土中桩基础动力阻抗的影响。结果表明,孔隙流体对饱和土中桩基础动力阻抗有一定的影响,在地基土与基础结构动力相互作用研究应考虑地基土中孔隙流体的影响。     

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明：孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.     

基于损伤理论的多孔介质动力解析

介绍了多孔介质连续化方法和连续介质损伤力学研究的一般方法.采用宏、细观相连接的损伤模型,描述了多孔介质的骨架刚度和流体通道演变过程,在连续介质力学守恒定律的基础上,推出了非饱和土的动力方程.进而,可方便地退化为饱和多孔介质的动力方程和一维固结方程.图3,参11.     

层状土体固结中孔隙水压力消散规律的研究

基于Biot固结理论，采用状态变量法研究了层状饱和多孔介质轴对称固结问题．通过引入状态变量，利用Laplace—Hankel变换和矩阵理论提出了层状饱和多孔介质Biot轴对称固结问题状态变量法的一般解析表达式，并利用该解析解对层状饱和多孔土体固结过程中孔隙水压力的消散规律进行了详细的研究．文中数值算例给出了层状饱和多孔土体在固结中孔隙水压力沿水平径向和沿深度的分布，以及随固结时间增加，孔隙水压力消散规律的一些结论．     

基于多孔介质理论的径向非均质饱和土中管桩的扭转振动

运用多孔介质理论和多圈层法研究了径向非均质饱和土中单个管桩的扭转振动.考虑管桩桩周饱和土的非均质特性,将管桩桩周饱和土划分为扰动区域和未扰动区域,建立了径向非均质饱和土中单个管桩的扭转振动模型.基于Novak薄层法和多圈层法,利用数学物理方法求解了桩芯饱和土和桩周饱和土扰动区域、未扰动区域的扭转振动,并考虑土体边界条件和各圈层间的连续性条件建立了径向各圈层扭转剪切刚度的递推公式.考虑桩周饱和土和桩芯饱和土对管桩的动力作用,建立了管桩的扭转振动方程,得到了管桩桩顶的扭转复刚度.运用数值算例进行了对比分析和讨论.结果表明:研究饱和土中管桩扭转振动时需要考虑桩周饱和土的径向非均质性,高频时不应忽略液相的影响,在进行桩基设计时应重点关注管桩的几何尺寸.     

黏弹性流体饱和孔隙介质动力反应分析的显式有限元方法

黏弹性流体饱和多孔介质模型比单相介质或者弹性饱和孔隙介质更接近实际的土层介质,应用该模型研究土层介质的动力响应更为合理。用数值方法研究了半空间黏弹性流体饱和孔隙介质的动力时域响应。根据Biot黏弹性流体饱和两相多孔介质波动方程,采用解耦技术,建立了以固相位移和流相位移为未知量的黏弹性流体饱和孔隙介质动力分析的一种显式有限元法。该方法克服了隐式方法需要求解联立方程组的缺点,具有节省计算机内存空间和计算时间的优点。与解析解比较表明,该算法具有较高的计算精度;最后以一维黏弹性流体饱和孔隙介质为例,分析了黏性系数对动力响应的影响。     

流体饱和多孔隙介质中弹性波运动方程的解-伪谱法

本文提出了一种解流体饱和多孔隙介质中波传播方程的数值方法,并详细推导了该方法的计算公式．用此公式对单界面模型中地震波的传播进行了模拟,结果与Biot理论预测的相符。     

Influence of water saturation on propagation of elastic waves in transversely isotropic nearly saturated soil

Biot‘ s two-phase theory for fluid-saturated porous media was applied in a study carried out to investigate the influence of water saturation on propagation of elastic wave in transversely isotropic nearly saturated soil. The characteristic equations for wave propagation were derived and solved analytically. The results showed that there are four waves: the first and second quasi-longitudinal waves (QP1 and QP2), the quasitransverse wave (QSV) and the anti-plane transverse wave (SH) . Numerical results are given to illustrate theinfluence of saturation on the velocity, dispersion and attenuation of the four body waves. Some typical numerical results are discussed and plotted. The results can be meaningful for soil dynamics and earthquake engineering.     

弹性波在两种液体饱和多孔介质界面上的反射和透射

Biot理论用来研究弹性波在两种液体饱和多孔介质界面上的反射和透射,考虑到斜入射时模式转换的一般情况,对相当普遍的一组边界条件计算了能量反射和透射系数与入射角的关系。给出了一个数值解的例子。     

基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析

采用不可压缩饱和多孔介质的广义Biot理论模型,导出流体饱和两相多孔介质振动问题的有限元方程,并对港珠澳工程沉管隧道段自由场进行数值模拟计算.计算结果表明,相对于传统的单相介质自由场而言,饱和两相多孔介质自由场地表加速度峰值有所降低;实际场地的地形地貌对孔隙水压力有显著影响;多孔材料的渗透系数增大,可能会导致其孔隙水压力降低;同时输入地震作用的大小也会影响场地地震液化的评估.由此可见,基于不可压缩饱和多孔介质的数值模拟方法在场地地震液化分析中可行,其结论可以应用在其他工程场地分析中.     

声波在液浸多层多孔介质中的反射和透射

根据Biot多孔介质声学理论和多孔介质界面条件,从理论和实验上研究了声波在液浸层状多孔介质中的反射和透射.从导出的计算公式可知,声波的反射、透射系数与声波的频率、入射角及各层多孔介质参数(厚度、孔隙度、弹性参数等)有关.对水浸单层多孔介质板的参数进行的计算表明,当介质板厚与声波波长呈一定比例时,反射系数、透射系数能取得极值.用实验测量方法对这一结论进行了验证,实验结果与理论预测结果相吻合.     

声波在固体-多孔媒质界面上的反射和折射

本文介绍了流体饱和的多孔媒质中声波传播特性,较详细地讨论了声波从各向同性固体入射到多孔媒质界面时反射波、折射波势函数与入射波势函数的振幅比,计算了各种波所携带的声功率在入射波声功率中所占比例.本文的数值计算虽然限於高频,但所提出的方法可应用於任何频率的声波.     

不可压流体饱和多孔介质的变分原理

基于多孔介质理论，在小变形、固相骨架和流相不可压的假定下，建立了流体饱和多孔介质拟静态、动力响应的若下变分原理，本文的变分原理之一可容易退化为Gurtin变分原理。     

层状横观各向同性饱和地基的三维Biot固结问题

首先引入状态向量，在直角坐标系下推导出横观各向同性饱和地基Biot固结问题的状态方程，然后基于laplace变化和双重Fourier变换，求解了状态方程，得到传递矩阵，进而利用传递矩阵，并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件，求解了层状横观各向同性饱和地基的Biot固结问题。     

流体饱和多孔热弹性对称平面的动力学分析

在几何非线性和热局部平衡条件下, 研究不可压流体饱和多孔热弹性半平面在受到表面温度载荷作用下的动力学特性. 首先, 基于多孔介质混合物理论, 考虑几何非线性的影响, 给出了问题的数学模型; 然后, 提出了一种综合数值计算方法, 该方法通过微分求积法和二阶后向差分格式分别在空间域和时间域离散数学模型, 利用 Newton-Raphson 法求解非线性代数方程组, 从而可得到问题的数值结果. 研究表明, 本方法是有效可靠的, 且具有计算量小、精度高等优点. 最后, 考虑了材料参数和几何非线性的影响研究了流体饱和多孔热弹性半平面在表面温度载荷作用下的热力学特性.     

饱和多孔介质中污染物迁移模拟

综述了污染物在饱和多孔介质中的迁移模拟理论，包括线性吸附情况下的一维、二维和三维平流-弥散反应迁移方程的解析解、半解析解，非线性/非平衡反应迁移方程的数值解，利用有色锋面的边界层理论．比较了各种解法的优缺点．最后展望了污染物迁移模拟今后可能的发展方向。