垂直集中表面荷载作用下非饱和土半空间中的Lamb问题

以多孔介质混合物理论为基础,同时引入土体双变量本构关系,得到了非饱和土中的一组动力控制方程.利用Hankel积分变换方法,对频域内的轴对称问题进行了求解.在此基础上研究了非饱和土半空间体在垂直集中力作用下的动力响应,给出了Lamb问题的积分形式解.当不计土中水、气的存在时,上述结果退化到单相弹性半空间中的经典Lamb解.数值计算结果表明:激振频率、渗透系数对地表位移影响显著,随激振频率的升高或渗透系数的降低,近场地表位移幅值减小,但当渗透系数低于一定值时,地表位移基本不再随其变化;饱和度对地表位移的直接影响是饱和度升高时,地表位移幅值略有减小.     

非饱和土中弹性波的传播特性

根据多孔介质混合物理论,考虑土颗粒间的吸应力,建立一类非饱和土三相波动模型.基于VG模型得到非饱和土中体波的传播波速和衰减的解析表达式,并且与已有的试验数据相比较,验证了理论分析结果的有效性.通过参数分析探讨非饱和土中体波的相速度和衰减与频率、饱和度和吸应力等影响因素的关系.结果表明:非饱和土中存在4种体波,即3种纵波和1种横波;各种体波均具有频散性和衰减性,其中波速P_1波最大,S波次之,P_3波最小,衰减大小正好相反;饱和度以及吸应力对非饱和土中波的传播有着显著的影响.     

半空间饱和土表面在简谐扭转荷载作用下的响应

分析了扭转荷载作用在半空间饱和土表面的稳态问题。本文假设扭转振动荷载为柱坐标内轴对称分布的剪应力,基于Biot的饱和土波动方程,利用Hankel变换对基本方程进行求解,结合Hankel变换后的边界条件,求出Hankel变换后的应力及位移,最后利用Hankel逆变换得出饱和土表面在扭转荷载作用下,土体内部的应力及位移。     

非饱和全空间埋置隧道动力响应半解析模型

将非饱和地基土视为由固、液、气组成的三相介质,圆形隧道衬砌简化为无限长的Flügge薄壁圆柱壳,分别采用Helmholtz矢量分解定理以及分离变量法求解非饱和地基土的波动方程和Flügge薄壁圆柱壳的振动控制方程。结合位移和应力连续性等边界条件,建立移动简谐荷载下非饱和地基土中埋置隧道动力响应的半解析模型。基于该模型,探讨了非饱和地基土-隧道系统的动力响应特征及饱和度对系统动力响应的影响。结果表明,饱和度对土体的动位移、动应力、超孔隙水压力及土体临界速度等影响较大,计算时应考虑饱和度的影响。     

非饱和土的力学理论

介绍了笔者多年来在非饱和土力学领域研究的主要理论成果.内容包括非饱和土的建模理论、应力理论、渗流理论、本构理论和固结理论,其中本构理论和固结理论都涉及线性、非线性、弹塑性、结构性、动力特性和热力特性等6个方面.     

基质吸力作用下非饱和粉土强度特性研究

为研究豫东高速公路路基填筑粉土的非饱和力学特性,采用四联非饱和土直剪仪进行控制吸力条件下的强度特性试验,着重分析吸力对非饱和粉土强度的贡献,并对其干密度效应进行了探讨.结果表明,豫东黄河冲积粉土颗粒级配较为集中在0.005~0.075 mm的粉粒组.击实曲线出现了不对称的"双驼峰"现象,但两个干密度峰值相差较大,工程应用中需注意最大干密度的准确获得.非饱和粉土的抗剪强度与固结应力呈线性相关关系.干密度和吸力对粉土的黏聚力c均有影响,但影响规律不同.黏聚力c随吸力的减小呈抛物线变化,在最佳含水率附近黏聚力达到峰值.粉土干密度越大,其黏聚力越大.粉土内摩擦角随吸力增加呈增大趋势,吸力大于100 k Pa后基本趋于稳定,影响幅度在5°以内.基质吸力对抗剪强度的影响呈非线性关系.粉土的内摩擦角φ'与吸力相关,φ~b则受吸力与固结应力共同影响,φ'与φ~b均非常数,在τ_f—(u_a-u_w)—(σ_n-u_a)空间中,摩尔库伦破坏面呈双向弯曲形态.     

半无限域水平集中力作用下Biot固结基本解

应用Hankel变换和Laplace变换求解了半无限饱和土在水平集中力下Biot固结理论的基本解.数值计算结果表明,当t→∞时,所得结果与Mindlin解吻合.由此验证了本文推导的基本解的正确性.     

弹性半空间表面在水平谐和集中力作用下的位移

利用Dirac delta δ(t)脉冲力作用下位移的Laplace变换求得了水平谐和集中力作用下弹性半空间表面位移的积分形式解。与Lamb求解积分表达式的方法不同,本文使用了Heariside谐和阶跃函数H(t)e~(iωt),从而求得了匀质各向同性弹性半空间在水平谐和集中力作用下动水平表面位移的精确闭合解。这种动谐和集中力的精确解与著名的Ceruti静力解以及Chao的动力解相对应。由所得精确闭合解所计算的结果以图线表示之,并与鸟海的理论结果作了对比。     

非饱和土受荷后的单向初期变形和固结变形

为建立一维非饱和土固结简化计算方法,首先将非饱和土的固结过程分为初期压密、气压消散和水压消散3个阶段并假定初期压密和气压消散这2个过程是瞬时完成的,然后再单独考虑水压的消散过程.实例模拟结果表明:简化方法能基本反映饱和度不太高的非饱和土的固结过程;饱和度超过85%时,气压消散存在一个较长的历时过程,简化计算方法不宜采用.     

吸力控制下非饱和粉土的动力变形特性

利用美国GCTS公司生产的吸力可控USTX-2000全自动非饱和土/饱和土动三轴仪, 在控制吸力条件下对非饱和粉土的动力变形特性进行试验研究. 开展循环荷载下的动力变形试验, 得到了非饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比. 试验结果表明: 在动荷载作用下, 吸力控制下的非饱和粉土动应力应变关系骨架曲线呈双曲线形, 且吸力越大, 骨架曲线越高; 非饱和粉土的动弹性模量随吸力的增大而增大, 但没有净围压增大效果显著; 非饱和粉土的阻尼比随吸力的增大而减小, 但减小幅度没有净围压增大那样显著; 非饱和粉土的动应力应变关系骨架曲线、动弹性模量以及阻尼比随吸力的变化规律可用非饱和土的平均骨架应力值的变化解释.     

3D Dynamic Response of Layered Unsaturated Soils to Harmonic Loads

Considering compression of solid grain and pore fluids,viscous-coupling interactions and inertial force of fluids,dynamic governing equations for unsaturated soils are established by adopting an exact constitutive formula of saturation.These equations are highly versatile and completely compatible with Biot's wave equations for the special case of fully saturated soils.The governing equations in Cartesian coordinates are firstly transformed into a group of state differential equations by introducing the sta...     

饱和地基竖向振动的衰减特性

基于第一作者提出的弹性波动方程 ,研究了匀质弹性饱和地基的 Lamb问题 .考虑线源和点源两种情形 ,通过 Fourier变换和 Hankel变换 ,导出了 Lamb问题的积分形式解 .通过算例研究了该积分形式解数值实施的可行性 ,给出了地基表面竖向位移的衰减曲线 ,并由此考察了土的渗透性以及激振频率对它的影响     

非饱和土粘弹性地基一维固结特性分析

基于Fredlund的非饱和土一维固结理论,采用李氏比拟法,研究有限厚度粘弹性非饱和土层在大面积均布瞬时加荷时的一维固结问题.针对Merchant粘弹性模型,采用Laplace 变换及Cayley-Hamilton等数学方法,引入边界及初始条件,得到Laplace变换域内顶面排气不排水、底面不渗透情况下粘弹性非饱和土地基一维固结时的超孔隙水压力、超孔隙气压力以及土层沉降的解,采用Crump及Durbin方法实现Laplace逆变换, 获得半解析解;分析在不同气、水渗透系数比k_a/k_w下,Merchant粘弹性模型的Kelvin体中弹性模量E₁和粘滞系数η等对粘弹性非饱和土地基一维固结特性的影响,揭示粘弹性非饱和土地基的固结特性;最后通过与弹性解析解的对比,验证了半解析解方法的正确性.     

氟在非饱和带迁移的动态特性研究

通过氟迁移土柱模拟试验 ,讨论了非饱和带氟迁移的动态特征。对高氟地下水灌溉可能产生的氟环境问题的研究具有一定的实践意义。     

非饱和土临界荷载和太沙基极限承载力解析解

基于非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,综合考虑中间主应力、基质吸力和超固结比等影响,推导了非饱和土条形地基临界荷载和太沙基极限承载力解析解,并得出统一强度理论参数、基质吸力和超固结比对解析解的影响规律.研究结果表明:该解析解具有很好的可比性,临界荷载公式适用于任意侧压力系数;临界荷载和太沙基极限承载力均随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而显著增加;临界荷载与超固结比近似成线形递增关系,不同基质吸力所对应的临界荷载间相互平行.     

The Principle of Interaction between Plastic Volumetric and Shear Strains for Unsaturated Soils

The principle of interaction between plastic volumetric and shear strains for rock and soil has been extended to the field of unsaturated soils. Two new interactions of suction-plastic volumetric strain and pore air pressure-plastic volumetric strain appear in the unsaturated state of a soil except the interaction between plastic volumetric and shear strains. It is very important to find that the suction possesses a dual property, which is the origin of generating its special functions. Thereby the effect of the suction on volumetric strain includes two opposite aspects. By means of this property of suction, the physical significance of effective stress parameter, effects of suction on volume change and preconsolidation pressure, and the mechanism of collapse upon wetting all can be explained. In addition, it is theoretically proved by application of this principle of interaction that the critical state line for unsaturated soils exists, and is unique and independent of the stress history.     

非饱和土的塑性体应变与剪应变的相互作用原理

将岩土塑性体应变与剪应变的相互作用原理拓展到了非饱和土领域。除了塑性体应变与剪应变的相互作用外,在非饱和土中出现了两类新的相互作用,吸力-塑性体应变和孔隙气压力-塑性体应变。吸力具有二重性质,其对塑性体应变作用包括两个相反的方面。基于吸力性质,阐明了非饱和土的一些独特的性质,诸如有效应力参数的物理涵义,吸力对体积变化和前期固结压力的影响和湿陷机理等。另外,应用拓展的塑性体应变与剪应变相互作用原理,从理论上证明了非饱和土的临界状态线是存在的和唯一的,以及它与应力历史无关。     

基于加速度反演频域动载荷的一种正则化途径

基于加速度频响函数矩阵反演频域动载荷是病态逆问题,反求的结果精度差,对数据的小扰动敏感,基于Tikhonov正则化方法,提出一种反演途径,将测点响应与待求激励进行归一化变换,在此基础上引入变换后的频响函数矩阵和正则化泛函进行求解,应用广义交叉验证准则选取最优正则化参数.考虑简支矩形薄板上的4个动载荷的识别问题,分析激励点和响应测点的不同位置以及动载荷大小之间相差程度不同的4个算例,将本文方法与不采用归一化变换的正则化求解结果进行2种相对误差的均方根比较.结果表明,利用归一化变换可提高动载荷反演精度,增强正则化方法的抗噪能力,当测点之间的响应以及各动载荷大小相差较大时,明显改善了识别精度.     

旅行商问题的一个近似算法

给出了“旅行商”问题的一个近似算法,讨论了误差分析与算法的复杂度。