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饱和多孔弹性深埋复合式衬砌抗震性能分析

公路交通科技 2024年第3期41卷 132-142页

作者：王观阳陈常科熊文勇邓翔浩丁海滨江西省交通工程集团有限公司江西南昌330025 华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013

目前国内外学者针对地震波扰动下隧道的衬砌动力响应解析解的研究多为单层衬砌,而实际工况中隧道一般包括初衬和二次衬砌。因此,研究复合式衬砌隧道的抗震性至关重要。以深埋复合式衬砌隧道为研究对象,建立了考虑尺寸效应和非均匀性结... 详细信息

目前国内外学者针对地震波扰动下隧道的衬砌动力响应解析解的研究多为单层衬砌,而实际工况中隧道一般包括初衬和二次衬砌。因此,研究复合式衬砌隧道的抗震性至关重要。以深埋复合式衬砌隧道为研究对象,建立了考虑尺寸效应和非均匀性结构效应的高阶应变梯度非局部孔隙弹性计算模型,用以描述多孔介质材料和结构的具体物理特性。通过引入2个长度参数、非局部参数及尺度因子来改进Biot理论。采用波函数展开法得到了复合式衬砌的解析解。考虑深埋复合式衬砌隧道的边界条件,确定复合式衬砌隧道周围的动力集中因子大小,分析了不同入射P波频率下,尺寸因子和非局部参数对衬砌动应力集中因子大小的影响,以及内外衬砌刚度和厚度对衬砌内外边界动应力集中因子(DSCF)值的影响。结果表明:高频下,非局部参数和尺寸因子对衬砌内DSCF值的影响较大,并且非局部参数对衬砌内DSCF值有削弱的影响,尺寸因子对衬砌内DSCF值有增强的影响;低频下外衬砌刚度越大,外衬砌内DSCF值越大,内衬砌内DSCF值越小,这说明在外层衬砌不被破坏的情况下,内层衬砌适当选择刚度小一点的材料有利于隧道衬砌的安全;低频下,衬砌厚度在合理范围内越大,衬砌内DSCF值越小。解析结果可为隧道复合衬砌设计提供参考。

关键词：隧道工程应变梯度非局部Biot理论波函数展开法复合式衬砌隧道衬砌刚度

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单排弹性实心桩对SH波的散射求解问题

地震工程学报 2024年第1期46卷 59-65页

作者：刘晶磊吴浩张冲冲曹晋源李秀欣河北建筑工程学院土木工程学院河北张家口075000 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室河北张家口075000 河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心河北张家口075000 上海金茂建筑装饰有限公司北京100020

采用波函数展开法结合格拉夫加法定理分析单排实心弹性桩的SH波散射问题,通过改变单一变量,分析桩土剪切模量之比、桩体个数等因素对排桩隔振的影响效果,得到如下结论:当无量纲频率为低频和中频时,排桩后无量纲位移曲线在无限远处趋于0... 详细信息

采用波函数展开法结合格拉夫加法定理分析单排实心弹性桩的SH波散射问题,通过改变单一变量,分析桩土剪切模量之比、桩体个数等因素对排桩隔振的影响效果,得到如下结论:当无量纲频率为低频和中频时,排桩后无量纲位移曲线在无限远处趋于0,随着桩体根数的增加隔振效果逐渐提高;在排桩后0~70 a(a为桩径)范围内无量纲位移之比变化幅度较大,且不稳定,隔振效果较差;当桩土剪切模量之比小于500时,在250a~380a范围内减隔振效果较好;当桩土剪切模量之比大于或等于500时,隔振效果并不会随着其增加而大幅增加,即此时可将桩体认为是刚性桩体。当无量纲频率为中频时,在100a~120a范围内隔振效果较好,之后此范围内无量纲位移之比先骤升后逐渐下降,但当无量纲频率上升为高频时,各桩体根数下排桩隔振效果相差不大,且会在距离排桩更近处就已经达到很好的隔振效果。

关键词：波函数展开法格拉夫加法定理隔振效果

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SH波作用下含缺陷压电材料动应力集中

SH波作用下含缺陷压电材料动应力集中

作者：王志文杭州电子科技大学

学位级别：硕士

动态应力集中问题在工程实践中具有至关重要的意义。在动态载荷下,材料的应力分布和集中现象可能导致构件破坏或失效,直接影响工程结构的安全性。过去的研究中,人们采用了波函数展开法、边界积分方程法以及格林函数等方法,以探究含缺陷... 详细信息

动态应力集中问题在工程实践中具有至关重要的意义。在动态载荷下,材料的应力分布和集中现象可能导致构件破坏或失效,直接影响工程结构的安全性。过去的研究中,人们采用了波函数展开法、边界积分方程法以及格林函数等方法,以探究含缺陷压电材料中SH波的动态应力集中现象,通过建立数学模型考虑了诸如材料非均匀性、力-电耦合特性以及位置等因素。然而,在特定情况下,如何考虑使用合适的坐标系求解SH波作用下含缺陷压电材料的解析解是一个值得关注的问题。发展新的数学方法以研究压电材料中的动态应力集中行为,可以为材料的设计、性能优化以及故障诊断等提供有力的支持,推动压电材料技术的发展和应用的拓展,这也是本研究的重要动机之一。本文的创新性在于以椭圆缺陷为例,考虑了多种缺陷模型,在含缺陷压电材料中建立椭圆柱坐标系,基于马蒂厄函数,使用波函数展开法将入射波场、散射波场和驻波场分解为马蒂厄函数级数形式。然后,通过边界条件建立等效关系,以此得到一系列关于未知系数的无限代数方程。最后,截断无限方程并给出初始条件求解未知系数。本文所探究的动应力集中系数由缺陷边缘稳态应力与入射场最大应力的比值确定,数值模拟图像化了动应力集中系数的分布情况。在之后的工作中,进一步的探究从入射波频率、入射波的入射角度和椭圆偏心率三个方面入手,分别定量分析了三者对动应力集中系数的影响权重。研究发现入射波频率、SH波入射角和椭圆偏心率等参数均对椭圆孔周围动应力集中系数产生强关联影响,其中边界浅椭圆缺陷和边界深椭圆缺陷之间也有较大差别。研究内容作可以为压电材料的强度校核、疲劳寿命预测、无损检测的适用方法。

关键词： SH波马蒂厄函数波函数展开法压电材料椭圆缺陷

半空间饱和土中圆柱形衬砌内荷载引起的动力响应解答

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固体力学学报 2012年第2期33卷 219-226页

作者：高盟高广运王滢山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室青岛266590 山东科技大学土木建筑学院青岛266510 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

地下衬砌结构经常会受到内部动荷载的作用,内荷载引起的衬砌结构的动应力集中备受关注.采用Laplace变换和波函数展开法,对半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌结构的动力响应进行了研究.以大半径凸圆弧来近似半空间表面,将半空... 详细信息

地下衬砌结构经常会受到内部动荷载的作用,内荷载引起的衬砌结构的动应力集中备受关注.采用Laplace变换和波函数展开法,对半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌结构的动力响应进行了研究.以大半径凸圆弧来近似半空间表面,将半空间饱和土中的波动方程展开成无穷级数的形式,应用Graff加法公式进行坐标变换,根据连续条件和边界条件,确定波函数展开式中的未知系数,求得了半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌的动力响应解答,讨论了衬砌埋深对圆柱形衬砌动力响应的影响.该问题的求解,为地下结构的动力分析提供了一种有效方法.

关键词：饱和土衬砌结构瞬态响应波函数展开法半空间

平面SH波入射下深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应分析

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湖南大学学报（自然科学版） 2010年第1期37卷 17-22页

作者：李刚钟启凯尚守平湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 中建三局股份公司工程承包总公司湖北武汉430064

利用波函数展开法,研究平面SH波入射下,深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应问题.利用得到的级数解和数学应用软件MathCAD编写计算机程序,讨论了入射波频率、组合衬砌结构的厚度比、弹性模量、泊松比、密度等因素对围岩和衬砌结构动应力集... 详细信息

利用波函数展开法,研究平面SH波入射下,深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应问题.利用得到的级数解和数学应用软件MathCAD编写计算机程序,讨论了入射波频率、组合衬砌结构的厚度比、弹性模量、泊松比、密度等因素对围岩和衬砌结构动应力集中系数的影响.结果表明组合衬砌确实能有效地发挥围岩的自承能力,降低衬砌结构的动应力集中,且在低频入射时效果显著.

关键词：波函数展开法深埋洞室动应力集中 SH波级数解组合衬砌

饱和土中周期排列管桩对平面SV波隔振的解析求解

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岩土力学 2021年第3期42卷 627-637页

作者：巴振宁刘世朋吴孟桃梁建文天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300350 天津大学中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室天津300350 天津大学土木工程系天津300350

基于Biot流体饱和多孔介质理论,采用波函数展开法并结合Graf加法定理,解析求解了饱和土中周期排列管桩对平面SV波的隔振问题。该方法利用饱和土中不同周期单元的散射波场在频域内仅相位不同的特性,将饱和土中无限周期排列管桩对SV波的... 详细信息

基于Biot流体饱和多孔介质理论,采用波函数展开法并结合Graf加法定理,解析求解了饱和土中周期排列管桩对平面SV波的隔振问题。该方法利用饱和土中不同周期单元的散射波场在频域内仅相位不同的特性,将饱和土中无限周期排列管桩对SV波的散射问题转换为仅针对一个周期单元的求解,因而在精确求解的同时显著降低了计算量,并在一定程度上弥补了现有方法在管桩数较多时难以求解的局限。在验证方法正确性的基础上,重点讨论了桩体个数、饱和土参数、管壁厚度、桩排数和排列方式等因素对隔振能力的影响。研究结果表明:周期排列管桩在饱和土中的隔振能力整体上优于弹性土,且在渗透性越差的饱和土中隔振能力越强;管桩的管壁厚度不宜过薄,内外径之比取为0.6左右,周期排列管桩在大多数频率下隔振能力稳定;增加桩排数能够显著提高隔振能力,在无量纲频率为0~0.6的较低频段,隔振能力提高幅度为20%左右,在无量纲频率为0.6~3.0的中高频段,隔振能力提高幅度可达60%,采用三排管桩屏障可屏蔽饱和土中大多数频率下的入射SV波;管桩矩形排列的隔振效果在无量纲频率为0~1.0的较低频段优于梅花形排列,其他频段两种排列方式均具有良好的屏蔽SV波效果。

关键词：饱和土体管桩隔振周期排列波函数展开法平面SV波

地震P波作用下饱和土中考虑剪切与转动变形的衬砌结构动力响应分析

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中南大学学报（自然科学版） 2014年第6期45卷 1943-1951页

作者：张鸿高谦徐斌徐满清陈学嘉北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 南昌工程学院土木与建筑工程学院江西南昌330099

对隧洞周边土体采用饱和土Biot理论,隧洞衬砌采用考虑剪切和转动变形的曲线梁振动理论,分析地震P波作用下饱和土体中圆形隧洞衬砌的动力响应问题。对于饱和土体中的散射波场采用波函数展开法求解,对曲线梁的振动控制微分方程采用一般化... 详细信息

对隧洞周边土体采用饱和土Biot理论,隧洞衬砌采用考虑剪切和转动变形的曲线梁振动理论,分析地震P波作用下饱和土体中圆形隧洞衬砌的动力响应问题。对于饱和土体中的散射波场采用波函数展开法求解,对曲线梁的振动控制微分方程采用一般化的微分求积法(GDQM)求解。由饱和土体与衬砌接触处的位移协调条件,采用最小二乘法确定波函数未知系数项。计算结果表明:当入射波频率较低时,衬砌结构的入射面与背对面的动力响应几乎是对称的;随着入射频率的增加,衬砌结构的入射面与背对面不再具有对称性,且衬砌结构入射面的动力响应要大于背对面的动力响应。

关键词：隧洞衬砌饱和土微分求积法(DQM) 曲线梁波函数展开法

周期分布群桩屏障对平面弹性波隔振效应的解析求解

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岩石力学与工程学报 2020年第7期39卷 1468-1482页

作者：巴振宁刘世朋吴孟桃梁建文天津大学土木工程系天津300350 天津大学中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室天津300350 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300350

基于平面波入射下周期分布散射体周围波场的周期分布特性,创造性地提出一种求解无限周期分布群桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先推导适用于任意坐标系间波函数转换的Graf加法定理,进而采用波函数展开法,充分利用不同周期单... 详细信息

基于平面波入射下周期分布散射体周围波场的周期分布特性,创造性地提出一种求解无限周期分布群桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先推导适用于任意坐标系间波函数转换的Graf加法定理,进而采用波函数展开法,充分利用不同周期单元周围的波场完全相同但仅因位置的不同而在频域内相差一个相位的特征,仅需选取一个周期单元分析即可求解整个群桩屏障的散射波场。该解析方法弥补了以往理论分析中桩数较多时难以求解的不足,同时具有精度高、计算量低和显著降低求解时间的优点,便于分析桩体数量较多的群桩屏障隔振规律。重点讨论桩排数、桩体间距和群桩排列方式等因素对隔振效果的影响,结果表明:(1)群桩屏障对SH波的隔离效果主要体现在归一化频率0.2~1.2的较低频段,对SV波的隔离效果主要体现在0.6~1.8的中等频段,对P波的隔离效果主要体现在1.2~1.5和2.2~2.8左右的中等和较高频段;(2)桩排数的增加对SH波隔离效果的提高随每排桩的增加能够提高至50%,对SV波隔离效果的提高随每排桩的增加能够提高至33%,而对P波隔离效果的提高随每排桩的增加提高不超过10%;(3)减小桩体间距有助于提高群桩屏障的隔振效果,但减小排间距的影响较小,而减小列间距则提升明显;(4)整体上梅花形排列的隔振效果优于矩形排列,仅在入射波频率η=0.7~1.8的一个小频段内矩形排列优于梅花形排列。

关键词：桩基础群桩隔振周期分布弹性波波函数展开法 Graf加法定理

移动的隧道轴向激励作用下两相多孔介质动力反应

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振动与冲击 2019年第17期38卷 276-283页

作者：包汉营陈文化北京交通大学土木建筑工程学院

为了研究移动的隧道轴向激励作用下饱和土体的动力响应,建立了隧道-饱和土体的动力分析模型;利用波函数展开法、镜像原理等,推导了频域内隧道轴向激励作用下饱和土体动力响应的解析解,并给出了饱和土体临界速度的经验公式;通过快速傅里... 详细信息

为了研究移动的隧道轴向激励作用下饱和土体的动力响应,建立了隧道-饱和土体的动力分析模型;利用波函数展开法、镜像原理等,推导了频域内隧道轴向激励作用下饱和土体动力响应的解析解,并给出了饱和土体临界速度的经验公式;通过快速傅里叶逆变换得到了时-空域内饱和土体的动力响应。结果表明:轴向激励作用下,饱和土体临界速度只与土体的剪切模量和密度有关,且数值接近土体剪切波速的1.1倍;速度小于临界速度时,各响应数值随着剪切模量以及孔隙率的增大而减小,轴向位移随着隧道埋深的增大有小幅度减小,当隧道埋深超过半径的10倍时,轴向位移趋于稳定;速度大于临界速度时,各响应数值随着剪切模量以及孔隙率的增大而增大;角度对径向位移、轴向位移影响很小,对环向位移的影响较大。

关键词：轴向激励饱和土体临界速度波函数展开法