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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

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充液圆腔对平面P波的散射与围岩的瞬态响应

Journal of Central South University 2023年第2期30卷 568-583页

作者：陶明向恭梁赵瑞吴成清 School of Resources and Safety Engineering Central South UniversityChangsha 410083China School of Civil and Environmental Engineering University of Technology SydneySydney 2007Australia

动力扰动在结构周围的散射所引起的动应力集中是影响深部地下结构损伤的重要因素。为了研究地下充满流体的圆形空孔周围的动力响应,建立了无限介质中平面P波入射充液圆腔的简化模型。基于波函数展开法,得到充液腔周围动应力集中的解析... 详细信息

动力扰动在结构周围的散射所引起的动应力集中是影响深部地下结构损伤的重要因素。为了研究地下充满流体的圆形空孔周围的动力响应,建立了无限介质中平面P波入射充液圆腔的简化模型。基于波函数展开法,得到充液腔周围动应力集中的解析解。利用傅里叶积分变换,推导充满流体的空腔周围受瞬态冲击的动态应力集中因子(DSCFs)表达式。同时,定量分析稳态和瞬态入射波作用下DSCFs与波形参数的关系。利用有限元程序LS-DYNA建立数值模型,分析瞬态冲击载荷作用下充液腔周围的动应力集中与围岩的破坏规律。研究表明,充液圆腔周围的动应力集中分布受到入射方向、泊松比、时间和波数的综合影响。本研究为地下引水隧洞和油气储藏的抗震加固提供参考。

关键词：充液圆腔波的散射波函数展开法动应力集中

管桩屏障在柱面波源下近场隔振效应的解析求解

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工程力学 2022年第8期39卷 138-148,184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 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(天津大学) 天津300350 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300350

基于波函数展开法表示柱面波源自由场,首次提出了一种求解柱面波源下管桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先考虑柱面波源与管桩屏障的位置关系,采用波函数展开法对入射柱面波进行了0阶Hankel展开表示,并采用任意坐标系间变换的G... 详细信息

基于波函数展开法表示柱面波源自由场,首次提出了一种求解柱面波源下管桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先考虑柱面波源与管桩屏障的位置关系,采用波函数展开法对入射柱面波进行了0阶Hankel展开表示,并采用任意坐标系间变换的Graf加法定理在任意桩体坐标系中表示,将入射波场和散射波场叠加后通过满足所有桩体的边界条件以求解所有桩体的散射波场。该解析方法分析了柱面波源入射下群桩屏障的隔振效果,首次在排桩隔振问题中考虑了入射波曲率的影响,为柱面波的散射问题提供了理论解答。该文重点讨论了入射波曲率、管桩个数和桩排数等因素对管桩隔振效果的影响,结果表明:整体上管桩屏障对柱面P波的隔振效果优于柱面SV波;柱面波源距离管桩屏障更近时排桩后场地的位移反应显著增大;相比平面波,柱面波源作用下排桩数量的提升对隔振效果的影响较小;三排管桩屏障比两排管桩屏障隔振效果更强,更宜采用三排管桩屏障进行柱面波源的隔振。

关键词：群桩隔振柱面波源解析求解波函数展开法 Graf加法定理

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含空洞地层隧道动力响应解析解

铁道科学与工程学报 2022年第6期19卷 1696-1704页

作者：臧万军贾晨浩王峥峥福建工程学院土木工程学院福建福州350118 地下工程福建省高校重点实验室福建福州350118 大连理工大学土木工程学院辽宁大连116024

为探究地震荷载作用下地层空洞对隧道地震动力响应影响规律,建立含空洞地层隧道理论计算模型。以工程波动理论为基础,采用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,给出平面SV波入射下含空洞地层隧道动力响应的位移解析解。采用MIDAS/GTS... 详细信息

为探究地震荷载作用下地层空洞对隧道地震动力响应影响规律,建立含空洞地层隧道理论计算模型。以工程波动理论为基础,采用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,给出平面SV波入射下含空洞地层隧道动力响应的位移解析解。采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型,通过对比分析解析解与数值解计算结果,验证该解析解的合理性,且具有较高的精度。应用该解析解计算方法,依据正交试验设计理论,考虑隧道埋深、空洞与隧道中心距、空洞半径和地震波入射角共4种影响因素,采用极差分析和方差分析方法,得到各因素对隧道位移影响的敏感性。研究结果表明:相同工况下解析解以及数值解得到的位移时程曲线变化规律基本相似,解析解位移幅值峰值与数值解位移幅值峰值相差9%左右;地震波入射角对隧道竖向位移起控制作用,为显著性影响因素;增加隧道埋深和减小空洞与隧道中心之间距离会导致隧道拱顶位移值增大;在动力荷载作用下,当空洞直径达到0.3倍的隧道跨度时,空洞能够对隧道起到减震消能作用。

关键词：隧道工程波函数展开法位移解析解数值模拟正交设计

平面爆破P波扰动下深埋圆形衬砌隧道瞬态动力响应解析解研究

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爆破 2022年第3期39卷 33-40页

作者：李梅高鑫鑫梅万全雷涛韩高升潘鹏志张义云武汉理工大学资源与环境工程学院武汉430070 武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

目前爆破扰动下隧道的动力响应解析解研究多为稳态,且主要集中在无衬砌隧道;而实际工程施工爆破扰动以瞬态波的形式传播,且大多隧道有衬砌。因此,论文以深埋圆形有衬砌隧道为研究对象,采用波函数展开法和梯形求积,开展平面爆破P波扰动... 详细信息

目前爆破扰动下隧道的动力响应解析解研究多为稳态,且主要集中在无衬砌隧道;而实际工程施工爆破扰动以瞬态波的形式传播,且大多隧道有衬砌。因此,论文以深埋圆形有衬砌隧道为研究对象,采用波函数展开法和梯形求积,开展平面爆破P波扰动下的隧道瞬态动力响应解析解研究:通过分析平面简谐P波入射时衬砌和围岩中的波场,考虑深埋隧道衬砌与围岩相互作用的边界条件,确定隧道周围的稳态响应;在稳态解的基础上运用梯形求积,求出平面爆破P波扰动下深埋圆形衬砌隧道动力响应问题的瞬态解析解,进而分析隧道衬砌与围岩接触面和隧道内的动应力集中系数、径向和环向振动速度的动态响应情况。研究结果表明:本文解析结果与FLAC及CASRock数值结果一致,验证了本文方法的可行性以及正确性;动力扰动过程中隧道两帮出现拉应力集中,顶底板主要出现压应力集中,隧道两侧的径向振动速度要显著大于隧道顶部,环向振动速度随着爆破荷载的加卸载先增大后减小至零。解析结果可以为深埋隧道的支护提供理论基础。

关键词：爆破P波瞬态响应圆形衬砌隧道波函数展开法 CASRock

斜入射小震作用下饱和成层地基中圆形隧道响应研究

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斜入射小震作用下饱和成层地基中圆形隧道响应研究

作者：吴祖勤华中科技大学

学位级别：硕士

相比于单相土,饱和土中隧道结构的地震响应更为复杂,建立一种适用于工程实践的简化分析方法,将对饱和土中隧道的抗震设计提供更大的帮助。本文在总结国内外研究现状的基础上,结合离心机振动台试验、理论模型推导和数值模拟分析,研究了... 详细信息

相比于单相土,饱和土中隧道结构的地震响应更为复杂,建立一种适用于工程实践的简化分析方法,将对饱和土中隧道的抗震设计提供更大的帮助。本文在总结国内外研究现状的基础上,结合离心机振动台试验、理论模型推导和数值模拟分析,研究了斜入射地震波下饱和成层土中隧道的地震响应。本文主要研究内容包括:(1)首先开展了70%和40%两种相对密实度砂土中模型盾构隧道在小震作用下的离心机振动台试验,输入峰值0.05g以下的水平加速度和较小的竖向加速度,获得了单、双向地震荷载作用下,饱和土加速度、土压力和隧道结构弯矩分布,并分析了输入地震动、砂土密实度对于土-隧道地震响应的影响。(2)在前人工作的基础上,基于Biot流体饱和多孔介质理论、波函数展开法和频域传递矩阵法,推导了平面波斜入射下基岩上覆饱和成层土的动力响应解析解。考虑土体的地震荷载作用下的非线性,将复阻尼理论融入解析解中,提出了二维状态下饱和土的等效线性化分析方法,并通过与数值模拟进行结果对比,验证了非线性理论解的正确性。(3)从饱和土动力响应解析解出发,通过坐标转换和应力分解,用拟静力分析方法提出了饱和土中隧道结构内力响应的半解析解,通过与离心机振动台试验和数值模拟进行对比,表明了半解析解的合理性和正确性。(4)对地震波斜入射下饱和成层土中隧道结构的地震响应进行了参数分析,分析了不同地震波斜入射下,入射角、埋深以及P波幅值对于隧道地震响应的影响。

关键词：饱和土隧道结构离心机振动台试验波函数展开法二维等效线性化半解析解数值模拟

地震波在地下椭圆夹塞体周围的散射与动态应力集中研究

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地震波在地下椭圆夹塞体周围的散射与动态应力集中研究

作者：罗豪中南大学

学位级别：硕士

地下结构中通常含有被其他介质所填充的硐室,如回采充填体、引水隧洞等,这类不连续结构被称为夹塞体。地下资源开采与工程建设过程中爆破与地震产生的动力扰动以弹性波的形式向周围传播,在夹塞体处会发生应力波的散射与应力的重分布,致... 详细信息

地下结构中通常含有被其他介质所填充的硐室,如回采充填体、引水隧洞等,这类不连续结构被称为夹塞体。地下资源开采与工程建设过程中爆破与地震产生的动力扰动以弹性波的形式向周围传播,在夹塞体处会发生应力波的散射与应力的重分布,致使夹塞体周围的部分区域出现动态应力集中与能量聚集,导致结构破坏的发生。本文基于波函数展开法与傅里叶变换获得了瞬态SH波作用下具有完美边界和不完美边界椭圆形夹塞的动态响应理论解析解。从理论和数值模拟两个角度对其进行了对比验证,并且分析了入射波数、径向坐标、介质与夹塞材料特性差异、不完美边界等因素对动态应力集中分布的影响。主要研究内容和结论如下:(1)在椭圆坐标系下对波动方程进行变量分离,引入马修函数作为基函数,求解了稳态SH波入射下椭圆夹塞周围径向与环向动态应力集中分布。数值结果表明环向动态应力集中总是出现在椭圆夹塞的短轴两端,而径向动态应力集中总是出现在椭圆夹塞的长轴两端。夹塞与介质的材料特性差异影响了动态应力集中因子(DSCF)随入射波数和径向坐标的变化规律。当夹塞相较介质硬时,椭圆夹塞长轴两端的径向应力集中比短轴两端的环向应力集中更为显著,长轴两端更有可能发生夹塞结构破坏。而当夹塞相较介质软时,这一现象正好与之相反。此外,径向DSCF在椭圆长轴两端周围的分布形状与椭圆夹塞体的形状相似。(2)引入雷克子波作为地震扰动,基于傅里叶变换得到了瞬态SH波作用下椭圆夹塞的瞬态响应。数值结果表明瞬态DSCF与稳态DSCF的值和空间分布存在差异,前者一般是后者的2-3倍,并且动态应力集中总是发生在椭圆夹塞长轴和短轴两端。该现象表明瞬态入射产生的动态应力集中现象更为显著,结构破坏从长轴和短轴两端发生的可能性更大。并且有效入射面积的减少会导致散射现象的减弱,在高波数入射下只有椭圆夹塞形状接近圆形时,DSCF的空间分布才会出现多个应力峰值区。(3)采用弹簧模型表征不完美界面,求解了具有不完美界面椭圆夹塞的动态响应,使用LS-DYNA软件对雷克子波入射具有不完美边界的椭圆夹塞的散射过程进行数值模拟,对比验证了理论结果的有效性。分析了入射波数、径向坐标、介质与夹塞材料特性差异、刚度参数对DSCF的影响。结果表明入射波数和径向坐标会导致DSCF值和空间分布的改变,而刚度参数只会导致DSCF值的变化。刚度参数β在0-5μ/J范围内时,DSCF对刚度参数β的变化表现出较高的敏感性,当刚度参数β处于5μ/J-100μ/J范围内时,DSCF对刚度参数β变化的敏感性减弱。当刚度参数β>100μ/J时,不完美界面接近于完美界面。图43幅,表3个,参考文献128篇

关键词：动态响应椭圆夹塞瞬态SH波动态应力集中因子不完美界面波函数展开法马修函数