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准饱和土波动特性及动力响应研究

2020-11-22阅读(926)

准饱和土波动特性及动力响应研究

论文摘要

土介质中的波动理论是土动力学研究领域的一个重要分支，已成为土木工程、地震工程及地球物理等领域的重要基础性研究课题。本文基于三相介质动力控制方程，对准饱和土中波的传播特性及动力响应问题作了深入、全面系统的研究。 文中首先从微观视角对准饱和土微观各相的性质进行了全面分析，包括土动力学研究中最为关心的土颗粒大小分布、刚度、质量密度和阻尼以及饱和度等影响因素，重点讨论了气体的动力特性，分析了准饱和土中气体的形态及分布特征，气体压缩对流体压缩性以及准饱和土体体变的重要影响，以及气泡振动对周围液体及多孔介质波动特性的影响，基于准饱和土微观动力特性提出了准饱和土简化模型并对其合理性进行了评价。对三相介质准饱和土波动方程进行了详细推导和系统分析，对比了Biot理论和混合物波动理论的一致性及主要区别所在，提出了准饱和土波动特性研究的三相介质动力控制方程，对波动理论适用土体的范围进行了讨论，重点分析了土体渗透性及孔隙尺寸分布特征的影响。 基于三相介质准饱和土波动理论，采用数值方法研究了准饱和土中三种体波(第一P波，第二P波和S波)的传播特性，考虑孔隙率与土骨架刚度的相关关系，全面分析了孔隙率、饱和度、频率和泊松比等对准饱和土中各体波传播和衰减的综合影响，应用前人试验结论对研究结果进行了验证，分析了准饱和土与饱和土、气饱和土中波的传播特性的异同。 基于三相介质准饱和土波动理论，考虑土颗粒和孔隙流体的压缩及流体的粘滞性，首次对准饱和土中瑞利波的传播特性进行了全面系统的研究，考察了边界透水条件的影响，编制程序进行了详细的数值计算工作，分析了饱和度、频率、渗透性以及泊松比与瑞利波的传播速度、位移分布规律、各组成波能量比以及粒子运动轨迹之间的相互影响关系。在此基础上分析了与饱和土中瑞利波传播特性的不同之处，研究发现瑞利波主要反映剪切波特性，受饱和度的影响不大，介于压缩波和剪切波之间。 基于三相介质准饱和土波动理论，首次全面对地表透水与不透水两种边界条件下弹性体波入射准饱和半空间动力响应进行深入研究，通过数值算例系统分析了动力响应随入射角的变化，各模式波能量在地表面的分配以及SV波入射时地表粒子的运动轨迹问题，并考虑了饱和度、频率、泊松比和模量比等的影响，重点分析了饱和度引起的入射波的波型转换问题，并与实测地震响应进行了对比。 基于三相介质准饱和土动力控制方程，在Laplace变换域内推导了准饱和土中圆柱形空腔内边界上作用轴对称荷载和流体压力条件下动力响应的解答，利用Laplace数值逆变换得到了时间域中的结果，进而通过数值算例，详细对比分析了饱和度，加载时间，加载形式以及边界透水条件等因素对空腔的位移，应力等动力响应的影响，并利用轴对称流体压力作用下的动力响应结果首次尝试在理论

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 弹性介质中的波
  • 1.3 饱和土介质中的波
  • 1.4 准饱和及非饱和土介质中的波
  • 1.5 土体动力响应
  • 1.6 研究现状述评及存在的问题
  • 1.7 本文的研究工作
  • 第2章 准饱和土微观动力性质分析
  • 2.1 引言
  • 2.2 准饱和土的基本概念
  • 2.3 准饱和土的基本性质
  • 2.3.1 非饱和土中各相的性质
  • 2.3.2 非饱和土的Darcy定律
  • 2.3.3 非饱和土的有效应力
  • 2.3.4 非饱和土的基质吸力
  • 2.4 准饱和土微观动力效应
  • 2.4.1 准饱和土中的气泡
  • 2.4.2 准饱和土中水与空气的相互作用分析
  • 2.4.3 准饱和土中气泡对混合流体压缩性的影响
  • 2.4.4 准饱和土中气泡的动力特性
  • 2.5 准饱和土模型简化与合理性分析
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 准饱和土波动理论
  • 3.1 引言
  • 3.2 Biot饱和土波动理论
  • 3.2.1 Biot理论
  • 3.2.2 Biot理论的适用范围
  • 3.3 准饱和土波动理论
  • 3.3.1 非饱和土动力控制方程
  • 3.3.2 准饱和土动力控制方程
  • 3.4 混合物理论与Biot理论比较
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 准饱和土中波的传播特性及影响因素分析
  • 4.1 引言
  • 4.2 波动方程及问题求解
  • 4.3 土体特性参数影响分析
  • 4.3.1 渗透性
  • 4.3.2 孔隙率
  • 4.4 准饱和土中弹性波传播特性分析
  • 4.4.1 波速、衰减与饱和度、频率的关系
  • 4.4.2 波速、衰减与孔隙率、饱和度的关系
  • 4.4.3 波速、衰减与泊松比的关系
  • d的关系'>4.4.4 波速、衰减与kd的关系
  • 4.4.5 与气饱和土波传播特性的对比
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 准饱和土中瑞利波的传播
  • 5.1 引言
  • 5.2 计算模型
  • 5.3 理论方程及基本解
  • 5.4 准饱和土中瑞利波的特征方程
  • 5.4.1 边界透水时瑞利波特征方程
  • 5.4.2 边界不透水时瑞利波特征方程
  • 5.4.3 两种渗流极限情况
  • 5.5 瑞利波响应
  • 5.5.1 瑞利波位移及孔隙水压力
  • 5.5.2 瑞利波各组成波能量比
  • 5.6 数值分析
  • 5.6.1 瑞利波速度
  • 5.6.2 瑞利波位移
  • 5.6.3 瑞利波各组成波能量比
  • 5.6.4 瑞利波粒子运动轨迹
  • 5.7 本章小结
  • 第6章 弹性波入射准饱和半空间表面的动力响应
  • 6.1 引言
  • 6.2 动力控制方程及基本解
  • 6.3 边界条件
  • 1波入射准饱和弹性半空间表面时的动力响应'>6.4 P1波入射准饱和弹性半空间表面时的动力响应
  • 6.4.1 透水边界条件
  • 6.4.2 不透水边界条件
  • 6.4.3 地表面动力响应
  • 6.4.4 数值算例
  • 6.5 SV波入射准饱和弹性半空间表面时的动力响应
  • 6.5.1 透水边界条件
  • 6.5.2 不透水边界条件
  • 6.5.3 地表面动力响应
  • 6.5.4 数值算例
  • 6.6 实例分析
  • 6.7 本章小结
  • 本章附件
  • 第7章 准饱和土中圆柱形空腔动力响应及工程应用
  • 7.1 引言
  • 7.2 动力控制方程及基本解
  • 7.3 边界条件
  • 7.3.1 作用轴对称荷载
  • 7.3.2 作用轴对称流体压力
  • 7.4 数值结果分析
  • 7.4.1 作用轴对称荷载
  • 7.4.2 作用轴对称流体压力
  • 7.5 黄土暗穴扩展机理分析
  • 7.5.1 黄土暗穴的成因及形成机理
  • 7.5.2 黄土暗穴扩展机理分析
  • 7.6 本章小结
  • 第8章 结论与展望
  • 8.1 主要结论
  • 8.2 进一步研究的设想
  • 参考文献
  • 主要参数及符号说明
  • 致谢
  • 作者简介
  • 浙江大学岩土工程研究所历届博士学位论文目录

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