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将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。 相似文献
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流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界 总被引：1，自引：0，他引：1
基于Biot流体饱和多孔介质本构方程，采用平面波和远场散射波经验叠加来反映外行波传播，以经验参数反映人工边界外行波动的衰减和多角度透射特性。在人工边界处分别施加反映固相和液相介质传播效应的弹簧及阻尼来模拟人工边界以外的无限域介质对来自有限域的外行波的能量的吸收作用。从而形成一种流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界。数值算例表明：边界的精度和稳定性高于现有的黏性边界、黏弹性人工边界及一阶透射边界。 相似文献
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针对地下工程抗震分析中边界条件和地震动输入方式选择问题,对一地下半无限体模型在一剪切波垂直入射条件下进行不同边界条件和不同地震动输入方法的算例试算。结果发现:两侧采用竖直向位移约束、底部采用黏弹性边界、并在模型底部用等效节点力输入地震动的方法,与三边均采用黏弹性边界条件和三边均采用等效节点荷载输入地震动的方法可以获得同样的结果。该方法易于在ANSYS中通过APDL编程实现,可为地下工程抗震分析中黏弹性边界的使用提供便利。 相似文献
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基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。 相似文献
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基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。 相似文献
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Transmitting boundary for water-saturated transversely isotropic strata based on the u–U formulation
A new transmitting boundary in a cylindrical coordinate system has been developed for modeling the elastic waves radiating out to an infinite boundary in water-saturated transversely isotropic soil strata over a rigid bedrock. The saturated soil strata are assumed to consist of a porous material and modeled as a transversely isotropic two-phase medium, based on the u−U formulation. The newly developed transmitting boundary is combined with the finite-elements model of the near-field region, using the same u−U formulation, and applied to the study of the dynamics of a rigid circular foundation in porous isotropic or transversely isotropic layered strata, either fully or partly saturated with water. The verification and application examples give valuable insights into new and interesting aspects of the dynamic behavior of rigid circular foundations in fully or partly saturated two-phase ground in terms of permeability, transverse anisotropy, and ground-water table level. 相似文献
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本文以饱水两相介质的土力学模型为研究对象,在假定两相介质为弹性介质条件下,采用了显式有限元法和透射边界进行了饱和弹性半空间动力响应问题的研究。为避免谐波输入初始间断的影响,文中提出了一个处理函数,并以弹性半空间为算例,对饱水介质和单相介质分别进行了在底边界P波垂直入射时的动力响应分析,验证了该处理函数的有效性和实用性。 相似文献
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采用有限模型数值方法求解能量开放系统中的波动问题时,虚拟人工边界的处理方式对计算结果的准确性和精度具有重要的影响.本文针对无限域饱和多孔介质中波传播问题的人工边界处理方式进行了研究,提出了饱和多孔介质近场波动分析的一种黏弹性人工边界处理方法.在考虑多孔介质中固相和液相的相互作用的情况下,通过在人工边界处分别施加反映固相和液相介质波传播效应的弹簧及阻尼来模拟饱和多孔介质中波的能量辐射效应影响.算例表明,本文建议的黏弹性人工边界具有较好的模拟效果. 相似文献
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在ABAQUS黏弹性人工边界时域波动方法的基础上,首先运用等效应力输入方法实现地震SV波倾斜入射,半空间算例验证该方法具有较好的计算精度,进而基于所建立的斜入射方法研究地震波斜入射对海河沉管隧道地震响应的影响。计算结果表明:SV波斜入射情况下,沉管隧道的地震响应规律与垂直入射时具有明显差异;随入射角增加,沉管隧道结构应力增大,应力较大点出现在沉管隧道的四个角点及隔墙与底板、顶板的连接处,其中中隔墙为最薄弱点;随入射角增加,侧墙和隔墙的相对最大水平位移增大,其中中隔墙位移最大;随入射角增加,沉管隧道结构竖向加速度峰值明显增大。因此在沉管隧道结构抗震设计中应考虑地震波斜入射的影响。 相似文献
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结合黏弹性人工边界的时域波动输入方法和显式有限元法,设计了含垂直断层三维场地的SH波输入方法。基于建立的输入方法,研究了垂直断层对隧道地震响应的影响,并通过自由场算例验证了该方法具有较好精度。数值模拟结果表明:对于断层迎波侧的隧道结构,断层会对其地震动响应产生显著的放大作用,对于断层逆波侧的隧道结构,断层会对其产生隔离地震动的作用;相对周围围岩,断层介质的剪切波速越小,其产生的放大效应和隔震效果也会越显著;断层宽度越小,其对隧道地震动响应的影响范围也就越小,但是断层宽度的变化对于断层两侧隧道的地震动响应的影响并不明显。 相似文献
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为了解软土自由场地地震反应特性,开展饱和软土自由场地地震反应特性大型振动台模型试验。分别从模型体系自振特性、震陷位移及不同土层深度测点的加速度、动孔压比等动力响应指标方面,较为深入和全面地分析饱和软土自由场地地震反应规律、破坏机理。同时还分析模型箱的"边界效应"以验证试验土箱的合理性、有效性和测试仪器性能,并由此进一步确定模型地基有效工作区域。研究表明:(1)地震动作用下,饱和软土自由场地特征频率降低,阻尼增大;(2)饱和软土自由场地对水平输入地震波具有短周期滤波、长周期放大效应,且强震作用下地基失效并表现为减隔震作用;(3)饱和软土自由场地动孔压比优势区域位于浅埋土层,并随着输入地震动强度的增大,该区域动孔压比优势逐渐减弱。该研究可为非自由软土场地试验研究提供必要的技术经验。 相似文献
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在研究轨道振动荷载的产生机理基础上,归纳出一个能够涵盖速度、线路不平顺、轮重、轨枕对轮载的分散作用等因素在内的轨道荷载解析表达式,以此作为输入施加到土体模型上,利用ANSYS模拟地基土在轨道移动荷载作用下的三维瞬态弹塑性反应。通过计算得到土体不同位置位移和加速度时程曲线,并得出如下结论:荷载刚施加时地面位移会有一个突变,但是随着荷载的移动会达到一个稳定值,并随着水平面内远离轨道,该值逐渐衰减;荷载刚刚施加时加速度会有一个突变值,随着荷载的移动逐渐趋于零。轨道机车速度对竖向方向的位移和加速度影响不大。 相似文献
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弹性孔隙介质分界面上的反透射系数特征,在岩性划分、流体识别、储层边界判识等方面有重要的应用.本文研究上层为含两项不混合黏性流体孔隙介质、下层为含单项黏性流体孔隙介质分界面上的反透射理论.首先根据两种孔隙介质分界面上的能量守恒得到边界条件,再将波函数、位移、应力与应变关系代入边界条件,推导出完全连通孔隙情况下,第一类纵波入射到孔隙介质分界面上的反透射系数方程.通过建立砂岩孔隙介质模型,分别分析不同孔隙流体类型、不同含油饱和度及不同入射角情况下,各类波的反透射系数特征.研究表明,第二、三类纵波反透射系数数值比第一类纵波小多个数量级,且两者对入射角的变化不敏感,但对孔隙流体性质、含油饱和度的变化较敏感,而横波反透射系数特征恰好与此相反;第一类纵波反透射系数特征比较复杂,入射角、孔隙流体的性质及含油饱和度的变化都对其产生影响.不同孔隙流体弹性物性的差异、孔隙介质中含油饱和度的变化及不同入射角引起垂向和切向应力分量的变化都会影响各类波的反透射系数特征,分析这些特征可以为研究储层含油气性提供理论基础. 相似文献
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Based on the u–U formulation of Biot equation and the assumption of zero permeability coefficient, a viscous-spring transmitting boundary which is frequency independent is derived to simulate the cylindrical elastic wave propagation in unbounded saturated porous media. By this viscous-spring boundary the effective stress and pore fluid pressure on the truncated boundary of the numerical model are replaced by a set of spring, dashpot and mass elements, and its simplified form is also given. A u–U formulation FEA program is compiled and the proposed transmitting boundaries are incorporated therein. Numerical examples show that the proposed viscous-spring boundary and its simplified form can provide accurate results for cylindrical elastic wave propagation problems with low or intermediate values of permeability or frequency content. For general two dimensional wave propagation problems, spuriously reflected waves can be greatly suppressed and acceptable accuracy can still be achieved by placing the simplified boundary at relatively large distance from the wave source. 相似文献
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模拟弹性波在孔隙介质中传播，需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上，首次建立了弹性孔隙介质情况下完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法，并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先，本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比，验证所提出的数值方法的正确性；然后，本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能，将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比，研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明，在孔隙介质中，完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波，无论对体波还是面波，是一种高效边界吸收算法. 相似文献
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In this paper, a finite element model of a soil island is coupled to both a consistent transmitting boundary and a paraxial boundary, which are then used to model the propagation of waves in semi-infinite elastic layered media. The formulation is carried out in the frequency domain while assuming plane strain conditions. It is known that a discrete model of this type, while providing excellent results for a wide range of physical parameters in the context of a half-space problem, may deteriorate rapidly at low frequencies of excitation. This is so because at low frequencies the various waves in the model eventually attain characteristic wavelengths which exceed the distance of the bottom boundary, which then causes that boundary to fail. Also, the paraxial boundaries themselves break down at very low frequencies. In this paper, this difficulty is overcome and the model׳s performance is improved upon dramatically by incorporating an artificial buffer layer sandwiched between the bottom of the soil medium and the underlying elastic half-space. Applications dealing with rigid foundations resting on homogenous or layered half-space media are shown to exhibit significant improvement. Following extensive simulations, clear guidelines are provided on the performance of the coupled model and an interpretation is given on the engineering significance of the findings. Finally, clear recommendations are provided for the practical use of the proposed modelling strategy. 相似文献
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针对隧道的抗震安全性,借助有限元软件平台对其地震时程响应进行非线性有限元分析。利用弹性模型考虑混凝土隧道在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,同时对土体采用MohrCoulomb模型,选用人工边界作为边界条件,以人工合成的多点地震加速度时程作为地震动输入,分别考虑一致输入、行波效应、相干效应及行波加相干效应对隧道的影响。分析结果表明,与一致激励的计算结果相比,非一致地震激励会显著增加隧道结构的内力和位移响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。 相似文献
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地基土单元体在地震荷载作用下将产生主应力轴连续旋转,不同的应力耦合模式对土的强度、孔压以及变形等特性影响显著。利用GCTS空心圆柱扭剪仪,对天津滨海软土场地饱和黏性土进行K0固结下的不同应力耦合模式的循环剪切试验。着重对比相同应力路径下竖向和扭剪双向耦合加载模式,内外围压和扭剪的三向耦合加载模式以内外围压、竖向和扭剪的四向耦合加载模式条件下饱和黏性土的变形特性、循环软化特性。试验结果表明:在相同的动强度下,四向耦合应力模式更容易破坏且变形特性以及软化特性较双向、三向耦合下发展更加迅速;剪应力分量对试样软化变形特性的影响更加显著。 相似文献
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Scattering attenuation in short wavelengths has long been interesting to geophysicists. Ultrasonic coda waves, observed as the tail portion of ultrasonic wavetrains in laboratory ultrasonic measurements, are important for such studies where ultrasonic waves interact with small-scale random heterogeneities on a scale of micrometers, but often ignored as noises because of the contamination of boundary reflections from the side ends of a sample core. Numerical simulations with accurate absorbing boundary can provide insight into the effect of boundary reflections on coda waves in laboratory experiments. The simulation of wave propagation in digital and heterogeneous porous cores really challenges numerical techniques by digital image of poroelastic properties, numerical dispersion at high frequency and strong heterogeneity, and accurate absorbing boundary schemes at grazing incidence. To overcome these difficulties, we present a staggered-grid high-order finite-difference (FD) method of Biot’s poroelastic equations, with an arbitrary even-order (2L) accuracy to simulate ultrasonic wave propagation in digital porous cores with strong heterogeneity. An unsplit convolutional perfectly matched layer (CPML) absorbing boundary, which improves conventional PML methods at grazing incidence with less memory and better computational efficiency, is employed in the simulation to investigate the influence of boundary reflections on ultrasonic coda waves. Numerical experiments with saturated poroelastic media demonstrate that the 2L FD scheme with the CPML for ultrasonic wave propagation significantly improves stability conditions at strong heterogeneity and absorbing performance at grazing incidence. The boundary reflections from the artificial boundary surrounding the digital core decay fast with the increase of CPML thicknesses, almost disappearing at the CPML thickness of 15 grids. Comparisons of the resulting ultrasonic coda Q sc values between the numerical and experimental ultrasonic S waveforms for a cylindrical rock sample demonstrate that the boundary reflection may contribute around one-third of the ultrasonic coda attenuation observed in laboratory experiments. 相似文献