基于精细时程积分算法的饱和两相介质动力反应研究

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本文对前期研究中建立的基于精细时程积分的饱和两相介质动力问题的时域求解方法进行了补充研究,完成了方法的验证,并应用该方法进行了饱和两相介质地震反应的计算研究,开展的主要研究工作及取得的研究结论如下:1.对基于精细时程积分算法的饱和两相介质动力反应求解程序进行了完善,补充编写了矩阵集成和网格划分的子程序,最终形成一个完整的求解程序。基于完善后的计算程序,开展了多个典型算例的计算分析,包括分别在阶跃荷载和正弦荷载作用时,不同工况下一维饱和土柱的动力反应分析,以及三角形周期荷载作用下一维饱和土柱动力反应分析,通过计算结果和解析解结果的对比,完成了基于精细时程积分的饱和两相介质动力反应计算方法的验证。2.应用基于精细时程积分的饱和两相介质动力反应计算方法并结合透射人工边界,进行了饱和两相介质自由场二维地震反应的计算分析。以压缩波和剪切波的形式对场地施加了天津地震记录和Loma Prieta地震记录,得到了场地自由面的位移和速度时程以及场地中部节点的孔隙水压力时程,计算结果符合弹性波动理论的规律。验证了前述计算方法在饱和两相介质地震反应计算中的适用性,也表明了透射人工边界方法在基于u-p形式波动方程的两相介质地震反应中应用的可行性。3.开展了介质材料参数对饱和两相介质自由场动力响应影响的研究,分别讨论了渗透系数、泊松比、弹性模量、孔隙率对场地动力响应的影响。结果表明:(1)渗透系数对场地竖向位移影响较小,对场地水平位移和孔隙水压力影响较大,一定范围内,随着渗透系数增大,场地的水平位移增大,孔隙水压力减小,渗透系数对场地上部的孔压影响更为明显。(2)土体泊松比对场地竖向位移影响较小,对场地水平位移和孔隙水压力影响较大,一定范围内,随着泊松比减小,水平位移增大,孔隙水压力也增大。(3)弹性模量对场地竖向位移,水平位移以及孔隙水压力都有明显的影响,一定范围内,随着弹性模量减小,竖向位移和水平位移增大,孔隙水压力也增大,弹性模量对场地底部的孔隙水压力影响更加明显。(4)孔隙率对场地竖向位移影响较小,对水平位移和孔隙水压力影响较为明显,一定范围内,随着孔隙率减小,水平位移增大,孔隙水压力也增大。4.应用Ducan-chang模型描述两相介质中固相的非线性性质,开展了饱和两相介质非线性动力反应的初步研究,计算结果符合两相介质非线性动力反应的规律。本文研究工作表明,前期研究中建立的基于精细时程积分的时域数值算法可应用于求解较为复杂的饱和两相介质的动力问题。
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