振动波作用下饱和土-基础动力相互作用机理研究

Based on various research methods, the dynamic interaction between saturated soil and foundation excited by seismic waves is studied for the control of environmental vibration caused by dynamic loads in this research project. The displacement, velocity and acceleration time-history curves of the soil around the dynamic loads are obtained by field measurement. And combining with the Biot's dynamic poroelastic theory, characteristic parameters of seismic wave fields reflecting the influence of the dynamic loads are determined. Then, based on these characteristic parameters, the input wave fields are established in order to analyze the scattering of seismic waves caused by the existence of the foundation. Considering the fluid-solid coupling interaction of the soil, analysis model and finite element model describing the dynamic interaction between saturated soil and foundation excited by seismic waves are established respectively. The influences of characteristics of seismic waves, soil and foundation on the dynamic response of the whole system are investigated. The laboratory model test is introduced for the comparative analysis with the results of the analysis model and finite element model. This project will facilitate further understanding on the law of propagation and scattering phenomenon of seismic waves in saturated soil, as well as the mechanism of the dynamic interaction between saturated soil and foundation excited by seismic waves, and be helpful to practical engineering, such as design of dynamic foundation, environmental vibration control and so on.

针对动荷载引起的周边环境振动问题，本项目拟通过现场实测、理论解析、有限元模拟和模型试验相结合的方法对振动波作用下饱和土-基础动力相互作用问题进行研究。首先通过实测获得不同动荷载形式周边土体的位移、速度、加速度时程曲线，结合Biot波动方程确定能够反映实际动载形式影响的振动波波场控制参数；根据波场控制参数建立输入波场模型，分析基础对振动波的散射规律；考虑饱和土体的流-固耦合作用，分别建立振动波作用下饱和土-基础解析及有限元模型，研究振动波波场、饱和土体特性和基础参数等因素对系统动力特性的影响规律；进行室内模型试验，将试验数据与解析及有限元结果进行对比, 分析造成结果差异的原因，完善分析模型。本项目的实施可进一步加深对饱和土中振动波传播与散射规律的认识，揭示振动波作用下饱和土-基础动力相互作用机理，并为饱和土中动力基础的设计及环境振动的控制等工程提供更符合实际的分析方法和设计依据。

在我国东南沿海地区，地下水位较高，广泛分布着饱和土地基。动荷载作用下，饱和土体常表现出强度低、变形大等动力特性，同时饱和土体中的孔隙水对波的传播及散射规律影响明显。项目在土体动力特性、基础的动力响应、成层地基及复杂基础形式的有限元模型建立等方面进行研究：.（1）针对路基土体在动荷载作用下的实际排水状态，进行了不同循环偏应力和循环围压耦合应力路径的部分排水循环加载试验，提出了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软粘土的永久体应变拟合经验公式以及永久轴向应变经验公式。.（2）研究了饱和地基表面刚性圆形基础在简谐波下的动力响应问题。基于饱和土体的Biot方程，引入辐射波场及刚体散射波场，结合边值条件与基础的动力平衡方程，得到了问题的解析解，分析了入射波频率、入射角度，基础质量以及饱和土体渗透性等对基础竖向振动的影响。.（3）将多次透射人工边界(MTF)推广到饱和地基动力响应的有限元模拟中。基于饱和土体的Biot方程，在频域中解析求解了平面P1、P2和SV波入射时，二阶MTF人工边界稳态反射系数的表达式，并分析了无量纲频率比、网格步距和时间步距下的MTF人工边界反射系数和反射角。.（4）建立了移动谐振荷载下等跨简支箱梁上覆无限长板式轨道的竖向动力分析模型，并利用周期结构动力响应的性质进行求解。分析了不同荷载自振频率、移动速度和初始位置下，钢轨、轨道板和箱梁的位移响应频谱、钢轨的时域位移响应和箱梁支座的反力时程。.（5）建立了三维层状饱和地基模型并在模型底部施加无反射边界条件，将饱和地基Biot动力方程化为Love和Rayleigh模态方程，将地基沿深度方向划分为数个薄层单元并对单元位移场引入线性插值函数，最终给出了三维层状饱和地基的频域动力Green函数。.（6）研究了饱和半空间表面无限长欧拉梁的沉降变形特性。假定梁与地基接触面符合平均耦合接触条件，考虑地基表面完全透水及完全不透水情况，基于Fourier及Laplace变换获得解析解，分析了梁的弯曲刚度、地基的排水及不排水泊松比以及透水条件对梁的沉降变形影响。.（7） 采用频域容积法建立了群桩基础与三维饱和地基动力相互作用分析模型。桩体离散为三维Euler-Bernoulli梁单元，饱和地基的影响由各桩-土相互作用点之间的刚度矩阵体现，桩体与土体间假设为完全接触，分析了不同激振频率和地基渗透系数条件下群桩基础的动