流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析

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1、北京交通大学博士学位论文流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析姓名：李亮申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵成刚20040901摘要流体饱和两相多孑L介质在地震波作用下的动力反应计算分析是土动力学中的重要研究课题，而饱和土体的弹塑性动力本构模型与求解两相多孔介质的波动方程所采用的数值计算方法是进行这一问题的研究所必不可少的两个基本要素。在两相多孔介质动力反应的计算分析中，所采用的弹塑性动力本构模型决定了计算结果是否能够真实地反映饱和土体在动荷载作用下的动力反应特性，从而影响到计算结果的正确性；而求解波动方程所采用的数值计算方法要显著地影响计算时所占用的计算机内存资源量以及计算所需

2、要消耗的机时，从而决定了计算求解的效率。本文针对流体饱和两相多孔介质的动力反应计算分析这一研究课题，在饱和土体的弹塑性动力本构模型与求解两相多孔介质波动方程的数值计算方法两个方面开展研究工作，主要研究成果如下：l，利用土体的塑性流动理论，基于饱和±体的SMP破坏准则，建立了一种新的适用于描述饱和砂土在循环荷载作用下的反应性质的弹塑性动力本构模型。该模型中具有较少的模型参数，并且这些参数的数值都可以通过常规的固结不排水三轴压缩试验和静水压力试验来进行确定。同时，该模型的形式比较简单，适合于在数值计算中进行应用，可以很方便地用于流体饱和两相多孔介质的弹塑性动力反应的计算分析之中。2．利用饱

3、和砂土试样的固结不排水三轴压缩试验和静水压力试验的试验结果对本文所建立的弹塑性动力本构模型中的模型参数的数值进行了标定，并通过将应用模型得到的模拟计算结果与饱和砂土试样的动三轴试验结果进行对比，对该模型的正确性进行了验证。对比的结果表明，应用本文模型所得到的模拟计算结果与相应的试验结果符合良好，这表明本文所建立的弹塑性动力本构模型能够对循环加载条件下饱和砂土的动力反应进行比较准确的模拟计算，将这一模型应用于流体饱和两相多孔介质的弹塑性动力反应的计算和分析之中是可行的。3．建立了求解流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程，进行两相多孔介质的弹性动力反应计算分析的时域显式有限元方法。该方法采用

4、了解耦技术，只需要求单元刚度矩阵而不需要组集系统的总体刚度矩阵，在计算的过程中不需要求解联立方程组，并且某节点的运动量仅与其周围的几个节点相关，而与其它的节点无关，因而具有节省计算机内存空间和能够提高计算速度等优点。通过将应用该方法计算得到的数值解结果与解析解的计算结果进行比较从而使该方法的J下确性得到了验证。4．应用本文所建立的流体饱和两相多孔介质的弹性动力反应计算分析的时域显式有限元方法，对两相介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行了计算分析，然后对在是否考虑孔隙流体渗流的两种情况下计算得到的两相介质弹性动力反应结果的差异进行了对比研究，并且就渗透系数的取值对于两相介质的弹性动力

5、反应计算结果的影响进行了分析和讨论。5．将本文所建立的饱和士体弹塑性动力本构模型与时域显式有限元方法相结合，提出了流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的时域显式有限元方法。该方法以两相介质动力反应的增量作为基本未知量，可以按照时间的顺序依次进行逐步的迭代求解，从而完成两相介质体系弹塑性动力反应时程的计算，而无须在迭代计算的每一个时间步中求解系统整体的联立方程组。6．应用本文所建立的流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的时域显式有限元方法，对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行了计算分析，并将计算结果与相应的弹性动力反应的计算结果进行了对比，然后对本文所建立的饱和土

6、体弹塑性动力本构模型进行了参数研究，对该模型中参数的取值对于两相介质弹塑性动力反应的计算结果的影响进行了分析和讨论。关键词：流体饱和两相多孔介质，动力反应，弹塑性，动力本构模型，SMP破坏准则，时域显式有限元方法AbstractThecalculationandanalysistothedynamicresponseoffluid—saturatedporousmediaisanimportanttopicinthesoildynamics，andsuchtwobasicfactumareessentialtothistopicItStheelasto-plasticdynamicco

7、nstitutivemodelofsaturatedsoilsandthenumericalcalculatingmethodtosolvethewavepropagationequationoftwo-phaseporousmedia．Whenthecalculationandanalysistothedynamicresponseoftwo-phaseporousmediaiscardedout,theadoptedelasto-plast