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原文传递考虑热流固耦合效应的软黏土-结构爆炸动力响应分析

论文题名：	考虑热流固耦合效应的软黏土-结构爆炸动力响应分析
关键词：	热流固耦合;动力响应;软黏土;隧道结构;爆炸冲击波;有限元法
摘要：	爆炸作用下软黏土热流固耦合效应涉及渗流力学、土动力学、传热学等多个学科，影响因素多而复杂。爆炸后软黏土的物理、力学性质综合反映了爆炸过程固态、液态物质在温度场下的变形、破坏以及它们和渗流场的相互作用，即所谓的耦合效应。为此，本文建立了饱和土体热流固耦合动力响应模型，研究了软黏土热流固耦合动力响应问题，开展了软黏土原位爆炸试验，并对爆炸作用下软黏土-隧道相互作用进行了数值模拟。主要研究内容如下：　　基于热(温度场)、流(渗流场)、固(应力和位移场)的耦合作用，对传统 Fourier定律进行修正，并考虑流、固两相介质的压缩性，以及热流效应和热渗效应的影响，在 Biot波动方程和热弹性理论的基础上建立了热流固耦合动力响应模型。不考虑热效应时，该模型可退化为Biot波动方程。　　利用所建立的热流固耦合动力响应模型，研究了内置热力简谐荷载作用下半无限饱和多孔弹性体的动力响应。利用Hankel变换，在变换域中获得了简谐荷载下弹性体内的应力、位移及孔隙水压力分布，再通过 Hankel逆变换得到其积分解。讨论了热流固耦合条件下土体竖向位移和孔隙水压力的分布特征，并与多孔弹性地基模型的计算结果进行了比较。　　引入准静定理论和弹塑性理论计算了黏性土在爆炸后成腔半径与土体的物理、力学性质及炸药参数之间的关系。考虑爆轰引起的热力冲击随时间的变化特征，借助于Laplace积分变换技术，研究了球空腔和圆柱形孔洞的热流固耦合动力响应。在热冲击作用下，研究讨论了热流效应和热渗效应系数对热流固耦合动力响应结果的影响，最后将耦合计算结果与热弹性计算结果进行对比分析。　　考虑软黏土的黏弹特性，引入松弛函数，对热力谐振荷载作用下土体的热流固耦合动力响应进行了研究。利用Laplace变换技术，直接求解得到了热力谐振荷载作用下土体的温度增量、应力、位移和孔隙水压力，研究了土体松弛特性参数对软黏土热流固耦合动力响应的影响。　　假设隧道内爆炸后的压力均匀分布于衬砌表面，研究了热力谐振荷载作用下软黏土隧道的热流固耦合动力响应。通过引入相对渗透性的概念，探讨了衬砌和土的相对刚度以及相对渗透性参数对土-结构动力响应的影响。　　通过软黏土原位爆炸试验，测试了爆炸冲击波、孔隙水压力、爆炸温度等数据，得到了爆炸波在饱和软土中的衰减形式，并进一步分析了爆炸波在软土中的传播规律。　　将土体简化为理想弹塑性材料，采用经典的Drucker-Prager弹塑性本构模型，在 ABAQUS软件中建立三维隧道-土数值计算模型，初步分析了爆炸冲击波衬砌的应力、加速度、位移等时程分布曲线，研究了爆炸作用下土介质的动力学响应规律。
作者：	郑荣跃
专业：	力学
导师：	唐国金
授予学位：	博士
授予学位单位：	国防科学技术大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文