弹性半空间中衬砌洞室对平面P波和SV波的散射(Ⅰ)——方法

采用一种高精度的间接边界积分方程法,求解了弹性半空间中任意形状衬砌洞室对入射平面P波和SV波的散射问题。在衬砌内外表面附近引入虚拟波源面,由该面上的柱面膨胀波源和剪切波源构造衬砌内外的散射波场,继而由边界条件建立方程并求解得到虚拟波源密度,总波场可由散射场和自由场的叠加而得。通过精度验证和稳定性检验,表明该方法具有极高的数值精度和数值稳定性。     

层状半空间中凹陷地形对斜入射平面P波的2.5维散射

采用间接边界元法研究了层状半空间中凹陷地形对斜入射平面P波的2.5维散射问题。取无限长凹陷地形任一横截面,将边界以斜线单元离散,通过自由场反应分析,求得假想边界上各单元的应力响应。施加虚拟移动均布斜线荷载,求得应力格林函数。根据凹陷边界上的零应力边界条件确定虚拟移动均布斜线荷载密度,将自由场响应和虚拟移动均布斜线荷载产生的响应叠加起来,即得到问题的解答。通过与已有结果的对比,验证了本文方法的正确性。最后,以均匀弹性半空间和基岩上单一土层中凹陷地形对斜入射平面P波的2.5维散射为例,进行了数值计算分析,结果表明:凹陷地形的2.5维散射和二维散射之间存在明显差异;层状半空间中凹陷地形和均匀半空间中凹陷地形对波的散射作用存在显著差别。分析了造成差别的原因,并深入讨论了入射角度、覆盖层厚度和刚度对散射作用的影响。     

层状楔形空间平面SH波入射下的波场分析

采用间接边界元方法求解SH波入射下的层状楔形空间内的波场。本文方法首先将层状楔形空间扩展为层状半空间,计算层状半空间在SH波入射下的自由波反应;然后在楔形空间斜边界上施加虚拟均布荷载,模拟楔形空间斜边界对波场的影响,虚拟均布斜线荷载密度可由相应边界条件求得;最后叠加自由波场和均布斜线荷载产生的波场,求得总波场。验证了本文方法的正确性并进行了数值计算分析。研究表明,层状楔形空间与均匀楔形空间内的波场存在显著差异,土层的存在使得位移幅值随入射角度的变化更为复杂。该研究为后续楔形空间在P、SV和Rayleigh波入射下的波场求解打下了基础。     

饱和土半空间中地下圆形衬砌洞室对平面SV波的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier-Bessel级数展开法,通过对含有衬砌洞室的局部场地进行波场分析,得到饱和土半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波的散射问题的解析解。经验证,本文得到的解可以退化为半空间单相介质的情况。通过与已有的单相弹性介质半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波散射问题的解析解的对比,验证了此解的正确性。在解析解的基础上,数值计算给出洞口动应力集中放大系数,分析了入射频率和孔洞埋深对柱面上的应力集中因子的影响。     

近断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射∗

采用间接边界单元法,求解断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射。首先,通过IBEM求解半空间波动问题的思路,在单层位势理论下,将虚拟荷载施加于散射体表面构造散射波场。然后根据交界面处位移连续条件和应力连续条件建立方程,进而求解得出虚拟荷载密度。半空间自由波场与散射波场通过叠加得出总波场,将得出的结果与现有的精确解进行对比,从而使本方法的计算精度得到验证。最后,通过求得的详细数值结果,讨论了半空间中断层场地和衬砌隧道对平面SH波的散射规律。数值分析结果表明:近断层场地衬砌隧道附近SH波的散射同无断层情况相比差异显著,动力反应特征主要依赖于不同断层倾角、隧道与断层距离、SH波入射角度、入射频率等参数。总体上看,SH波入射下,当衬砌隧道位于断层上盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有一定的缩小效应;当衬砌隧道位于断层下盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有放大效应,应力增幅可以达到30%。实际隧道结构动力分析宜根据实际工况考虑断层存在的影响。     

浅部地下洞穴散射瑞利波对表观相速度影响

均匀半无限体中表面源激发的瑞利波能量在介质浅部占主导地位。当前行瑞利波遇浅部洞穴时,瑞利波在洞穴发生散射。以洞穴作参照位置,波场沿前行波方向可依次分为前方、上方、后方三个区域。前方远场散射波以反射瑞利波为主,传播特性与入射波相同;当洞穴几何参数满足一定条件,上方散射波可形成与兰姆波传播特性类似的导波;后方远场由透射瑞利波主导。受散射波影响,表面波场表观相速度出现扰动,不同位置扰动特征不同,若测线下方有浅部洞穴存在,由不同位置相速度扰动特征差异,可预测洞穴方位,由前方相速度特征扰动对应波长可预测洞穴埋深。     

饱和土中任意排列的排孔屏障对P波的多重散射

基于Biot饱和土波动理论,采用波函数展开法,对饱和土体中任意排列的排孔对P波的多重散射进行了理论求解,通过排孔-土体间应力、位移自由的边界条件,得到波函数展开后的待定复系数,由此确定屏障前后总波场的解。数值算例中考察了P波入射下饱和土体中周期性排列的排孔屏障前后无量纲位移幅值的变化情况,对影响屏蔽效果的主要几何参数如排孔间距、排距、数量、布置方式等进行了分析和讨论,得到了排孔的优化设计建议,为弹性波在饱和介质中的传播规律和屏障隔振提供理论计算依据。     

ABAQUS中黏性边界条件的实现及应用

波动数值模拟时,基底直接输入地震波会导致波动能量在计算域内往复反射,影响分析结果的可靠性。应用黏性边界条件模拟无限地基的辐射阻尼效应,基于波动理论及Spring/Dashpots单元实现了ABAQUS软件中黏性边界条件的施加,进而对弹性半空间的波源问题和散射问题进行波动数值模拟,并验证了黏性边界条件的有效性。采用黏性边界和固定边界条件计算响嘡台阵3号测井的土层地震反应,并将计算结果与实际记录进行对比分析。结果表明,固定边界会造成散射波往复反射,放大了地表的地震响应,黏性边界能吸收散射的波动能量,能够较好地模拟土层地震反应。     

饱和土中排桩对入射S波隔离的三维分析

基于Biot两相饱和多孔介质理论,就饱和土体中排桩对入射S波的隔离效应进行了三维分析。使用坐标转换和Graf加法定理,将某一桩体附近的总波场构造为入射波和所有桩体的散射波之和,通过施加桩土界面处的边界条件,利用不同阶三角函数的线性无关性,得到了问题的解析解。数值算例对排桩后面的饱和土体的竖向位移振幅衰减进行了分析,探讨了入射波频率和桩土弹性模量比等参数对饱和土中排桩隔离效果的影响。与弹性土中的相应结果比较表明：频率较低时,饱和土中排桩的隔离效果和弹性土中较为接近;频率较高时,两者之间的差别有所增大。     

近似Rayleigh地震波作用下地下综合管廊响应分析

地下综合管廊是一种重要的生命线基础设施,目前对其抗震性能的研究还处于起步阶段。由于属于浅埋地下结构,故地震波中的面波、尤其是Rayleigh波可能会成为地下综合管廊破坏的控制因素。本文根据简谐Rayleigh波的特点,提出了近似Rayleigh地震波的概念,并在假定已知Rayleigh波水平分量的情况下,利用傅里叶变换求得近似Rayleigh地震波场。采用三维有限元模型,对地下管廊结构进行了地震响应分析。分析结果表明:本文建议方法可以有效地模拟波动的传播过程;地下综合管廊结构的变形以整体弯曲变形为主;结构顶面应变约为对应底面位置应变的两倍,与Rayleigh波沿深度衰减的规律相类似。     

半空间中圆柱形夹塞物对入射平面SV波的散射解析解

采用Fourier-Bessel波函数展开法,给出了半空间中地下夹塞物对平面SV波的散射解析解。借助大圆弧面近似模拟水平地表,由连续性边界条件和自由地表条件建立方程求解。通过参数分析,讨论了夹塞物本身及入射波特性对地表位移的影响规律。研究表明:夹塞物附近地表位移放大效应显著,地表位移对入射SV波频率和角度的变化比较敏感。当埋深较深时,夹塞物的散射效应可以忽略。     

二维定常泥流的数值模拟

本文以Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔａｋｅｓ方程为基本方程，将泥石流的一种特殊形式－泥流作为Ｂｉｎｇｈａｍ流体，用有限体积法对三种不同底部条件的泥流流场进行了数值模拟，给出了速率分布，并指出了泥流与清水流动的不同之处。     

半圆形凸起地形对SH波的散射与地震动 --有多个浅埋圆孔情形

采用"契合"的思想,给出了地下多个孔洞与地面上的半圆形凸起地形对SH波散射问题的解答.将整个求解区域分割成两部分来处理,其一为包括半圆形凸起地形在内的一个圆形区域I,其余为区域Ⅱ.在区域Ⅰ中,构造了一个上半部边界应力为零,而其余部分位移、应力任意的驻波解;在区域Ⅱ中,构造了半圆形凹陷和浅埋圆孔的散射波,且要求它满足水平界面上应力为零的约束条件.然后再通过移动坐标,满足"公共边界"的"契合"条件和地下孔洞的边界条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组.最后,给出了分析例题和数值结果,并对地表位移幅值进行了讨论.     

岩体爆破破坏效应颗粒流数值模拟验证研究

采用颗粒流方法对岩体爆炸破岩过程进行数值模拟,将集中药包作用下的爆炸球面波等效为三角形波脉冲,根据颗粒离散元原理建立了点膨胀加载法和动边界处理法,结合动三轴试验标定的细观力学参数,建立了颗粒离散元爆炸应力波传播分析模型。利用数值模拟进行了爆破破岩机理分析,探讨了不同埋深、炸点膨胀比、炮孔压力对爆破效果的影响,给出了数值模拟时合适的炸点膨胀比与峰值压力取值范围,并根据爆破工程实践对爆破漏斗效应、微差爆破效应进行了验证。研究方法简单可靠,可反映岩体爆炸应力波传播规律,动态表征岩体的破坏过程,有助于进一步加深对工程爆破效应的认识。     

层状半空间中沉积谷地对入射SV波的放大作用——时域解答

利用傅里叶变换方法,研究了层状半空间中沉积谷地对SV波的时域散射问题。首先,通过傅里叶变换将时域问题转换为离散的频域问题,针对有效频率成分采用间接边界元方法求解频域响应,再将所得频域结果进行傅里叶逆变换得到时域解答。通过与已有结果的对比,验证了方法的正确性。最后,以基岩上单一土层中沉积谷地在R icker波入射下的散射问题为例进行了数值计算分析,结果表明,沉积谷地和土层的存在都会造成振动持续时间的增长;层状半空间中沉积谷地和均匀半空间中沉积谷地对波的放大作用存在显著差别。文中分析了造成该差别的原因,并讨论了覆盖层厚度和刚度对散射效应的影响。     

应力反射波在注浆微型钢管桩中的波速研究∗

基于三维波动理论,考虑对长细比较大的注浆微型钢管桩(GMSP桩)满足一维弹性杆件条件,对应力反射波运动方程进行简化分析;利用材料对强冲荷载的动态响应研究成果,结合物质运动学LOVE方程及弹性力学ST.Venant原理,推导出低应变法反射波在GMSP桩注浆体与钢管共同组成的复合胶结体中的传播波速理论计算模型;设计及开展了三个不同地质条件场地的9条试桩低应变反射波试验;并对现场试验与理论模型计算波速进行对比与分析,得出以下结论:GMSP桩完整性可采用低应变动测检测;文中提出的理论模型计算波速与现场实测波速吻合度高,相对可靠性、准确性。建议在GMSP桩工程桩进行低应变应力反射波检测时,可结合提出的理论计算模型,先对其低应变波速进行计算,以此对桩长、缺陷位置以及完整性进行判定。     

地震波数值模拟方法研究综述

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造的有效工具。地震波场数值模拟的主要方法包括3大类,即几何射线法、积分方程法和波动方程法。首先介绍了地震波数值模拟方法的理论基础和内容及特点,然后概括介绍了20世纪90年代以来几何射线法和各种波动方程数值模拟方法的新进展。因为波动方程数值模拟包含了丰富的波动信息,可为研究地震波的传播机理和复杂地层的解释提供更多的佐证,所以重点介绍波动方程数值模拟方法。最后,对各种数值模拟方法进行了评述,并给出了地震波传播理论和数值模拟方法发展的展望。     

局部断层场地对平面SV波的散射

借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵及斜线荷载的格林函数,利用间接边界元法在频域内求解了局部断层场地对SV波的散射,着重分析了破碎带较窄断层两侧围岩动力响应的基本规律,以及场地动力特性对散射的影响.研究表明,破碎带断层对SV波有显著的影响,即使破碎带很窄,也可以对SV波产生很大的放大作用;层状场地的动力特性对放大作用有显著的影响.     

地震波斜入射下土质边坡的稳定性分析*

地震诱发的边坡失稳是重要的地质灾害类型之一,数值方法是对地震边坡进行分析的一项重要工具。基于黏弹性人工边界,通过将地震记录转化为等效地震荷载实现地震波在场地中的施加;并采用Mohr?Coulomb准则模拟土体的非线性特征。根据非线性有限元软件ABAQUS,建立了双面边坡的数值模型,通过分析地震波在不同角度入射下不同坡角边坡的地震响应,讨论了地震波入射角以及边坡坡角对破坏的影响。结果表明,地震波入射角和边坡形状改变了地震波在坡体内的传播规律,因此影响了边坡的破坏。随着地震波入射角的增加,靠近波源一侧坡面的滑动位移和滑动区域逐渐增加,而远离波源一侧的滑动位移和滑动区域逐渐减小。边坡坡度的增加引起坡面危害的逐渐加剧。本文讨论了不同尺寸边坡在不同地震作用下的破坏规律,从而为地震诱发边坡的失稳破坏提供了理论支撑,具有重要的现实工程意义。