斜入射平面SH波在层状饱和半空间中沉积谷地 周围的三维散射

为研究层状饱和场地中沉积谷地对斜入射地震波的三维散射问题,建立了求解问题的2.5维间接边界元方法。通过沿沉积谷地轴线方向的傅里叶变换将三维问题降为二维问题,进而在沉积谷地的截面内进行边界单元的离散和求解,求得沉积谷地截面内的动力响应,然后再将截面内计算结果沿沉积谷地轴线方向进行波数展开即可求得任意位置动力响应。通过与弹性情况的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和基岩上单一饱和土层中沉积谷地对斜入射平面SH波的三维散射为例进行了数值计算和分析。研究发现沉积谷地对SH波的三维散射与二维散射之间存在显著差异;饱和情况(透水或不透水)与干土情况沉积谷地附近地表位移的差别很大;另外层状饱和半空间中沉积谷地和均匀饱和半空间中沉积谷地对斜入射SH波的放大作用也存在显著差别。     

层状场地中二维沉积谷地对弹性波的三维散射

为研究层状场地中二维沉积谷地对斜入射弹性波的三维散射问题,建立了求解问题的移动间接边界元方法。方法通过沿二维沉积谷地轴线方向的傅里叶变换将三维问题降为二维问题,进而在沉积谷地截面内进行边界单元的离散和求解,求得截面内的三维动力响应,然后将截面内的计算结果沿沉积谷地轴线方向进行波数展开即可求得任意位置动力响应。文中通过与前人结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间场地和基岩上单一土层场地为例进行了数值计算和分析,给出了一些有益的结论。     

流体饱和层状半空间中沉积谷地对地震波的散射— IBIEM求解

针对流体饱和层状半空间中任意形状沉积谷地对地震波的散射问题,基于单层位势理论,建立一种新的间接边界积分方程法（IBIEM）：首先推导饱和层状半空间中两类膨胀波源和剪切波源动力格林函数,进而由分布在沉积谷地和层状半空间交界面附近两虚拟波源面上的P_I、P_II和SV波源分别构造沉积内外的散射波场。由交界面连续性条件建立方程并求解确定虚拟波源密度,总波场即可由自由波场和散射波场叠加而得。然后通过边界条件验算、退化解答与现有结果的比较,验证了方法的计算精度。通过一组典型算例,初步探讨了平面SV波在饱和层状半空间中沉积谷地周围散射的基本规律。研究表明：饱和层状沉积对地震波的散射和相应干土情况存在显著差异,边界渗透条件对沉积内部地震响应具有重要影响;饱和层状场地中波的散射和均质半空间情况有着本质不同,总体反应体现了饱和土层的共振放大效应和沉积谷地对波的散射效应。实际场地中地震波传播的精确模拟需考虑岩土介质的多相性和层理特征。     

沉积层序对谷地场地地震反应的影响-SH波入射

采用一种多域间接边界元方法,求解了层状半空间中多层沉积谷地对平面SH波的放大效应问题。该方法将含有多层沉积的层状半空间分解为开口层状半无限空间域和多个沉积层闭合域,进而通过求解层状半空间中斜线均布荷载动力格林函数来模拟开口域内的散射波场,通过求解全空间中均布荷载动力格林函数来模拟各闭合域的散射波场。方法充分发挥半空间格林函数和全空间格林函数在构造开口半无限空间域和闭合域内散射波场方面的优势,具有灵活性强和精度高的优点。文中验证了方法的正确性,并以正常沉积、软夹层沉积和逆序沉积为例进行了数值计算分析,研究了沉积层序对谷地附近地面运动的影响。数值结果表明,沉积层逆序排列时,低波速层对中高频地震动均有很好的“隔震”效果;沉积层序对地面运动的固有频率和卓越频率均有着显著的影响;沉积序列的改变会导致沉积动力特性的改变,进而会影响到沉积谷地与层状场地的动力相互作用机制。     

圆弧形沉积谷地对平面SV波三维散射解析解

采用大圆弧面来模拟半空间表面,利用波函数展开法和有限项Fourier展开技术,在频域内给出了圆弧形沉积谷地对平面SV波三维散射的一个解析解。并以此解答为基础,进一步分析了入射波频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应的影响。研究表明,圆弧形沉积谷地对平面波的三维散射比二维散射更加复杂;将三维散射问题分解为两个主平面入射的简化处理存在较大的误差;入射波的频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应均有重要影响。     

不同地层波速模型对沉积谷地地震响应规律的影响：FEM-IBIEM模拟研究

准确的地层波速模型是场地反应分析的关键,而实际地层波速测定存在很大的不确定性。计算中通常采用简化的均质和分层模型,或者根据钻孔数据将波速沿深度进行线性、二次或指数拟合。这些不同波速模型对沉积谷地地震响应的影响规律究竟如何目前尚未得以厘清。为此尝试采用有限元—间接边界积分方程耦合方法,通过频时域定量计算,从波动学角度揭示不同波速模型沉积谷地地震响应的差别及其本质所在。数值计算结果表明：低频波入射时(),常用的几种波速模型对地表位移反应影响不大。但随着频率增大,不同波速模型对计算结果的影响不能忽略。着重考察了线性模型和均质模型之间的反应差别：发现线性模型情况下高频共振和盆地边缘效应更为显著,由此导致地震能量主要积聚在近地表土层,并使得沉积内部地表位移幅值显著放大,地震动持时明显增长。另外,沉积谷地形状和入射角度对地震波聚焦特征也具有重要影响,不同波型入射下聚焦区域有很大差别。实际沉积谷地地震动场精确模拟需获取较为精细的地层波速结构和边界几何特征。     

SH波入射凹陷半球形谷地的数值分析

以半球形沉积谷地对入射平面SH波的放大作用作为算例,提出一种研究地震波斜入射时三维土体动力反应的数值计算方法,求得了地表一些点的位移响应和不同频率下的谱放大系数,以供参考。     

弹性波入射下地下洞室周围散射研究

利用间接边界元法,在频域内求解弹性半空间中洞室对入射平面P波的放大作用.首先对自由场进行反应分析,求得洞室边界上的应力响应,根据应力边界条件确定虚拟的洞室上的分布荷载,再将自由场位移响应和虚拟荷载产生的位移叠加得到问题的解答.文中通过数值计算分析了弹性波入射角度和入射频率对散射效应的影响,给出了一些对工程有指导意义的结论.     

圆弧状沉积谷地在平面SH波入射下的动力响应

针对圆弧状沉积谷地对平面SH波的二维散射问题,曾有学者提出一种闭合形式的解析解,将波的散射问题转化为一无穷维代数方程组求解,但较高的入射波频率会导致该方程组的系数矩阵病态,从而限制了该解析解适用的频带范围。沿用这种闭合式的解析解的求解思路,并通过选择坐标系避免了线性方程组的求解,散射波函数的待定系数具有明确的解析表达式,因此在一个非常宽的频带范围内给出了该散射问题的解析解,并探讨了入射波与谷地特性对地面运动的影响。     

基于比例边界有限元法的成层半空间中斜坡场地地震响应计算模型

由于左右侧不对称且不规则的边界条件延伸到远场,斜坡地形场地的地震波动场求解存在一定困难。为得到成层半空间中斜坡地形场地的地震动力响应,基于波场理论提出一种以相似拼接线为缩放中心的比例边界有限元法计算模型：首先将待求波动场分解为具有规则边界条件的已知波场和由已知波场在真实不规则边界处引起的散射波场,然后通过在斜坡场地的不规则边界处施加等效地震荷载将散射波场的求解由外源输入问题转化为内源辐射问题,最后推导了适用于水平及倾斜成层、左右岸不对称等复杂地基的比例边界有限元法,可沿径向解析地求解斜坡场地的内源辐射问题。通过与文献中均质和成层弹性半空间中凹陷地形场地在SH波入射条件下地表动力响应进行对比,表明了计算模型的准确性,并通过分析成层半空间中斜坡地形场地的波动响应验证了模型的有效性。提出的计算模型,为复杂地基-结构相互作用分析的输入波动场计算提供了新的技术手段。     

基于FLAC3D的斜入射地震波作用的数值模拟方法研究

地震动输入是进行土层场地或土-结构相互作用体系地震反应分析的重要一步。通过波场分解,将人工边界上的波动场分解为自由波场和散射波场,其中人工边界上的自由波场根据波在自由表面的反射理论求得,散射波场由黏性人工边界直接吸收,进而在人工边界上施加等效荷载实现斜入射地震波作用的输入。借助MATLAB辅助计算程序和FLAC3D的前后处理功能,进行不同角度(0°和30°)入射条件下SV波作用的时域数值模拟计算,数值解和理论解吻合较好。算例表明,采用黏性人工边界和等效荷载输入方法具有较高的计算精度,建立的数值模拟方法为土层场地和土-结构动力相互作用在地震波斜入射下的反应分析提供了简单易行的计算途径。     

含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下“围岩-减震层-浅埋衬砌隧道”体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明: 总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。     

半球形凹陷谷场地对Rayleigh波的三维散射

利用半空间场地用单相介质动力学理论模拟，并略去阻尼项的影响，首次推导出了三维半球形凹陷谷场地在平面Rayleigh波入射下散射问题的解析解。确定局部场地的三维波场分布，给出半球形沉积谷场地地表位移分量，分析了入射波频率对场地震动的影响，并进一步与单相弹性介质情况下的地表运动进行了对比。     

圆弧形沉积河谷场地在平面SV波入射下的动力响应

利用Fourier-Bessel级数展开法在频域内给出了圆弧形沉积河谷场地在平面SV波入射下动力响应的一个解析解,并分析了河谷宽度、河谷深度、入射波长和入射角度等因素对动力响应的影响。     

层状饱和沉积地形对地震波的散射分析

讨论了研究层状饱和沉积地形放大效应的意义,阐述了利用间接边界元方法求解层状饱和沉积地形动力响应的步骤,并将饱和场地对地震动放大效应和干土场地对地震动放大效应进行了比较.     

平面P-SV波入射时TI层状自由场地的响应

由于沉积土层的垂直弹性模量常常不同于水平弹性模量，采用横观各向同性（TI）层状场地模型能较真实地反映实际场地。研究了横观各向同性层状场地对平面入射P-SV波的响应，并考虑了平面内偏振角的影响。根据波动方程，采用了薄层元素法，推导了平面P-SV波入射时TI层状场地的动力刚度矩阵。通过算例，分析了TI层状场地的自振特性及各向异性参数对场地响应的影响。     

斜入射地震波在土体中产生的动应力路径及试验模拟

针对地震波传播时并非垂直的情况,基于半无限弹性空间地震波的传播理论,对地震波进行简化,考虑斜入射时地震波在自由界面处的反射,推导了地震波斜入射时地震应力的计算公式,并通过计算实例分析了不同入射角度下,P波、SV波单独斜入射时在土单元体中所产生的地震应力以及所形成的应力路径。结果表明：当P波、SV波单独斜入射时,土单元体在平面应力差-剪应力平面上形成的应力路径均为一个倾斜椭圆,斜椭圆的倾角和长短轴之比随地震波入射角度、频率、波速等影响因素在一定范围内变化。文中还针对如何实现倾斜椭圆形应力路径的室内试验模拟进行了初步探讨分析。     

饱和层状场地中任意凹陷地形对入射P波的散射

采用Biot理论的基本模型,利用间接边界元方法在频域内求解了层状饱和场地中任意凹陷地形对入射P波的散射。利用精确的土层动力刚度矩阵进行自由场反应分析,求得假想边界上各点的位移和各单元的应力响应;同样计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得位移和应力响应;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。结果可退化为干土结果并进行了对比。通过算例,研究了饱和层状场地中凹陷地形入射P波的散射,并与相应干土结果进行了对比。研究表明:入射角度、入射频率和参数b对层状饱和场地的地表位移均有重要影响,与相应干土场地结果差别显著。说明了层状模型的合理性,以及利用层状模型分析的必要性。     

SH波作用下饱和地基表面刚性圆形基础扭转振动分析

利用半解析的方法研究了饱和地基表面刚性圆形基础在倾斜入射SH波作用下的扭转振动问题。假设基础以下为Biot波动方程描述的饱和半空间,通过Hankel变换把Biot波动方程转化为常微分方程进行求解。将土体中的波场划分为自由波场、刚体散射波场及辐射散射波场三部分。根据土体中波场的划分,结合基础与饱和半空间接触面的混合边值条件,建立两组描述刚性圆形基础扭转振动的对偶积分方程并用Nobel变换方法将其化为第二类Fredholm积分方程。通过求解Fredholm积分方程并结合基础刚体动力平衡方程,求得了基础在SH波作用下的扭转振动表达式。最终通过数值算例分析了波动频率、入射角度,基础扭转惯性矩以及饱和土体参数等对基础扭转振动的影响。     

平面SV波入射下弹性半空间中三维球形洞室的动力响应

采用一种间接边界积分方程法求解了平面SV波入射下弹性半空间中三维洞室的动力响应问题。通过与已有结果的比较,验证了方法的计算精度。在此基础上,以半空间中圆球形洞室为例,对地表位移响应和洞周动应力集中特征进行了详尽的参数分析,并与二维模型进行了比较。研究表明:二维和三维模型对平面波的动力响应在平面内存在一定的相似性,但在波型转换上存在显著差别,尤其体现在响应峰值及空间分布特征上,并且随着频率的升高,空间分布差异愈加明显;在出平面方向,三维洞室周围存在着显著的波散射效应,而二维模型难以描述这种出平面波型转换现象。