地震波散射问题研究进展

对在P波、SV波和SH波入射下的局部不规则场地,如圆弧形凹陷地形、圆弧形沉积谷场地,地下衬砌隧道和地下双洞室造成的散射以及由此产生的放大及其他危害作用做了大致的概括。     

凸起地形中半圆形衬砌隧道对SH波的散射解析解

根据弹性波动理论,结合分区和契合思想,利用傅里叶级数展开法,由连续性条件和自由地表边界条件,求得了凸起地形中衬砌隧道对SH波散射的解析解。通过研究半圆形山岭衬砌隧道对SH波散射的影响,得到的计算结果表明:对于软性和硬性衬砌隧道而言,凸起地形对地震波有明显的放大作用,当入射频率增大时,地表位移幅值也增大,这种现象在凸起地形范围内尤为明显;当入射频率较低时,位移幅值在凸起地形附近变化明显。与此同时,刚性衬砌表面的动应力集中现象尤为显著。除此以外,结果还表明动力反应特征主要影响因素包括入射波角度、入射波频率及衬砌材料属性等。     

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。     

河谷场地地震波传播解析模型及放大效应

从形态上看,自然界存在平坦、凸起和凹陷3种常见的地形及场地条件,而河谷场地是一种常见的凹陷地形,且在河谷场地修建了大量工程(如土石坝、桥梁等)。实际震害调查表明地形及场地条件对地震灾害影响很大。针对河谷场地地震波传播解析模型及放大效应,全面总结了笔者及其课题组长期以来的研究成果。主要包括以下4个方面:(1)提出了近源地形与场地效应的概念,用线源柱面SH波模拟入射地震波,平面波是其远场入射的特例,构造了线源柱面SH波自由场,定义了近源激励下的放大因子,实现了入射波波前弯曲及其地形放大效应,为其它地形和场地引起的近源放大效应研究开启了新的可能。(2)构建了非对称V形河谷地震波传播解析模型,包括亥姆霍兹运动方程、河谷表面自由边界条件及虚拟辅助边界应力与位移连续条件,提出了区域分解与区域匹配分两步走的策略,首先将整个区域分解成3个符合极坐标系的子区域,在子区域中对运动方程进行求解获得相应的波场(含有未知系数),然后将各个子区域的波场在边界进行匹配,利用边界条件求解未知系数,从而获得整个区域的波场解答以及柱面SH波的二维散射规律,揭示了非对称V形河谷的差异放大效应,这将对建在非对称V形河谷上的长大跨度工程有着不可忽视的影响。(3)U形河谷在地球表面是普遍存在的,由于缺少实际地震记录和理论研究,U形河谷的地形放大效应仍然未知。构建了U形河谷解析模型,本质上也就是亥姆霍兹方程的边值问题,并得到了这个问题的波函数级数解,发现了U形河谷谷底对地震波的异常放大现象,改变了学术界以往认为凹陷地形底部地震动一定会衰减的不全面认识,并被用来解释中世纪暖期美国亚利桑那州的大量山体落石与滑坡现象。(4)河谷常有沉积物(覆盖层),覆盖层将进一步加剧地震放大效应。构建了线源柱面SH波半圆形沉积谷解析模型,并给出了其解析级数解,发现覆盖层对地震波有明显的放大效应,且覆盖层阻尼比较小时剧烈放大,这将加剧工程结构的破坏。最后,考虑河谷场地地震放大效应进行河谷两侧边坡地震稳定性分析,及土石坝地震反应分析与坝坡地震稳定性分析,认为河谷场地地震放大效应对边坡工程与土石坝工程抗震分析有着重要的影响。     

非匀质凸起出平面散射的封闭解答

采用解析方法研究任意圆弧状非匀质凸起地形对平面SH波二维散射效应和其出平面地表运动。经过理论推导,数值对比结果表明:任意圆弧状软质凸起地形的地表位移幅值反应随入射角、波速比、高宽比的变化而变化。     

地震波斜入射时水平层状场地的非线性地震反应

利用土层和半空间的精确动力刚度矩阵,可求解地震波斜入射,水平层状场地的动力响应,并可得到各土层的位移、应力及应变结果。结合等效线性化算法,可分析斜入射地震波(SH,SV,P)时场地的非线性地震反应。研究表明:入射角对地表的加速度峰值有重要影响,未必在波垂直入射时最大,可能有多个峰值;实际地震波入射角平均在60°左右,与斜入射SV波时峰值放大倍数最大值出现的角度基本一致,按垂直入射计算得到的结果可能不安全,表明了在场地非线性地震反应中研究斜入射的必要性。     

两层三跨岛式地铁车站的地震响应研究

目前人们已经认识到地震波斜入射与垂直入射对结构的影响是不同的,地震波斜入射时结构的竖向位移差和水平位移差会发生改变,但此类考虑地震斜入射的相关研究还十分稀少。现以两层三跨岛式地铁车站为研究对象,通过有限元软件建立土-地铁车站相互作用模型进行整体动力时程分析,以El centro波作为输入波研究地铁车站在任意角度地震波斜入射下关键截面的内力和层间位移的变化规律,为地铁车站抗震设计和地震灾害风险识别提供有关指导。研究表明：(1)地铁车站在地震波超临界角斜入射作用下明显存在一种放大效应,与垂直入射相比,轴力放大作用最明显可达2.01倍;(2)这种放大效应与场地硬度有关,场地越硬,放大效果越明显;(3)地震波超临界角入射,不仅对竖向地震作用有放大效应,同时对水平地震作用也有一定的放大效应,但垂直入射仍是水平作用最大的情况。     

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。     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

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。     

A procedure to predict the precise seismic response of arch dams in time domain using boundary element formulation

In this context,a new boundary element algorithm based on the time-convoluted traction kernels is employed to evaluate the spatially varying earthquake ground motions of the Pacoima dam in the USA subjected to SH,SV and P incident waves.An accurate three-dimensional(3D)model of the dam canyon is implemented into the computer code BEMSA to investigate the seismic response of the dam.The analyses are performed in time domain with a linearly elastic constitutive model for the medium.This modeling procedure has been validated by the results reported in the existing literature.According to the results of this study,the response of the dam to earthquake waves is generally influenced by predominant frequency of the incident motion,surface topography,relative distance of observation points,and type of the incident seismic wave.For the cases considered,the incident SV wave has led to the maximum amplification of incident motions,especially at the left side of the dam.The results indicate that the proposed procedure can be employed for accurate prediction of a dam response during an earthquake.     

地下洞室群对地面运动的影响

研究了平面SV波入射下半空间中洞室群对地面运动的影响 ,数值结果表明 ,地下洞室群对沿线地面运动具有显著的放大作用 ,该放大作用可达无洞室情况的 1 5～ 8 8倍以上 ,地表位移幅值的最大值出现在波 45°入射情况并位于与入射波相对的区域。建议在地铁等地下工程的规划和设计时考虑工程建设后对沿线设计地震动的影响     

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明：SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。     

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。