弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射平面SH波的三维散射(Ⅱ)——数值结果与分析

以基岩上单-土层场地为例,计算分析了在斜入射平面SH波作用下弹性层状半空间中无限长洞室附近的地表位移.研究表明,层状半空间中地下洞室对波的散射与均匀半空间情况存在显著差别.层状场地由于考虑了场地自身的动力特性,使得洞室附近地表位移幅值的空间变化更为复杂,基岩与土层刚度比、土层厚度对散射效应均有着重要影响.随着基岩与土层刚度比的增大,地表位移幅值整体上逐渐增大;随着土层厚度的增大,土层对地表位移幅值的影响逐渐减小.在频域解答的基础上,给出了层状半空间中洞室对斜入射SH波散射的时域解答,并以Ricker波为例进行了数值计算.     

弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射 平面SH波的三维散射(Ⅱ) 数值结果与分析

以基岩上单一土层场地为例, 计算分析了在斜入射平面SH波作用下弹性层状半空间中无限长洞室附近的地表位移. 研究表明, 层状半空间中地下洞室对波的散射与均匀半空间情况存在显著差别. 层状场地由于考虑了场地自身的动力特性, 使得洞室附近地表位移幅值的空间变化更为复杂, 基岩与土层刚度比、 土层厚度对散射效应均有着重要影响. 随着基岩与土层刚度比的增大, 地表位移幅值整体上逐渐增大; 随着土层厚度的增大, 土层对地表位移幅值的影响逐渐减小. 在频域解答的基础上, 给出了层状半空间中洞室对斜入射SH波散射的时域解答, 并以Ricker波为例进行了数值计算.      

饱和层状场地中任意凹陷地形对入射SV波的散射

利用饱和土层的精确动力刚度矩阵和动力格林(Green)函数,采用间接边界元法,在频域内求解了层状饱和场地中任意凹陷地形对入射SV波的散射问题.通过自由场反应分析,求得凹陷地形表面各点的位移和各单元的应力响应;同样计算了虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应的位移和应力响应;根据边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和...     

弹性层状半空间中凸起地形对入射平面SH波的放大作用

对Wolf理论进行拓展,使之可解决凸起地形对波的散射问题,进而利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中凸起地形对入射平面SH波的放大作用问题。本文模型的显著特点之一是考虑了层状半空间的动力特性以及层状半空间和凸起地形的阻尼;特点之二是计算精度高。文中以基岩上单一土层中半圆凸起地形对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析。研究表明,基岩上单一土层中凸起地形对入射平面SH波放大作用和均匀半空间中凸起地形有着本质的差别;土层动力特性不仅影响凸起地形地表位移的幅值,还会影响地表位移的频谱;阻尼会显著降低凸起地形对高频波的放大作用。     

横观各向同性场地中埋置衬砌隧道对qP波的散射

采用间接边界元法(IBEM)结合"分区契合"技术,研究qP波入射下横观各向同性(TI)场地中衬砌隧道的动力响应问题。方法充分利用半空间和全空间动力格林函数在分别构造含孔半无限空间域和闭合域内散射波场方面的优势,将含有衬砌隧道的层状弹性半空间分解为含孔半无限空间域和一个环形衬砌闭合域来分别进行波场构造,有效地降低了求解时间和存储量。文中验证方法的正确性,并以均匀TI半空间和基岩上单一TI土层为例,计算分析弹性半空间场地中隧道衬砌内表面动应力放大问题。结果表明qP波入射下,TI介质与各向同性介质场地中埋置衬砌隧道的动力响应差异显著,TI介质参数的变化导致场地动力特性的改变,进而改变场地与衬砌隧道的动力相互作用机制,显著影响着衬砌内表面动应力的大小及其空间分布。     

层状半空间中洞室对平面SH波的放大作用

利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中洞室对入射平面SH波的放大作用问题,并以基岩上单一土层中洞室对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析。本文模型的特点之一是考虑了层状场地的动力特性,因而更接近于实际工程;特点之二是计算精度非常高。研究表明,层状半空间中洞室对波的放大作用与均匀半空间中情况有着本质的差别;层状半空间中洞室附近地表动力响应由土层动力特性和洞室对波的散射二者共同决定。土层动力特性不仅影响洞室附近地表位移的幅值,还会影响地表位移的频谱。在土层的前几阶共振频率附近,随着基岩与土层剪切波速比的增大,土层的影响随之增大,而随着土层厚度的增加,土层的影响随之减小,并逐渐趋于均匀半空间情况。     

斜入射平面SH波在层状半空间中沉积谷地周围的三维散射

采用直接刚度法计算自由场动力响应,以层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林函数模拟散射波场,采用间接边界元方法求解了层状半空间中沉积谷地对斜入射平面SH波的三维散射问题.由于文中采用的层状场地三维动力刚度矩阵是精确的,且用于模拟散射波场的均布移动斜线荷载可以直接施加在沉积交界面处而不存在奇异性,所以本文方法具有很高精度.文中以均匀半空间和基岩上单一土层中沉积谷地对入射SH波的散射为例进行了数值计算,研究表明,沉积谷地对地震波的三维散射与二维散射之间存在本质差别;层状半空间中沉积谷地与均匀半空间中沉积谷地附近地表位移存在显著差异.     

含断层破碎带场地对平面SH波的放大作用

借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载格林函数,采用间接边界元法在频域内求解了含断层破碎带场地对SH波的放大作用,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及场地动力特性对散射的影响.结果表明,断层破碎带对SH波有显著的影响,即使破碎带很窄,也可对SH波产生很大的放大作用;层状场地动力特性对放大作用有显著的影响.     

无破碎带断层场地对SH波的散射

在层状半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载动力格林函数的基础上建立间接边界元方法,在频域内求解无破碎带断层场地对入射平面SH波的散射。为方便求解,将总波场分解为自由波场和散射波场,自由波场由直接刚度法求得,断层两侧的散射波场通过在断层面上分别对两侧施加均布斜线荷载产生的动力响应来模拟,虚拟荷载的密度可通过引入断层表面的边界条件确定,最后叠加自由波场和散射波场求得总波场。以有落差断层和无落差断层模型为例进行数值计算,分析断层落差、断层倾角以及断层两侧介质的刚度比对散射效应的影响。研究表明,断层落差与波长相当时,断层对SH波的放大作用最大;地表位移幅值随着断层倾角的增大逐渐增大;若断层无落差且其两侧刚度不同时,一般刚度较小一侧地表位移幅值较大且振荡更为剧烈,波从刚度较小一侧入射时位移幅值放大尤为显著。     

流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射间接边界元模拟

无限长局部地形地震波斜入射响应问题称为二维三分量问题,在计算量远小于三维的情况下,一定程度上反映了近地表场地的三维动力响应特征.基于天然土体的成层性及固液两相耦合特性,以层状多孔介质内部移动线荷载(孔隙水压)动力格林函数作为基本解,开展流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射的2.5维间接边界元模拟研究.总场响应由自由波场和散射波场叠加构成,前者可由直接刚度法求得,后者则通过施加移动虚拟均布荷载和移动虚拟孔隙水压所产生的动力响应来模拟.该方法优势在于离散仅限于地形底边界(无须离散自由地表),格林函数计算不存在奇异性(荷载可直接加在边界上),容易控制计算精度,对复杂边界条件具有很强的适应性.在退化验证和精度比较的基础上,以梯形凹陷和半椭圆沉积地形为例,模拟了时域和频域的流体饱和半空间三维弹性波散射响应.研究表明:局部地形的地震动响应依赖于入射频率、入射角度、边界透水条件、土层刚度和土层厚度等,入射波、反射波和散射波相互干涉,极大延长了位移的振动持续时间.     

层状横观各向同性场地地震反应分析

沉积风化作用使得天然土体表现出明显的成层特性和横观各向同性(TI)特性,然而目前还很少有针对层状TI场地地震反应分析的研究。本文推导了层状黏弹性TI场地的精确动力刚度矩阵,进而采用刚度矩阵方法求解了层状黏弹性TI场地的地震反应。文中通过与已有文献结果以及与经典EERA程序计算结果的比较验证了方法的正确性,并且分别在频域内和时域内进行了数值计算分析,研究了土体的TI性质对地表地震反应的影响。数值结果表明,TI场地与其等效各向同性场地地震反应有着显著的差异;当q P或q SV波以倾斜角度入射时,土体的TI参数对地表位移幅值放大谱的峰值及峰值频率具有显著影响;TI参数的改变将导致场地动力特性的改变,进而显著影响场地的地表加速度时程和相应的地震反应谱。     

瑞雷波斜入射下层状半空间中沉积谷地周围的三维散射研究

针对层状半空间中沉积谷地对斜入射瑞雷波的三维散射问题, 采用直接刚度法计算自由场波场, 以层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林影响函数求解三维散射波场, 建立了求解该问题的间接边界元方法. 通过与已有结果的比较, 验证了该方法的正确性, 并以均匀半空间以及弹性基岩上单一土层场地中沉积谷地为例进行了计算分析. 研究结果表明: 层状半空间与均匀半空间中沉积谷地对瑞雷波的散射存在显著差别; 层状半空间中瑞雷波的振动模态对沉积附近位移幅值有着重要影响; 土层刚度和厚度等参数也对沉积附近位移幅值大小及空间分布有着显著的影响.      

三维层状场地中斜面均布荷载动力格林函数

在作者三维层状场地精确动力刚度矩阵基础上，给出了三维层状场地内部斜面均布荷载动力格林函数。本文格林函数包含了场地的所有基本力学特性，可用于三维层状局部场地中波的散射及土-结构相互作用等问题的求解。文中对所得结果进行了精度检验，同时给出了一些数值结果，包括均匀半空间和基岩上单一土层中竖面或斜面荷载作用下的位移和应力格林函数。     

SH波作用下浅埋裂纹附近半圆形凸起的地震动

利用Green函数、复变函数及多极坐标法研究了浅埋裂纹附近的半圆形凸起地形对SH波的散射问题。首先求解出适合本问题的Green函数,即含有半圆形凸起的弹性半空间内任意一点承受时间谐和的出平面线源荷载作用时位移场的解答。然后,从半圆形凸起地形对SH波的散射问题出发,利用本问题的Green函数在基体内构造裂纹。最后给出了浅埋裂纹附近的半圆形凸起地形对SH波散射的位移场。通过算例讨论了裂纹对地表位移幅值的影响,结果表明裂纹在一定情况下具有减震作用。     

平面SV波在层状半空间中沉积谷地周围的散射

采用间接边界元方法求解了入射平面SV波在层状半空间中沉积谷地周围的散射问题.问题的解答包含自由场和散射场两部分.自由场可由直接刚度法求得,散射场由层状半空间中斜线荷载动力格林函数来模拟.文中以入射平面SV波在基岩上单一土层中沉积谷地周围散射为例研究了土层和沉积谷地周围的影响.结果表明,由于考虑了土层的动力特性,平面SV...     

层状半空间中周期分布凸起地形对平面SH波的散射

提出了一种新的以层状半空间中周期分布斜线荷载动力格林函数为基本解的间接边界元方法,研究了周期分布凸起地形对平面SH波的散射问题.方法将散射波场分解为凸起内部散射波场和凸起外部散射波场.凸起内部散射波场通过在凸起闭合边界上施加虚拟斜线荷载产生的动力响应来模拟,而凸起外部散射波场则通过在凸起与半空间交界面上施加虚拟周期分布斜线荷载产生的动力响应来模拟.周期分布斜线荷载动力格林函数的引入,使得本文方法仅需针对一个凸起进行边界单元的离散和求解,便可完成问题的求解,避免了通过截断无限边界求解而引入的误差,方法具有较高精度的同时显著降低了求解自由度.文中通过与已有结果的比较,验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中周期分布凸起为例进行了数值计算分析.研究表明,凸起间距对凸起地形间的动力相互作用有着显著的影响,同时层状半空间中周期分布凸起地形对SH波的散射与均匀半空间情况也有着显著的差别.     

横观各向同性饱和沉积谷地对平面qP1波的散射

基于Biot流体饱和多孔介质模型,采用间接边界元方法(IBEM)在频域内求解了横观各向同性(TI)饱和沉积谷地对平面qP1波的散射问题。通过与各向同性饱和结果的对比验证了方法的正确性,开展了不同情况的数值计算分析,重点研究了沉积TI性质对地表动力响应的影响。结果表明:沉积TI性质对地表位移的幅值及其空间分布均有显著影响,且影响程度与qP1波的入射角度、入射频率和观测点位置有关。考虑沉积的TI性质可更为精确地模拟沉积谷地对平面qP1波的散射。     

平面SH波作用下衬砌隧道对地下地震动的影响

以地下隧道对附近场地动力特性的影响为研究目标,基于弹性波动理论,利用波函数展开法和镜像法,分析了弹性半空间中圆形衬砌隧道对平面SH波入射产生的散射问题,得到了地下圆形衬砌隧道附近场地位移的级数解答。通过数值算例分析了地下圆形衬砌隧道对场地动力响应的影响,重点考察了SH波入射角度、入射频率和隧道埋深、衬砌刚度对隧道周围土体动力响应随深度变化的影响规律。结果表明,地下隧道对沿线场地的地下地震动影响显著。     

正交各向异性半圆形沉积谷对SH波的散射

采用波函数展开法给出了具有圆柱型正交各向异性半圆形沉积谷地形对SH波散射的解答,研究了入射波特性和沉积谷的各向异性对地面运动的影响。稳态SH波入射时,在圆柱型正交各向异性沉积谷中波函数的径向函数满足非整数阶的Bessel方程。数值结果表明:沉积谷地表位移的幅值大小与入射波的频率、入射方向、沉积谷介质的径向与环向剪切模量比及半空间与沉积谷剪切波速比和密度比密切相关,当沉积谷介质比半空间介质软时,沉积谷地表位移幅值明显增大,与各向同性介质的沉积谷地相比,沉积谷介质的各向异性对地面运动的影响非常显著。     

平面P-SV波入射时非均匀饱和土 自由场地的响应

基于Biot多孔介质波动模型,研究了非均匀饱和土层对平面P-SV波入射时的动力响应.考虑饱和土地基的物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用亥姆霍兹矢量分解原理和动力刚度法,分析了平面入射P-SV波在非均匀饱和土层中的反射和透射,并给出了基岩表面和自由表面处反射系数和透射系数的计算表达式.基于理论推导结果,数值分析了平面SV波入射下非均匀饱和土自由场地的动力响应,其中假设饱和土地基的物理力学性质沿土层深度按幂律梯度变化.数值结果表明,平面SV波入射所引起的地面位移与基岩位移之比均随土层厚度和土体的非均匀程度、波的入射角和入射频率的增加而减小,且其竖向位移比的减小更为显著,厚土层对地震波的耗散作用尤为明显.