基于高阶广义标准线性体模型的三维黏弹性介质弹性波正演模拟

吸收衰减是地震波在实际地球介质中传播的固有特征.在实际应用中,通常假设表征吸收衰减特征的品质因子Q在地震频带范围内不随频率变化.高阶广义流变模型能够在时间域内精确的表征品质因子Q不随频率变化的特征,为黏弹性介质波动方程精细模拟奠定了基础.基于广义标准线性体模型理论,采用最小二乘拟合方法对Q值不随频率变化特征进行拟合,分析了不同阶次广义标准线性体模型对黏弹性介质Q值特征的拟合程度,在权衡计算精度和三维计算量的基础上,确定了五阶广义标准线性体模型并建立了相应的三维黏弹性波的速度-应力方程,结合CFS-PML边界条件开展了高精度三维黏弹性波正演模拟.通过均匀介质正演模拟,验证算法的正确性,明确了地震波的传播时的吸收衰减特征,对三维盐丘模型进行数值模拟,表明了五阶广义标准线性体可以精确的模拟黏弹性介质地震波吸收衰减特征.     

黏弹性介质中瑞雷波有限差分数值模拟与波场分析

瑞雷面波经常被用来反演地表浅层横波速度,受到越来越广泛的关注。对瑞雷波的研究一般都基于完全弹性介质,而实际地层更接近黏弹性介质,对黏弹性介质中的瑞雷面波进行模拟更具实际意义。本文采用广义标准线性体模型来描述黏弹性介质,并采用交错网格有限差分法对考虑水平自由表面的黏弹介质进行正演模拟,再与弹性介质中的结果进行对比分析。首先采用非线性最优化算法根据期望常数品质因子直接求取松弛时间来拟合常Q模型,并给出广义标准线性固体的具体算例,实施自由表面条件时采用声学-弹性边界近似法,通过剪切模量不变来考虑自由表面上、下横向应力保持连续的条件。对于非自由表面,采用非分裂的多轴卷积完全匹配层来吸收波场。然后对几种典型的数值模型进行正演模拟计算,数值解与解析解的对比验证了本文方法的准确性与有效性,正演结果的对比表明波场尤其是面波频散会受黏弹性影响,因此有必要在面波勘探中考虑黏弹性因素。      

基于流变体模型的波恩近似方程地震正演模拟

常规τ值法假设应力松弛时间与应变延迟时间近似相等, 造成了常Q模型拟合精度低. 本文利用精确的广义流变体模型Q值计算公式, 研究改进的τ值法求解常Q模型参数. 根据地震波散射理论, 推导了基于广义流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程, 结合位移-速度关系得到了含卷积完全匹配层边界条件的黏滞性介质应力-速度方程的一阶波恩近似表达式. 通过数值实验验证并对比了黏滞性介质中全波波动方程、 一阶波恩近似方程以及单程波波动方程的波场特征, 讨论了基于流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程对速度扰动和Q扰动的适应性, 以及对旅行时和振幅精度的影响.      

颗粒组成对粉土动强度的影响分析

以天津汉沽地区某挡土墙地基粉土为研究对象,首先对不同颗粒组成的粉土做固结不排水动三轴剪切试验,采用各向等压固结,周围压力等于100kPa。固结完成后在不排水条件下施加轴向激振力,试验波形为正弦波,振动频率1.0Hz,试验中以试样在周期剪切时轴向周期应变达到5%作为破坏标准,得出粉土的动强度受颗粒组成的影响。细颗粒含量越大,其动强度越小,黏粒含量为7.2%的粉土循环剪应力比CSR约为20.3%黏粒含量粉土的2倍。粉土的动强度可以用循环剪应力比和破坏振次建立的幂函数关系式较好地拟合。在剪切过程中,粉土的孔隙水压力一直没有达到所施加的围压数值,最终稳定在75%~85%围压之间。同时,试验还得出孔隙水压力的增长模式不能用统一的Seed模型拟合,孔压增长规律的影响因素较多。     

饱和黄土液化判别方法的两点发现

黄土液化实例多与现有可液化土地质年代规定不符。采用动三轴弯曲元试验设备对原状黄土饱和过程进行剪切波速跟踪测试,发现黄土浸水、结构先破坏再固结形成新的稳定结构的特点,证明经历过饱和的黄土已不能再视其为饱和前的地质年代。兰州马兰黄土中的黏粒有些是以黏土团块的形式存在,而黏土团块并不影响其他部分粉质土的液化,因此对于此类土应用黏粒含量进行液化判别时,应考虑将黏土团块不计入黏粒含量。     

基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI介质中波场数值模拟

分数阶微分算子具有描述历史依赖性和全域相关性的特质,本文利用这种特质描述双相介质固体骨架的黏弹性特征.基于Kjartansson常Q理论将含有分数阶时间导数的黏弹固体骨架各向异性本构关系与双相介质理论有机地结合起来,并引入流变学本构关系描述孔隙流体的黏滞性力学行为,提出一种新的基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI模型.推导了相应的时间域波传播方程,然后对该方程进行了数值模拟.对整数阶导数采用高阶交错网格有限差分算法,对分数阶时间导数采用短时记忆中心差分算法,进行了不同相界、不同品质因子组及双层地质结构情况下该类介质中波场的数值模拟与特征分析.模拟结果表明：将含有分数阶时间导数的常Q黏弹固体骨架各向异性本构关系及孔隙流体的黏滞性本构关系引入双相介质理论是可行的,二者的结合能更好地反映地下介质的黏弹性特征,对于进一步认识波在黏弹各向异性孔隙介质中的传播机理具有重要意义,为反演和重构地下油气储层和结构奠定正演理论基础.     

双向循环荷载下黄土的动变形特性研究

利用SDT-20型动三轴仪在双向循环荷载下探究了黄土的动变形特性,分析了初始循环偏应力、径向动荷载幅值和预剪应力对黄土动变形发展的影响。试验结果表明:双向循环荷载作用下,初始动应力状态对黄土破坏模式有重要影响,初始循环偏应力小于0 k Pa时,黄土呈受拉破坏,初始循环偏应力大于0 k Pa时,黄土呈受压破坏。初始循环偏应力、径向动荷载幅值和预剪应力对黄土的动剪切变形均有明显的影响,初始循环偏应力和径向动荷载幅值的增大均加快了黄土的动剪切变形发展,使土体的破坏更迅速。预剪应力对土体起到预压密作用,黄土的动剪切变形的发展随预剪应力的增大而减缓。当剪切动荷载幅值保持不变时,拉压动荷载幅值的增大明显地加速了黄土动剪切变形的发展,其对土体动剪切变形的影响和剪切动荷载是一致的。     

初始主应力方向角对黄土动变形特性影响研究

建筑物和构筑物地基土体的主应力方向往往发生旋转,因此研究初始主应力方向角对黄土动变形特性的影响规律具有一定的现实意义。通过对不同初始应力状态下原状与重塑黄土进行动扭剪三轴试验,研究了初始主应力方向角对黄土动变形特性的影响规律,结果表明:在不同初始主应力方向角下,原状黄土抵抗剪切变形的能力大于重塑黄土;在其他条件相同的情况下,初始主应力方向角越大,黄土抵抗剪切变形的能力越弱;随着初始主应力方向角的增大,黄土的动剪切模量随动剪应变变化的规律呈现出减小的变化趋势,而阻尼比则呈现出增大的变化趋势;初始动剪切模量与最大动剪应力随初始主应力方向角的增大而减小。建议在初始平均主应力较大的情况下,考虑初始主应力方向角对黄土动变形特性的影响,试验成果可为黄土地区工程设计提供一定的参考。     

岩石的非线性西原流变模型及其应用

经典西原流变模型能够较好地描述岩石材料蠕变过程的前两个阶段,但不能描述加速蠕变阶段.前人对流变模型的改进和组合多以屈服强度阀值来界定加速蠕变阶段,而以时间阀值来界定加速蠕变阶段的研究相对较少.本文引入能反映加速蠕变加载时间的时间元件和能够描述加速蠕变曲线的非线性黏壶,两者并联组成TN体再与传统西原模型进行组合,形成一种能同时描述衰减蠕变、定常蠕变、加速蠕变的非线性黏弹塑性流变模型.并将新模型与实际试验数据进行拟合,相似性系数达0.99以上,所得模型更适合描述岩石材料的流变现象.     

双向振动条件下的饱和砂土动强度特性试验研究

利用全自动静动三轴双向耦合剪切仪,分别在均等固结和非均等固结条件下,进行了福建标准砂的动三轴不排水剪切试验,对比分析了轴向振动、径向振动、相位差分别为0°和180°的轴向-径向耦合振动等不同振动方式对饱和砂土动力特性的影响。试验结果表明,无论是均等固结还是非均等固结条件下,只要在最大剪应力面上的动剪应力水平相同,4种剪切方式对动应力-应变关系及动强度的影响都并不显著。     

灌溉后的黄土剪切特征变化

在中国甘肃省的黑方台阶地上从上世纪60年代开始出现人类定居和开垦活动,并自1968年发展为灌溉农业。随着灌溉的进行地面已出现沉陷和滑坡。地表沉陷是由灌溉水的充填引起黄土结构崩塌造成的。然而崩塌和湿润化对剪切特征的影响目前还不清楚。为了研究湿化后的黄土剪切特征的变化,进行了对马兰黄土未经扰动和重塑土样的直接剪切盒测试。结果显示未扰动土样的粘合力和内摩擦角在湿润化后都下降了,而所观察到的重塑土的弹度参数只有少许变化。未扰动土的不饱合粘合力,据认为其受胶结物质的影响,在饱合后消失了。经灌溉的土的不饱合强度参数与未灌溉土相比表现出差异,它们可能受土壤水分的强烈影响。     

铜川新区黄土与古土壤动剪切模量比和阻尼比的统计研究

利用铜川市地震小区划项目的大量典型土样动三轴试验结果,采用双曲线模型拟合得到了铜川新区黄土和古土壤在8个典型应变下的动剪切模量比和阻尼比值。根据不同沉积年代和不同土层深度2种方法对黄土、古土壤动剪切模量比和阻尼比随剪应变变化情况进行了统计和对比分析。研究发现:同一剪应变下,黄土、古土壤动剪切模量比随沉积年代和土层深度的增加而增加。二者对黄土动剪切模量比的影响较为显著。     

不同地区黄土阻尼比变化特性试验研究

通过兰州、洛川、杨凌地区黄土在不同条件下的动扭剪三轴试验,研究了黄土阻尼比滞回圈形状变化的基本特性以及黄土阻尼比在不同固结压力、不同含水率条件下的变化规律。结果表明,黄土阻尼比滞回圈形状受动剪应变、含水率影响较明显;黄土阻尼比受一般的固结作用的影响并不大,但受含水率的影响较明显。根据含水率的不同,按照半对数坐标中的直线方程,分别给出了兰州、洛川、杨凌地区黄土阻尼比在不同固结压力下的拟合结果,并对拟合结果进行了对比分析;在此基础上,进一步对该三个地区黄土的阻尼比进行了汇总拟合,为西北相近地区黄土在中、大应变条件下的阻尼比取值提供了参考。     

结构性参数在黄土地基沉降计算中的应用研究

弦线模量法建立了考虑黄土基本物性指标及附加应力综合影响的弦线模量函数,应用分层总和法计算黄土地基的变形量,并在陕西关中黄土地区工程实践中获得良好的预测结果,而在分析兰州等其他黄土地区地基沉降时,结果出现偏差,究其原因,与计算中忽视了天然状态下黄土的结构性特征有关。以弦线模量法为基础,通过西安近郊4处土样试验和大量载荷试验资料,分析黄土的构度指标与压缩模量、孔隙比、含水量的关系,并将构度指标引入弦线模量表,深化结构性参数在地基沉降变形计算中的理论。     

Experimental study on the dynamic modulus of compacted loess under bidirectional dynamic load

The dynamic characteristics of compacted loess are of great significance to the seismic construction of the Loess Plateau area in Northwest China, where earthquakes frequently occur. To study the change in the dynamic modulus of the foundation soil under the combined action of vertical and horizontal earthquakes, a hollow cylindrical torsion shear instrument capable of vibrating in four directions was used to perform two-way coupling of compression and torsion of Xi'an compacted loess under different dry density and deviator stress ratios. The results show that increasing the dry density can improve the initial dynamic compression modulus and initial dynamic shear modulus of compacted loess. With an increase in the deviator stress ratio, the initial dynamic compression modulus increases, to a certain extent, but the initial dynamic shear modulus decreases slightly. The dynamic modulus gradually decreases with the development of dynamic strain and tends to be stable, and the dynamic modulus that reaches the same strain increases with an increasing dry density. At the initial stage of dynamic loading, the attenuation of the dynamic shear modulus with the strain development is faster than that of the dynamic compression modulus. Compared with previous research results, it is determined that the dynamic modulus of loess under bidirectional dynamic loading is lower and the attenuation rate is faster than that under single-direction dynamic loading. The deviator stress ratio has a more obvious effect on the dynamic compression modulus. The increase in the deviator stress ratio can increase the dynamic compression modulus, to a certain extent. However, the deviator stress ratio has almost no effect on the dynamic shear modulus, and can therefore be ignored.     

固化黄土力学特性三轴试验研究

为进一步认识固化黄土的力学特性,以郑州地区黄土为试验材料,制备不同固化剂掺量的试样,并在标准养护条件下养护至试验龄期后饱和。应用GDSTTS标准应力路径三轴仪,开展固结不排水(CU)剪切试验,主要研究围压、固化剂掺量以及养护龄期对固化黄土力学特性的影响。试验结果表明：郑州地区固化黄土具有显著的结构性,其应力应变曲线呈现出应变软化特征,并可用驼峰型三参数表达式描述;同时,增大围压和固化剂掺量以及延长养护龄期,固化黄土的峰值应力及残余应力都增大、养护龄期超过一定时间后,其对固化黄土强度的影响趋弱。     

黄土地区地震滑坡的分布特征及其影响因素分析

黄土地区极易形成地震滑坡灾害。现场调查显示，受大地构造单元、基底岩层结构、地形地貌条件、地震烈度、断裂构造和马兰黄土临空厚度等因素影响，地震黄土滑坡的展布形态较为复杂，在空间上分布很不均匀，常表现为片状、带状和线状展布，并在不同区域有不同的发育特点。在地震黄土斜坡稳定性分析和灾害预测中，必须考虑多项影响因子。     

循环荷载对饱和黄土动剪模量的影响研究

利用装有压电陶瓷弯曲元的双向振动三轴仪对饱和黄土进行了循环荷载试验,并根据静力固结条件下黄土的动剪模量发展规律建立了基于哈定方程的拟合曲线;将循环荷载作用下的动剪模量与静力固结下的动剪模量进行了对比研究,并根据轴向应变的发展规律,确定了以上2种条件下动剪模量产生差异的原因：试样结构性破坏,土颗粒重排列,土体具有很高的敏感性。对于振动过程中的暂停对试验的影响进行了研究,认为由于暂停时间很短,可以忽略这种影响。在振动结束后,对试样在原压力下重新进行固结,结果表明,固结完成后,试样的动剪模量增大,且增大幅度随着密度的增加而变小。     

Time-space characteristics of viscoelastic post-seismic deformations corresponding to different rheology models

On a long time (> 1 a) scale, the viscoelastic properties of mantle media significantly affect post-seismic deformation. The stress field disturbance in viscoelastic medium caused by fault slip gradually relax, and the relaxation process and its temporal-spatial characteristics are determined by the viscoelastic model. In this paper, we assume that the mantle media are types of common linear rheological models, i.e., the Burgers body, the standard linear solid, and the Maxell body, and we calculate the dislocation Love number and Green function for a spherically symmetric, non-rotating, viscoelastic, and isotropic (SNRVEI) Earth model. The characteristics of the post-seismic relaxation deformations corresponding to the different models are compared. Our results show that for a short time period, the Burgers body and standard linear solid are similar; while for the long time period, the Burgers body and Maxwell body are similar. This suggests that the observations of post-seismic deformation on the surface have a great potential for the inversion of underground viscoelastic structures. However, the potential of using surface displacement to distinguish different rheological models is limited when the observation period is not long enough.