SH波上方垂直入射时界面附近椭圆夹杂与裂纹的动态响应

采用Green函数、保角映射等方法分析SH波上方垂直入射时弹性半空间中椭圆形弹性夹杂与任意方位裂纹的相互作用。首先,求解含椭圆形弹性夹杂的弹性半空间内任意一点承受时间谐和出平面线源荷载作用时的位移基本解,即Green函数,再结合裂纹切割法构造裂纹,得到SH波上方垂直入射时椭圆夹杂和裂纹同时存在条件下的位移场与应力场。作为算例,给出大量的数值结果,探讨不同参数情况下弹性夹杂周边动应力集中系数（DSCF）、地表位移及裂纹尖端动应力强度因子（DSIF）的分布规律,结果表明不同参数的变化会对三者的分布带来一定的影响。     

直角域中凸起和孔洞对SH波的散射与地震动

按照波函数展开法和镜像方法,对直角域中半圆形凸起和圆形孔洞对SH波的散射进行了分析,得到其稳态解。对含孔洞和凸起的直角域做分区,等效为一个含孔洞与凹陷的直角域和一个圆域的契合,其在分界面上满足位移和应力的连续性条件,即契合条件,分别构造两个区域内的位移波函数,按照孔洞边界柱面上的应力自由和契合条件定解波函数展开式的系数。按Fourier级数展开法,得到定解条件的线性代数方程组,截断求解,进而得到问题的解析解。数值算例给出圆形孔洞边沿动应力和地表位移幅值的分布情况,得到直角域自由边界、凸起、孔洞对散射和地震动的影响。     

含有部分脱胶的浅埋圆夹杂对SH波的散射

采用复变函数法研究了含有部分脱胶的浅埋圆柱形弹性夹杂对SH波的散射与地震动问题。在圆形弹性夹杂中构造一个满足脱胶部分应力自由的驻波函数,将其展开为含有一个待定系数的Fourier级数。在半空间中,介质应满足脱胶部分应力自由、公共边界处位移和应力连续的边界条件,从而建立起求解该问题的无穷代数方程组。最后,给出了地表位移的数值结果。给果表明,入射波参数、脱胶位置、弹性夹杂参数以及埋深对地表位移都有一定程度的影响。     

横观各向同性凸起地形对平面qP-qSV波的散射

为研究横观各向同性(TI)介质的凸起地形对平面qP-qSV波的散射问题,采用间接边界元法进行数值模拟并且分别给出该问题在时域和频域内的解答。在求解过程中将计算模型分解为开口层状半空间域和闭合凸起域,同时将波场分解为自由波场和散射波场,自由波场可通过直接刚度法求得,散射波场由斜线荷载动力格林函数来模拟。频域结果表明,TI介质参数的改变导致了凸起和层状半空间动力特性的改变,进而导致了凸起与层状半空间动力相互作用机制的改变,使得不同TI介质参数对应的地表位移幅值显著不同。而时域结果表明,TI介质参数与波的传播方向均对qP波和qSV波的在凸起地形中的传播有着显著影响。另外,时域结果更为清晰的地展示入射波、反射波和散射波的传播过程。     

横观各向同性凸起地形对平面qP-qSV波的散射

为研究横观各向同性(TI)介质的凸起地形对平面qP-qSV波的散射问题,采用间接边界元法进行数值模拟并且分别给出该问题在时域和频域内的解答。在求解过程中将计算模型分解为开口层状半空间域和闭合凸起域,同时将波场分解为自由波场和散射波场,自由波场可通过直接刚度法求得,散射波场由斜线荷载动力格林函数来模拟。频域结果表明,TI介质参数的改变导致了凸起和层状半空间动力特性的改变,进而导致了凸起与层状半空间动力相互作用机制的改变,使得不同TI介质参数对应的地表位移幅值显著不同。而时域结果表明,TI介质参数与波的传播方向均对qP波和qSV波的在凸起地形中的传播有着显著影响。另外,时域结果更为清晰的地展示入射波、反射波和散射波的传播过程。     

消除近地表地震散射噪音的方法

假设近地表垂直点力产生的地震波场由入射波场和散射波场组成。散射波场由深层散射和浅层散射两个部分组成，若只考虑消除近博区域的面波散射对地震资料的影响，则通过地震散射模型来估算近地表散射波分布。由波动理论建立近地表传播和散射模型，并在平行地表的一个网格面的各个节点上设置波阻抗差函数来近似地表的非均匀性。散射波场是入射波场与波阻抗差函数的函数。在这样的模式下，由炮集记录提取入射波场，进而通过最小二乘法，求解波阻抗差函数，最终得到散射波场的估计。从炮集记录中减去散射波场，实现地震散射噪音的衰减。     

弹性半空间夹杂群对平面SH波散射的快速多极多域边界元法模拟

结合快速多极子展开技术,发展一种高精度快速多域间接边界元方法,用于求解弹性半空间大规模夹杂群对平面SH波的二维散射。数值检验表明,该方法能够高效精确地求解大规模多域散射问题,同时可大幅度降低计算存储量,据此在普通电脑上可实现数百万自由度二维多域出平面散射问题快速求解,进而分别针对半空间中均匀分布和随机分布的夹杂群,探讨了夹杂群刚度、形状对其周围平面SH波散射的影响规律。研究结果表明:由于弹性波的多次散射相干,使得夹杂群对平面SH波的散射与单夹杂体存在显著差异,总波场空间分布特征和位移频谱特征更为复杂;平面SH波散射特性主要取决于夹杂体的材料软硬程度、几何形状特征和入射波的角度、频率。另外,研究方法和分析结论可为半空间复杂不均质体对SH波散射正、反演分析提供新的技术手段和理论依据。     

层状场地中局部不均体对平面P波的散射

利用间接边界元方法,在频域内求解了层状场地中局部不均体对平面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,求得位移和应力响应。通过计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应位移和应力;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。研究了入射P波时,不均体宽度、埋深、厚度、入射角、入射频率度等参数对地表位移幅值的影响,并与相应自由场的结果进行了比较。不均体对P波散射有重要影响,在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑局部不均体对场地设计地震动参数确定的影响。     

非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(II):数值结果

利用地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射级数解答，定量分析了入射波长、入射角度、隧道直径、衬砌刚度等因素对沿线地表位移放大作用的影响。计算结果表明，当入射频率较低时，地下隧道的存在对地表位移幅值影响不大；而当入射频率较高时，地表位移幅值可以达到无隧道情况的4．5倍以上；衬砌情况下地表位移幅值可以高出非衬砌情况的87．8％。建议在地铁的规划设计中考虑地下隧道的建设对隧道沿线设计地震动的影响。     

平面P1波斜入射下海底洞室地震响应解析分析

基于无黏性可压缩理想流体介质波动理论和Biot流体饱和多孔介质波动理论,考虑水下饱和土的流固耦合,借助Hankel函数积分变换法(HFITM)给出入射平面P1波在海底洞室周围散射问题的解析解。相比传统研究中的"大圆弧假定",Hankel函数积分变换法可以较好地处理半空间表面边界条件。利用该解析解,计算分析了洞室表面透水条件、入射角度、入射频率、海水水深和饱和土的孔隙率等因素对水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面动水压力、环周总应力的影响。结果表明:洞室表面透水条件对水-土交界面处水平位移和竖向位移影响较小;随着斜入射角的增加,水-土交界面处竖向位移减小;随着入射频率的增加,水-土交界面处水平位移随之增加;海水水深为2.5倍SV波的波长时,水-土交界面处水平位移及洞室表面动水压力最大值最大;随着孔隙率的增加,水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面环周总应力减小,而洞室表面动水压力随之增加。     

层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。在洞室边界各个单元上施加虚拟分布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和虚拟分布荷载产生的位移响应叠加起来,即得到问题的解答。比较了层状半空间和均匀半空间中洞室对入射平面SV波的放大作用。结果表明,层状半空间情况有可能导致较大的地表位移幅值,尤其是对于较低频率入射波。     

矩形移动荷载作用下路面-双层地基系统三维振动分析

考虑路面和地基之间的相互作用,建立了路面-双层地基的三维模型,将车辆荷载模拟成矩形移动荷载,利用Fourier变换方法对车辆荷载作用下路面-双层地基系统的三维振动问题进行了研究。假设地基为上部弹性土体和下部为饱和土体组成的双层混合结构,整个系统置于刚性基岩上。通过引入势函数,利用Lame分解理论和积分变换方法分别对弹性土层和饱和土层进行求解。在Fourier变换域内,联立路面和下卧双层地基系统的的运动方程,获得了车辆荷载作用下路面-双层地基系统三维振动的位移和孔压响应的积分形式解,并利用IFFT算法和自适应数值积分算法得到了数值计算结果。研究结果可为路基动力响应分析提供参考。     

圆弧形沉积谷地对平面P波的三维散射解析解

采用大圆弧面来模拟半空间表面,利用波函数展开法在频域内给出了圆弧形沉积谷地形对平面P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。数值结果表明,入射波的频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应有重要影响。     

Scattering of elastic waves by a plane crack of finite width in a transversely isotropic medium

This work presents a numerical algorithm for solving crack scattering in a transversely isotropic medium whose symmetry axis is perpendicular to the crack surface. The crack is modelled as boundary discontinuities in the displacement u and the particle velocity v, of the stresses [κu+ζv], where the brackets denote discontinuities across the interface. The specific stiffness κ introduces frequency-dependence and phase changes in the interface response and the specific viscosity ζ is related to the energy loss. The numerical method is based on a domain decomposition technique that assignes a different mesh to each side of the interface, that includes the crack plane. As stated above, the effects of the crack on wave propagation are modelled through the boundary conditions, that require a special boundary treatment based on characteristic variables. The algorithm solves the particle velocity–stress wave equations and two additional first-order differential equations (two-dimensional case) in the displacement discontinuity. For each mesh, the spatial derivatives normal to the interface are solved by the Chebyshev method, and the spatial derivatives parallel to the interface are computed with the Fourier method. They allow a highly accurate implementation of the boundary conditions and computation of the spatial derivatives, and an optimal discretization of the model space. Moreover, the algorithm allows general material variability. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

局部复杂场地Rayleigh波传播特性分析的SBFEM模型研究

基于土-结构动力相互作用（SSI）的原理,将求解包含局部复杂地形的散射场问题,分解为规则开挖场地的动刚度、包含复杂构造散射体的动刚度和自由场波动输入3个问题的求解,并依据子结构控制方程,提出了一种高精度的比例边界有限（SBFEM）计算模型。通过计算半圆形河谷和半圆形沉积河谷两个算例,验证了SBFEM计算模型的正确性。较为系统地讨论了矩形峡谷、垂直断层和孤凸山体等常见复杂地形对Rayleigh波场的散射作用。结果表明：峡谷深度、软弱断层破碎带和孤凸山体对Rayleigh波都有一定阻挡作用;峡谷宽度、断层宽度和硬性断层填充物等因素对Rayleigh波散射作用影响不明显。SBFEM分析模型可应用于隔震沟、隔震帷幕设计,对大坝、桥梁等工程的选址提供有益的建议。     

SH波作用下各向异性弹性半空间中浅埋圆孔附近的动应力集中研究

研究了稳态水平剪切（SH）波作用下含有圆柱形孔洞的各向异性弹性半空间的动力响应问题,探讨介质的各向异性对孔附近动应力的影响规律。运用复变函数和多极坐标方法在变换空间中构造出各向异性弹性半空间中圆孔的散射波函数,所构造的散射波函数能够自动满足半空间水平表面上应力自由的边界条件和无穷远处的Sommerfeld辐射条件。根据圆孔表面应力自由的边界条件,采用最小二乘法求解所构造的散射波函数的系数。分析了SH波以不同角度自弹性半空间内入射时,不同介质特性、入射波数和埋深对圆孔附近动应力集中系数的影响。数值结果表明,各向异性弹性半空间中孔附近的动应力比各向同性情况有明显增高。