浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应研究

高山峡谷复杂地形是我国西部地区常见的地形和场地条件,大量的工程(桥梁、大坝等)修建在这类场地上。实际震害调查结果表明不规则地形对地震动具有明显的放大作用,对边坡的稳定性和建筑物的安全性构成不利的影响。因此研究高山峡谷复杂地形的地震动放大效应具有重要的工程价值。本文针对浅切割的高山峡谷复杂地形(山体顶和峡谷底的高差在100~500 m范围内),基于边界积分方程法获得场地任意点的地震动,详细探讨了入射波类型(P波和SV波)、入射波频率、入射角、山体和峡谷的几何参数对浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应的影响,发现山体的存在明显改变场地地震动的空间分布;高山峡谷复杂地形对地表地震动的放大作用与入射波频率密切相关;不同的地震波类型对应不同的地震动空间分布模式;峡谷深度对地震动放大效应的影响取决于入射波的类型;不对称的几何形状导致地震动的空间分布也呈现明显的不对称,并且SV波入射时的不对称性强于P波;当地震波斜入射时,峡谷背向震源侧的地震动远大于面向震源侧的地震动。本文的研究方法可以获得考虑高山峡谷复杂地形地震动放大效应的场地任意位置的地震动,为边坡的稳定性分析提供更符合实际的地震输入。     

饱和地基表面基础在Rayleigh波作用下的摇摆振动分析

考虑地基与基础的相互作用,运用Biot波动方程理论,研究了饱和地基表面有质量的刚性圆形基础在入射Rayleigh波作用下的摇摆振动问题。将饱和地基中的总波场分解为自由波场、刚体辐射波场及刚体散射波场,从而考虑基础对Rayleigh波的散射。采用Hankel变换求解土体控制方程,结合基础摇摆振动的混合边值条件以及Rayleigh波的动力作用获得基础摇摆振动振幅的表达式。计算结果分析了泊松比、基础质量、透水条件、土体渗透系数等对基础摇摆振动的影响。研究结果表明,与弹性介质相比,饱和地基中孔隙水的存在减弱了基础的摇摆振动,其作用效果与土体渗透系数及地基表面排水条件密切相关。     

基于间接边界元方法的SH波倾斜入射下边坡动力响应特征

地震作用下山体边坡的动力响应规律与地震波入射角度显著相关,本文基于间接边界元方法研究SH波倾斜入射下边坡的动力响应特征.基于间接边界元理论研发了用于边坡岩体动力响应分析的边界元程序,通过计算平直裂隙对弹性波的反射及散射波波场对程序进行验证,并详细探讨了不同类型的边坡在各种入射角度的应力波作用下的响应特性.SH波铅直向入射时,半圆形凹陷地形的谷肩位置地震动振幅最小,而半圆形凸起地形的最高点位置振幅最大,单面坡的坡肩位置地震动最大,楔形凸起地形的坡顶地震动最强烈;当SH波入射角增大,各类边坡的最大地震动力响应位置也有所偏移,地震放大系数亦随之变化;以樟木镇边坡为实例揭示了复杂形态边坡岩体中的局部凸起对地震动的放大作用.研究结果表明,边坡微地形特征对地震动力响应影响非常大,凸起山体坡顶的动力放大效应最为显著;同一边坡在不同入射角地震波作用下产生的动力放大系数以及发生的位置不同.本文的研究结果对评价坡体稳定性和边坡工程抗震防设等具有重要的指导意义.      

基于子结构法的成层场地中沉积河谷的散射分析

土层场地对地震动的影响明显,研究成层场地局部复杂地形的波动场特性,对于抗震设防具有重要意义。基于土-结构相互作用理论,含有局部复杂地形的成层场地,可分解成广义结构（即近场复杂地形及其周围土体）和具有规则开挖边界的成层无限地基（即远场）。远场的格林函数可通过精细积分求解频域-波数域内的对偶波动方程获得,利用傅里叶逆变换得到频域-空间域内的柔度矩阵。近场可采用比例边界有限元进行模拟,通过高性能连分式的传递边界求解动刚度。自由场波动可通过传递矩阵法求得,将动刚度和自由场波动位移代入控制方程即可得到散射场的动力响应。数值算例验证了方法的准确性,并利用提出的方法讨论含有软夹层场地局部复杂场地的波动场特性。     

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。     

周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析求解

将排桩对平面SH波的隔振简化为弹性波散射的二维平面问题，基于全空间中无限周期结构的周期特性，给出了一种求解无限周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析方法。该方法采用波函数展开法并结合Graf加法定理，利用全空间中相邻周期单元的散射波场在频域内相差一个相位的特性，仅选取一个周期单元，将入射波场和所有散射波场的贡献叠加后，根据边界条件求解待定系数，从而求得整个散射波场。该解析解能够精确求解无限周期分布桩体的散射问题，分析周期分布桩体数量较多时的隔振规律，弥补了以往理论分析中桩体个数较多时难以求解的不足。重点讨论了桩体个数、桩体刚度、桩体间距和桩体类型等因素对隔振效果的影响，结果表明：（1）该方法显著降低了求解大量桩体问题时的存储量和计算量，有限周期模型计算结果随桩体个数增多收敛于无限周期模型，反映了该方法的正确性；（2）整体上桩体刚度增大有利于提高隔振效果，但桩体刚度对隔振效果的提升有限，桩体剪切波速为土体5倍时已具有足够的隔振效果；（3）桩间距对隔振效果有着直接影响，间距越小则低频禁带宽度越大；（4）桩体类型对隔振效果有着显著影响，实心桩有着良好的隔振效果，而具有柔性内填充的管桩在低频段有着更佳的隔振效果。     

局部断层场地对P波的散射影响研究

采用间接边界元法,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,在频域内求解了局部断层场地对P波的散射,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,以及场地动力特性对散射的影响。研究表明,破碎带断层对入射P波有着显著的影响,即使破碎带很窄,也可对P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。     

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。     

川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

V形河谷场地能产生地震动放大效应,并加剧地震的破坏作用和灾害效应。基于高性能离散元软件MatDEM,对规则V形河谷以及真实河谷地形下的放大效应进行数值模拟研究。结果表明,对于规则V形河谷,在地震波水平入射的情况下,背波坡面产生明显的地震动加速度放大效应,并在临近谷底处最为强烈;随着河谷坡角的增大,放大效应增大。数值模拟结果和解析解具有一致的趋势和规律,并符合现场观测现象。将模型进一步应用于川藏铁路线日扎深切河谷的分析,发现地形微小的转折将会影响到波的传播,临近谷底处的加速度放大效应与规则地形较为一致。离散元法能有效地模拟河谷中地震波的传播、反射、散射等现象,可用于川藏铁路沿线复杂条件下的动力作用灾害效应分析。     

垂直界面附近椭圆形夹杂对SH波的散射与地震动研究

利用复变函数法和Green函数法给出了SH波对垂直界面附近椭圆形夹杂散射问题的解析解答。首先,将待求的半空间模型沿垂直边界分割为区域Ⅰ和区域Ⅱ两个直角域。通过保角映射的方法将区域Ⅰ内椭圆形夹杂的外域映射为单位圆外域,并利用镜像方法构造出两个区域内满足直角域边界条件的散射波场及适用的Green函数;其次,利用界面契合思想,通过在界面处添加附加力系的方法建立起满足界面处位移和应力连续条件的无穷代数方程组,并截断有限项求解;最后,给出了求解地表位移幅值的具体算例。结果表明,入射波数、入射角度、夹杂位置、垂直界面以及材料参数都对地表位移幅值的分布有影响。     

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。     

基于土体三维波动模型的饱和土中管桩竖向振动

基于土体的三维波动模型研究了饱和土中单个管桩的竖向振动。将桩周土和桩芯土视为两相多孔介质,管桩视为等截面的圆管杆单元。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土径向位移和竖向位移的情况下,建立了基于土体三维波动模型的饱和土-管桩竖向耦合振动模型。借助势函数和分离变量法并考虑土体边界条件,求解了考虑土体三维波动的桩周饱和土和桩芯饱和土的竖向振动。在此基础上,考虑管桩桩端边界条件,利用三角函数正交性求解了饱和土中单个管桩的竖向振动,得到了管桩桩顶的竖向复刚度。通过数值算例,对比分析了土体三维波动模型解和不考虑土体径向位移的简化模型解的计算结果,分析了主要桩、土参数对饱和土中管桩竖向振动的影响。研究表明：当管桩壁较薄时且低频时不应忽略土体径向位移的影响,在动态刚度因子和等效阻尼随频率变化曲线峰值峰谷处不宜忽略土体液相的影响,管桩壁不宜过薄。管桩壁厚、长径比、桩芯饱和土与桩周饱和土密度比、剪切模量比以及桩-土模量比对饱和土中管桩竖向振动有较大影响,在进行管桩设计时需要综合考虑相关参数。     

Wave scattering and diffraction of subsurface cavities in layered half-space for incident SV-P and SH waves

A novel approach is proposed to deal with the problem of wave scattering and diffraction of subsurface cavities embedded in stratified half-space. The subsurface cavity with complex surroundings is treated as a substructure. The continuity condition at the interface between the substructure and the far field of stratified half-space is maintained by applying a free-field approach. As the boundary of the free-field ground is regular, the construction of the dynamic matrices and the evaluation of the wave input on the interface become considerably easier. Based on the previous work with some improvement, a novel approach for evaluation of Green's functions in stratified half-space is presented. The wave equation is decoupled into the one for SV-P wave components and the other one for SH wave component. The precise integration technique ensures high accuracy of the solution of wave equations. The layer merging technique and the dual form equation make it possible to obtain Green's function in closed-form solution of matrix equations. Numerical examples validate accuracy and efficiency of the proposed approach.     

稳态瑞利波法在中国的应用及进展

采用电磁震源的稳态瑞利波法在我国应用已有近10年的历史,是我国应用最早的面波勘探方法。近10年来,通过理论和试验两方面的研究,在资料采集、处理和解释方面都取得了显著进展;确定"拐点"和"之字型"异常为D-_vR曲线上地层界面的两种基本异常形态;根据单条曲线的形态,可以确定洞穴、裂隙、松软带等地质异常的基本类型;并获得了深达一二百米以上的实测资料。稳态瑞利波法成功地应用到许多大、中、小型工程项目之中,解决了一些复杂的工程地质问题,在勘探深度、解释精度和空洞判断准确率方面都达到了较高水平。稳态法所具有的优势是其它类似物探方法包括目前的瞬态面波法很难比拟的。可以预见,随着稳态和瞬态方法、仪器的发展,两者互相促进,互为补充,必将进一步提高瑞利面波勘探的水平和解决各种复杂地质问题的能力。      

地下综合管廊边界条件对地震动力响应影响数值分析

为研究综合管廊动力边界条件对地震动力响应的影响,以厦门地区的代表性土层为例,建立动力有限元数值模型,土体本构采用小应变硬化模型,分别设定固定边界、黏性边界和自由场3种人工边界条件,进行Rayleigh波和地震底部剪切波作用下的场地响应研究;并根据变形特征及拟绝对加速度反应谱（PSA）评价3种边界的有效性,提出综合管廊地震动力分析的优化动力边界组合方法。研究表明：在地震波（底部水平加速度时程）及Rayleigh波的作用下,由于考虑了黏性边界对外行波的吸收,但未考虑地震动的输入问题及边界外半无限介质的弹性恢复性能,边界会对模型内部土体的水平位移产生限制作用,使得场地内水平位移响应偏小,而采用自由场边界则基本不存在这种限制作用,表现出强烈的振荡;采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,在Rayleigh波和底部加速度时程共同作用下,二者引起的动力响应交叉干扰较少,可按线性叠加处理;同时,黏性边界对地震波引起的动力响应有一定范围的吸收,自由场边界对Rayleigh波引起的动力响应也有一定范围的变形限制影响。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

三维层状饱和地基动力Green函数的薄层法求解

建立了三维层状饱和地基模型并在模型底部施加无反射边界条件,引入Fourier变换和正交变换将饱和地基Biot动力方程化为Love和Rayleigh模态方程,将地基沿深度方向划分为数个薄层单元并对单元位移场引入线性插值函数,从而将模态方程离散化,通过求解本征值问题最终给出了三维层状饱和地基的频域动力Green函数。分析了均质饱和地基的Love和Rayleigh模态的弥散特性,求解了均质和成层饱和半空间的Lamb问题,并与Philippacopoulos的数值积分解对比,说明了所求Green函数的正确性。所得Green函数无需关于Hankel函数进行数值逆变换且能直接考虑地基的成层性,提高了计算效率。     

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性，建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型，模型中考虑参数间的耦连影响，并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程，采用微分算子法对控制方程进行解耦求解，推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基，验证了结果的正确性。通过数值算例，对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区，饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响，质点运动轨迹也由此发生变化；随着频率的升高，这种影响逐渐减小，当频率趋于无穷大时，瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速；地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性，瑞利波位移加速衰减，传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大，质点竖向位移的衰减快于水平位移，这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外，地基中非均匀土层厚度越小，则地基非均匀程度越高，对瑞利波的传播影响越大。     

Numerical and analytical investigation of compressional wave propagation in saturated soils

In geotechnical earthquake engineering, wave propagation plays a fundamental role in engineering applications related to the dynamic response of geotechnical structures and to site response analysis. However, current engineering practice is primarily concentrated on the investigation of shear wave propagation and the corresponding site response only to the horizontal components of the ground motion. Due to the repeated recent observations of strong vertical ground motions and compressional damage of engineering structures, there is an increasing need to carry out a comprehensive investigation of vertical site response and the associated compressional wave propagation, particularly when performing the seismic design for critical structures (e.g. nuclear power plants and high dams). Therefore, in this paper, the compressional wave propagation mechanism in saturated soils is investigated by employing hydro-mechanically (HM) coupled analytical and numerical methods. A HM analytical solution for compressional wave propagation is first studied based on Biot’s theory, which shows the existence of two types of compressional waves (fast and slow waves) and indicates that their characteristics (i.e. wave dispersion and attenuation) are highly dependent on some key geotechnical and seismic parameters (i.e. the permeability, soil stiffness and loading frequency). The subsequent HM Finite Element (FE) study reproduces the duality of compressional waves and identifies the dominant permeability ranges for the existence of the two waves. In particular the existence of the slow compression wave is observed for a range of permeability and loading frequency that is relevant for geotechnical earthquake engineering applications. In order to account for the effects of soil permeability on compressional dynamic soil behaviour and soil properties (i.e. P-wave velocities and damping ratios), the coupled consolidation analysis is therefore recommended as the only tool capable of accurately simulating the dynamic response of geotechnical structures to vertical ground motion at intermediate transient states between undrained and drained conditions.