非饱和土中热弹性波的传播特性分析

基于非饱和多孔介质的研究成果,考虑热效应和孔隙流体迂曲度的影响,研究了非饱和土中热弹性波的传播特性。利用非饱和土中耦合热的固-液-气三相介质的质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律,建立了问题的热弹性波动方程。通过引入势函数,经过理论推导给出了非饱和土中热弹性波的弥散特征方程。结合数值算例,分析了几类热弹性波的波速和衰减系数随迂曲度、热膨胀系数和介质温度等热物理参数的变化规律。结果表明:孔隙水迂曲度的增大将引起P₁波、P₃波和S波的波速增大,而孔隙气体迂曲度的增大仅使得P₂波的波速增大;热膨胀系数的增大将造成P₁波波速的增大和热(T)波波速的减小;介质温度的升高将引起各类热弹性波波速的增大;频率、热膨胀系数和介质温度的变化对各类热弹性波的衰减系数均有较大影响,不可忽视。     

双层非饱和地基中Rayleigh波的传播特性

研究了双层非饱和地基中Rayleigh波(以下简称R波)的传播特性问题。首先将迂曲度引入孔隙流体的渗流连续性方程,对三相孔隙介质波动方程进行修正,接着采用体波的势函数之和构建各相介质的势函数,并借助Helmholtz分解,以及考虑土层边界条件和层间连续性条件,建立了R波的弥散特征方程,分析了饱和度、迂曲度和上覆土层厚度等参数与波速和衰减性的关系。结果表明,R波波速随饱和度的增加而线性减小;在渗透系数中间区段,则随着固有渗透系数k的增大而增大;水力迂曲度τ_f对波速的影响主要体现在高频区段,而空气迂曲度τ_a的影响则非常有限;对于上软下硬地层,覆盖层厚度的增加将引起波速的减小,并逐渐趋于上覆土层本身的R波波速;且频率越高或表面层刚度越低,趋近速度越快。     

饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波传播特性分析

基于多孔介质理论和广义的热弹性模型,研究了饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波(R波)的传播特性。以考虑流-固耦合的饱和多孔介质波动方程和连续性方程及考虑热-弹耦合的广义热弹性基本方程出发,建立了饱和多孔介质的热-流-固耦合弹性波动模型。通过引入势函数并结合自由透水及绝热的边界条件,经过理论推导最终给出了饱和多孔热弹性介质中R波的弥散特征方程。利用数值算例分析了孔隙率、渗透系数、热膨胀系数、初始温度和松弛时间等热物理参数对R波的波速和特征衰减的影响。结果表明:孔隙率的增加将引起R波的波速下降,但使得R波的特征衰减反而增大;R波的波速随着渗透系数的增大先不变,再急剧增大,最后趋于稳定,其特征衰减随着渗透系数的增加先增大后减小,最后趋于稳定;热膨胀系数的增大将引起R波波速的增大,但对其特征衰减的影响较小;初始温度的增加导致R波波速的小幅上升,而对其特征衰减影响不大;松弛时间对R波波速和特征衰减几乎无影响。     

非饱和土中波的传播特性

基于已建立的非饱和土中的波动方程,第1次从理论上推证出非饱和土中存在4种体波,即1种S波和3种P波（P1波、P2波和P3波）,并导出了4种体波的波速以及衰减的解析表达式,分析了4种体波的波速、衰减与频率以及饱和度之间的关系。结果表明：3种P波中P3波波速最小,衰减最大;P1波波速最大,衰减最小;P2波则介于二者之间。4种体波都具有弥散性,一般而言,波速随频率的提高而有所减小,而衰减则有所增大。随含气量的提高,P1波的波速减小,P2波和S波的波速增大,而P3波则受含气量的影响很小;P1波和P3波的衰减都有所减小,但变化不是很显著,P2波的衰减基本不随含气量的变化而变化,S波几乎不存在衰减现象。     

三相非饱和松散颗粒介质中弹性波的弥散性分析

由已建立了的非饱和土这种三相松散介质中的动力控制方程,得到波动方程的解,表明在非饱和土中存在3种P波（P1、P2和P3波）和1种S波。根据推导出的波速以及衰减的解析表达式,以实际工程中的尾砂土这种非饱和多孔介质为例,通过Matlab计算工具对非饱和土中的4种体波的弥散特性进一步数值分析,给出了典型的弥散和衰减曲线。结果表明,在一定的频率范围内,4种波的波速及衰减随频率的升高而增大,其中P2、P3波受频率影响强烈,而P1、S波受频率影响则相对较小。此外,饱和度的增加也将导致P1波波速的增大,但对P2、P3波和S波影响不大。     

非饱和土地基中P1波通过波阻板的传播特性研究

基于单相弹性介质与非饱和多孔介质中波的传播理论和Snell定律,研究了P1波从非饱和土介质中入射到波阻板（wave impeding block,WIB）时的传播特性。推导了P1波在非饱和土地基中通过波阻板后反射波和透射波振幅比的解析解,分析了反射波振幅比和透射波振幅比与波阻板的剪切模量、密度以及入射角、入射频率、饱和度等各种参数的关系曲线,从而得到这些参数对非饱和土地基中波阻板隔振效果的影响规律。数值结果表明：波阻板隔振屏障的剪切模量和密度对其隔振性能影响较为显著,当波阻板剪切模量和密度在一定范围内时波阻板隔振屏障可获得较好的隔振性能;入射角对波阻板隔振性能影响较大,而入射频率对其隔振效果影响很小。     

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。     

三相非饱和土参数对波的传播的影响研究

基于已建立的非饱和土中的波动方程,导出4种体波的波速以及衰减的解析表达式。数值分析了4种体波的波速、衰减与孔隙率以及Lame常数 、 之间的关系。结果表明,随孔隙率的增大,P1波和S波的波速有所提高,P2波和P3波的波速随孔隙率的增大而有所减小;3种P波的衰减有所增大,其中以P3波变化最为显著。P1波、P3波和S波的波速基本上不随Lame常数 变化,P2波的波速随Lame常数 的增大而稍有增大。P2及S波的衰减基本不随Lame常数 变化,P1、P3波的衰减随Lame常数 的增大而有所减小。3种P波的波速基本上不随Lame常数 变化,S波的波速随Lame常数 的增大而有所增大。P2及S波的衰减基本不随Lame常数 变化,P1、P3波的衰减随Lame常数 的增大而有所减小,其中P3波的变化最为显著。     

中国大陆Rayleigh面波衰减特征研究

搜集中国大陆58个数字地震台站6312个长周期波形记录,从中挑选出符合条件的442对经过中国大陆的双台路径记录,采用相匹配滤波和频率域维纳滤波相结合的方法,计算出双台之间的混合路径衰减系数。对中国大陆进行网格划分,通过网格化反演得到中国大陆每个网格单元的纯路径衰减系数。结果显示:短周期Rayleigh面波总体表现为东部(中国东北、华北、华南)Rayleigh面波衰减小,西北部(以青藏高原为中心)Rayleigh面波衰减大,反映了该深度东部地区已进入上地幔,西部仍处于下地壳;Rayleigh面波在中周期衰减特征是呈SN向展布,将中国大陆分成以鄂尔多斯—四川盆地为中部的三分图像,衰减小的中西部岩石圈稳定区、衰减大的青藏高原岩石圈汇聚增厚区和东部岩石圈拉张减薄区;在长周期Rayleigh面波衰减特征是中国大陆中西部衰减较小,为印度大陆俯冲到该深度所致,而在东部衰减较大,为西太平洋边缘弧后盆地的地幔浅部上升热流,构成上地幔中的热室而使东部面波衰减较大。Rayleigh面波衰减与地壳上地幔温度关系显示:中国大陆Rayleigh波衰减与大地热流分布有一定相关性——研究区域内热流值较高的青藏地块及邻区表现为Rayleigh波衰减大,热流值较低的中国东部表现为Rayleigh波整体衰减小;中国大陆地震波衰减特性与强震分布关系密切,在大约以107°E为界的中国大陆西部地震明显强于中国东部,与此关系密切的是,在约107°E为界大陆西部(以青藏高原为中心)地震波衰减大,以东的大陆地区衰减明显减小。     

非均匀饱和土中Love波的传播特性

基于Biot的横观各向同性饱和孔隙介质模型,考虑孔隙介质的非均匀性,导出了均匀饱和土半空间上非均匀饱和土层中Love波的复频散方程,并提出了复方程的迭代解法.以均匀弹性半空间上非均匀饱和土覆层为例,进行了数值计算,讨论了Love波的频散和衰减特性.     

Propagation of Rayleigh waves in unsaturated porothermoelastic media

Based on the frame of elastic theory for unsaturated porous medium, considering the influence of thermal effect, the propagation characteristics of Rayleigh wave in unsaturated porous media are studied. Firstly, the thermoelastic wave equations for three-phase porous media are established, in which the mass balance equations, generalized Darcy law, momentum balance equations, and generalized non-Fourier heat conduction law are taken into account. Secondly, through theoretical derivation, the dispersion equation of Rayleigh wave for unsaturated porothermoelastic media is given by introducing the potential functions. Finally, the variations of the phase velocity of Rayleigh wave are analyzed with numerical examples. The results show that the thermal conductivity has little effect on the phase velocity of Rayleigh wave. The phase velocity of Rayleigh wave increase with increasing of the thermal expansion coefficient and media temperature.     

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。     

时频分析在实测瞬态瑞雷波相速度提取中的应用

时频分析是近年发展起来的一个重要的、新的数学分支,目前已成为国际上极为活跃的研究领域。本文首先分析了瑞雷波的频散特性和传统的参数提取方法的缺陷,然后,利用时频分析的方法对实际资料进行了处理。处理结果表明,应用时频分析方法可以提高瑞雷波速提取的稳定性和可靠性。     

Propagation of Rayleigh waves in fluid‐saturated non‐homogeneous soils with the graded solid skeleton distribution

The propagation characteristic of Rayleigh waves in a fluid‐saturated non‐homogeneous poroelastic half‐plane is addressed. Based on Biot's theory for fluid‐saturated media, which takes the inertia, fluid viscosity, mechanical coupling, compressibility of solid grains, and fluid into account, the dispersion equations of Rayleigh waves in fluid‐saturated non‐homogeneous soils/rocks are established. By considering the shear modulus of solid skeleton variation with depth exponentially, a small parameter, which reflects the relative change of shear modulus, is introduced. The asymptotic solution of the dispersion equation expressing the relationship between the phase velocity and wave number is obtained by using the perturbation method. In order to analyze the effects of non‐homogeneity on the propagation characteristic of Rayleigh waves, the variation of the phase velocity with the wave number is presented graphically and discussed through numerical examples. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究

压实膨胀黏土常用于防止填埋场中固体废物产生二次污染,或作为核废料处置库通道隔绝层,这主要取决于压实膨胀黏土衬垫层或隔离层的防渗特性,而这种压实膨胀黏土层通常又呈现出非饱和特性。基于GDS非饱和土三轴试验系统,开发拓展其试验功能,研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法,同时结合电镜扫描试验,从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。结果表明,压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果;压实膨胀黏土水渗透系数受吸力、围压、干密度、饱和度等因素控制。     

层状地基中瑞利波随深度的衰减特性

层状地基中瑞利波（Rayleigh wave）的传播规律以及随深度的衰减规律是工程环境微振动分析与控制研究的关键问题之一。采用解析法（矩阵传递法）分析了层状地基中瑞利波弥散曲线,并在此基础上研究了各种频率下不同类型土层（上软下硬、软夹层、硬夹层）中瑞利波位移随深度衰减规律,通过与弹性半空间解的对比发现,瑞利波位移随深度的衰减规律与频率、土层分布密切相关：频率越高,传播深度越浅;特殊土层（软夹层、硬夹层）的存在会局部显著地改变其衰减规律,并且位移峰值的分布受到频率和土层分布的共同影响。最后,将该方法用于分析上海光源工程地基条件下瑞利波随深度的衰减规律,并与现场深孔微振动测试数据进行了比较。结果证明,与弹性半空间解相比,层状地基中瑞利波随深度的衰减规律可以更为准确地反映真实条件下瑞利波随深度的衰减规律。     

Shear wave velocity and attenuation structure for the shallow crust of the southern Korean peninsula from short period Rayleigh waves

We analyzed the short period Rayleigh waves from the first crustal-scale seismic refraction experiment in the Korean peninsula, KCRUST2002, to determine the shear wave velocity and attenuation structure of the uppermost 1 km of the crust in different tectonic zones of the Korean peninsula and to examine if this can be related to the surface geology of the study area. The experiment was conducted with two large explosive sources along a 300-km long profile in 2002. The seismic traces, recorded on 170 vertical-component, 2-Hz portable seismometers, show distinct Rayleigh waves in the period range between 0.2 s and 1.2 s, which are easily recognizable up to 30–60 km from the sources. The seismic profiles, which traverse three tectonic regions (Gyeonggi massif, Okcheon fold belt and Yeongnam massif), were divided into five subsections based on tectonic boundaries as well as lithology. Group and phase velocities for the five subsections obtained by a continuous wavelet transform method and a slant stack method, respectively, were inverted for the shear wave models. We obtained shear wave velocity models up to a depth of 1.0 km. Overall, the shear wave velocity of the Okcheon fold belt is lower than that of the Gyeonggi and Yeongnam massifs by  0.4 km/s in the shallowmost 0.2 km and by 0.2 km/s at depths below 0.2 km. Attenuation coefficients, determined from the decay of the fundamental mode Rayleigh waves, were used to obtain the shear wave attenuation structures for three subsections (one for each of the three different tectonic regions). We obtained an average value of Q_β^− 1 in the upper 0.5 km for each subsection. Q_β^− 1 for the Okcheon fold belt ( 0.026) is approximately three times larger than Q_β^− 1 for the massif areas ( 0.008). The low shear wave velocity in the Okcheon fold belt is consistent with the high attenuation in this region.     

Determining Rayleigh damping parameters of soils for finite element analysis

Soil damping ratio is an important parameter for modelling the dynamic behaviour of soil embankment structures, especially for the micro‐vibration analysis of hospitals and high‐tech industries, which have a very severe construction requirement for vibration. This paper explores using a least‐squares method to evaluate the Rayleigh damping parameters for the finite element analysis of wave propagation in soils. The least‐squares method was first used in Bornitz's equation to calculate the absorption coefficients of soils. Afterward, the best‐fit Rayleigh damping parameters were obtained using those coefficients in the least‐squares scheme again. Both three‐dimensional finite element analyses and field experiments were performed to validate the accuracy of this method. The comparison between experimental and finite element results demonstrates that the accuracy of this least‐squares method is acceptable. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.