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（Ⅰ）——方法及验证

利用间接边界元法, 求解了弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射平面SH波的三维散射问题. 通过与文献结果进行对比, 验证了本方法的正确性. 与工程中常用的二维模型比较表明, 工程中将三维散射问题简单地分解为平面内问题和平面外问题的做法存在较大误差. 文中并研究了斜入射角度对散射的影响, 表明斜入射角度对地表位移幅值有着重要影响.      

平面内剪切断层的超S波速破裂<

研究了平面内剪切断层的自然破裂速度,特别是超 S 波速自然破裂是否存在的问题.采用经典的线弹性断裂力学模型,用1个平面内剪切裂纹沿自身所在的平面扩展,作为平面内剪切断层的模型.通过理论推导,把 Kostrov(1975)的解从低于瑞利波速度发 VR 推广到高于 S波速度,得出了应力强度因子 K2在>v>的条件下的解析式.对于泊松介质,K2在(,1.70)为正实数,其中 v 为破裂速度,为 P 波速度,为 S 波速度.这表明(,1.70)这个范围是满足自发破裂条件的 v 的解的存在范围.对 v 在不同区间内 K2的存在性、收敛性以及取值的正负进行了总结,得出以下结论:(1)平面内剪切裂纹的自然破裂速度 v 有3个物理区间,第1个在0和 VR 之间,第2个在和1.70之间,第3个为;(2)v 有两个物理禁区,第1个在 VR 和之间,第2个在1.70和之间,它们分别构成了破裂速度的屏障.导出的解析式不仅适用于经典模型,也适用于平面内剪切裂纹自然失稳扩展的各种其它派生模型(例如滑动弱化模型、重整化模型等),所采用的模型比起前人的稳态模型更接近实际情况.      

粘弹性介质中的地震波

给出了三元件的标准线性粘弹性固体在半平面内传播的地震波的解析解，它是由已知的弹性半平面内的解析解迭粘滞性解而得，从而克服了视地壳为二元件粘弹性体的Voigt模型或Maxell模型的缺点。     

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。     

双排弹性桩隔振屏障对平面SH波的多重散射

提出了一种新的求解任意排列、任意半径的弹性桩对平面SH波的多重散射的理论方法,以解决以往假设单重散射的计算方法中不考虑桩列作为整体屏障从而忽略桩间相互干涉关系的不足,并且可用于分析多排弹性桩对平面SH波的散射性状。在数值计算分析中讨论了散射重数,排间距,桩土剪切模量比,桩数等对双排弹性桩屏障隔离效果的影响,从而对实际工程中利用排桩进行振动污染的治理和屏障隔振设计提出了重要的理论依据。     

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。     

层状半空间中洞室对入射平面P波的放大作用

文中利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面P波的放大作用问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各单元的应力响应。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P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。     

地表下圆形夹塞区出平面散射对地面运动的影响

采用波函数展开方法，提出弹性半空间埋藏的圆形弹性夹塞区对平面ＳＨ波二维散射的封闭级数解答．利用内域型Ｇｒａｆ加法公式，将解答归结为一组无穷代数方程组的求解．通过对无穷方程组的截断计算，得到了解答的数值结果；并通过边值条件的收敛，检验了截断计算的精度．最后给出若干典型算例说明夹塞区产生的散射场对地表运动的复杂影响．     

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。     

平面SH波在弹性半空间中三维洞室周围的散射

结合弹性均匀半空间中力源格林影响函数,采用一种间接边界积分方程法求解了弹性半空间中三维洞室对入射平面SH波的散射问题。通过与已有结果的比较,验证了方法的计算精度。在此基础上,以半空间中圆球形洞室为例,对洞室附近地表位移响应和洞周应力集中特征进行了分析,并与二维模型进行了比较。研究表明:三维和二维模型对平面波的散射在整体上存在相似性,但也存在显著差别;二维模型的地表位移峰值均大于三维情况,前者地表位移空间分布更为复杂,动力响应更为剧烈;三维模型的洞室表面应力峰值则普遍大于二维情况,并且在峰值位置上存在显著差异,且随着频率增大,差异愈加明显。     

弹性层状半空间中沉积谷地对入射平面SH波的放大作用

对Wolf理论进行拓展,使之可解决沉积谷地对波的散射问题,进而利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中沉积谷地对入射平面SH波的放大作用问题。通过自由场反应分析,求得假想边界上各点的位移和各单元的应力反应。施加虚拟均布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力和位移连续边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场反应和虚拟分布荷载产生的反应叠加起来,即得到问题的解答。最后,以基岩上单一土层中沉积谷地对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析,结果表明,层状半空间中沉积谷地和均匀半空间中沉积谷地对波的放大作用存在显著差别。文中分析了造成差别的原因,并讨论了覆盖层厚度和刚度对放大作用的影响。     

地震波在不规则界面上的散射效应及其某些应用

本文运用数值解法,求解了两类散射问题:(1)在声学近似下,平面P波在半无限介质空间表面上任意形状的三维空腔上的散射;(2)平面SH波在半无限弹性空间中埋藏着任意形状截面的无限长、且平行于地面的弹性柱体上的散射,得到了几种几何形状的物体所引起的散射数值结果。把某些特殊情况下的散射结果与已知的精确解作对比,两者能很好地吻合。     

基于粘性-滑移界面接触模型半空间隧道衬砌对平面P波的散射

基于粘性-滑移模型模拟隧道衬砌和围岩之间的接触状态,采用间接边界积分方程法求解弹性半空间中隧道衬砌对平面P波的散射,着重考察了地表位移放大和衬砌动应力集中效应。结果表明:接触滑移边界的刚度系数和粘度系数对隧道衬砌的动应力分布影响较大,滑移刚度较小时,共振频率段动应力集中效果更加显著;随着粘度系数的增大,衬砌内部环向应力幅值逐渐减小。另外,界面刚度系数和粘度系数对隧道衬砌动力反应的影响程度也受控于入射频率和角度。     

半空间饱和介质内圆形洞室对平面P1波的散射

考虑土颗粒和孔隙流体的压缩性以及孔隙流体与土骨架之间的粘性耦合作用,采用修正的Biot模型,假定半空间表面不透水,得到了平面P1波(快压缩波)在半空间表面的反射P1波、P2波(慢压缩波)和SV波(剪切波)的幅值.采用大圆弧假定将半空间内圆形洞室的散射问题转化为大圆弧和圆形洞室的多重散射问题,运用波函数展开法将入射波、反射波以及半空间表面和洞室的散射波的势函数展开成Fourier-Bessel函数的无穷级数形式,由Graf加法定理得到同一坐标系下的势函数的表达式,根据半空间表面和洞室完全自由的边界条件得到了待定复系数的理论解.通过数值计算,着重分析了平面P1波垂直向上入射时无量纲入射频率和洞室埋藏深度等对洞室的动应力集中因子和半空间表面的归一化水平和竖向位移的影响.     

各向异性弹性半空间内圆孔与裂纹对SH波的地震动

采用复变函数法、Green函数法求解了SH波入射下各向异性弹性半空间中圆形孔洞和裂纹的散射问题。基于Green函数法,推导出含圆孔的各向异性弹性半空间内作用出平面线源荷载时的Green函数解。基于裂纹"切割"法,沿着裂纹出现处施加一系列等值反向的应力,使该处的总应力为零,从而构造出了裂纹。则裂纹存在情况下的位移场便可进一步求得,最后通过大量的计算结果,讨论了不同参数对水平地震动的影响规律。     

线源荷载对半圆形凸起圆形夹杂附近浅埋圆孔的动力作用

采用复变函数法和Green函数法研究了在水平界面承受出平面线源荷载时弹性半空间内半圆形凸起的圆柱形弹性夹杂对浅埋圆孔的动力作用.该问题采用“分区”、“契合”思想求解.首先,将整个求解区域分割成两部分,其一为含半圆形凹陷和圆孔的弹性半空间,其二为圆柱形弹性夹杂;其次,构造满足含半圆形凹陷半空间水平界面应力自由和圆孔边界应力自由的散射波,构造满足圆形夹杂上半表面应力自由下半表面应力连续条件的驻波和散射波;最后,在两个区域的“公共边界”上实施“契合”,满足公共边界处位移和应力的连续性条件,同时满足圆孔边界应力自由的边界条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组,并就具体算例分析讨论了浅埋圆孔边缘动应力集中系数(DSCF)的数值结果.结果表明:圆柱形弹性夹杂的“软”、“硬”对浅埋圆孔孔边动应力集中系数有不同的影响.     

P-SV波斜入射时成层半空间自由场的时域算法

刘晶波和王艳提出了一种弹性水平成层半空间中平面P-SV波斜入射时平面内自由波场时域计算的一维化有限元方法,该方法采用黏性人工边界条件近似地模拟下部基岩半空间的辐射阻尼,可导致平面P-SV波以大角度入射时自由场计算精度降低.本文提出一种精确模拟基岩半空间辐射阻尼的人工边界条件.由于基岩半空间中外行波是传播方向已知的平面P波和SV波,利用弹性介质的应力-位移本构关系建立了人工边界处应力与速度的阻抗边界条件;采用该人工边界条件替代黏性边界条件,改进了P-SV波斜入射时成层半空间自由场的时域算法.数值试验表明,与采用黏性边界条件的自由场算法相比,改进方法具有更高的计算精度,其计算结果与理论解吻合更好.     

饱和土沉积谷场地对平面SV波的散射问题的解析解

把波函数展开方法用于饱和多孔介质中波的传播的研究中,给出了不同土层界面条件（透水条件和不透水条件）下具有饱和土沉积层的圆弧形沉积河谷场地对平面SV波散射问题的解析解. 其中沉积谷软土场地用饱和多孔介质的Biot动力学理论模拟,半空间场地用单相介质弹性动力理论模拟. 对于入射角大于临界入射角时,产生的面波的波函数用有限Fourier级数展开,这种方法适用于较大的入射波频率范围,这是现存的数值方法所不能比拟的一大优点. 文中算例分析了入射波频率和入射角对地震地面运动的影响.     

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...     

平面不规则结构非弹性扭转地震反应研究进展

不规则建筑结构在侧向地震荷载作用下由于质量中心和刚度中心的不重合导致平扭耦联反应的发生,使得结构构件的变形需求分布在结构平面内并不一致,从而产生附加的强度和变形需求。尽管不规则建筑结构在地震作用下的扭转问题一直受到研究学者的关注和研究,并取得了很多显著的成果,但仍然存在着一些争议,有待于继续深入研究。本文从结构的分析模型、影响参数及地震动输入等方面回顾总结了平面不规则建筑结构在地震作用下非弹性扭转的研究进展,结合当前的研究工作指出今后研究的发展方向。