多重散射问题的改进算法以及双排非连续弹性屏障对水平向剪切波的隔离研究

与Aviles等学者的多重散射隔振理论相比较,采用更为完整的Fourier-Bessel函数系的级数展开表达式来研究弹性波入射下的多重散射问题。引入Graf加法定理,并结合位移和应力边界条件,推导了无限均匀弹性介质中任意分布的多个弹性圆柱体对于平面水平向剪切波(SH波)入射时散射系数的理论解析解。随后,取圆柱体分布于两条相互平行的直线上,则问题演变为双排弹性桩屏障对于弹性波的隔离问题。引入无量纲位移(屏障后土体总的位移与仅由入射平面水平向剪切波引起的位移的比值)和透射系数(屏障宽度范围内无量纲位移的几何平均值)的概念来研究屏障的隔振效果。重点讨论了双排桩间距h以及桩土的剪切模量比ξ对于屏障整体隔振效果的影响,阐述了双排桩屏障的隔振性状。特别地,当h=0时,该问题退化为常见的单排非连续屏障的隔振问题。     

填充沟屏障远场被动隔振三维分析

把填充沟看作存在于弹性半空间的异质体,运用瑞利波散射的积分方程,对填充沟连续屏障远场被动隔振进行了三维分析,详细讨论了影响隔振效果的几个主要参数。研究表明,刚性材料比柔性材料具有更好的隔振效果,在隔振设计时应选择刚性屏障材料;填充沟的深度在一倍瑞利波波长内对隔振效果有较大影响,并且与宽度一起决定其隔振效果,但当屏障深度超过一倍瑞利波波长后,屏障深度对隔振效果的影响很小。     

非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔离效应:二维宽频带间接边界积分方程法模拟

采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),对二维非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔振效果进行宽频带计算分析。该方法基于单层位势理论,通过在非连续屏障交界面附近引入虚拟波源,分别用以构造散射体内、外散射场,继而由边界条件建立方程并求解得到虚拟波源密度,外部的总波场可由散射场和自由场叠加而得到。精度检验表明,该方法能够精确高效地求解任意排桩的宽频隔振问题。进而以圆柱实心桩为例,通过定量化频谱分析,揭示了P、SV波入射时排桩对不同频段弹性波的隔振差别,探讨了不同波速比、桩间距、桩排数对隔振效果的影响规律,研究结果表明:(1)隔振效果存在最优无量纲频段,宜优化设计桩径和桩间距以达到最佳效果;(2)场地土愈软,隔振效果愈佳。相比P波,SV波对于桩间距更为敏感;(3)低频波宜采用多排桩,但对高频波,采用三排以上的桩屏障对隔振效果的提升则不再显著。     

排桩对柱面SH波散射问题研究：解析求解

采用波函数展开法结合Graf加法定理,利用桩体与土体之间的位移和应力连续边界条件,给出了全空间单排桩对柱面SH波散射解析解,并采用傅里叶逆变换,求得时域结果。该方法考虑了入射波曲率的影响,在频域内分析了柱面SH波入射时排桩散射的频谱规律,给出了时域排桩柱面SH波散射位移云图,讨论了桩数与桩间距对柱面SH波入射时排桩散射的影响。研究表明：在振源距排桩较近（d/a=10）时,低频段（η=0~1.0）排桩对柱面SH波的隔离作用显著;振源距排桩较远时,各频段排桩对柱面SH波的隔离作用均较为显著。桩间距固定时,增加桩数,排桩后方首次出现的最大位移响应相应减小,排桩散射的影响范围随之增大;对柱面SH波进行阻隔时,为提高阻隔效率的同时节约成本,不仅需要考虑桩数,还应考虑波源与桩体、桩间空隙相对位置的影响;排桩分布宽度固定时,由于入射波曲率对排桩散射的影响,减小桩间距,排桩后方首次出现的最大位移响应有可能会出现放大的情况,故应采用合理的桩间距对柱面SH波进行阻隔。     

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。     

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。     

饱和土中任意形状衬砌对稳态压缩波的散射

采用不同的复平面间的保角映射法,对无限饱和土中任意形状的多孔衬砌结构对弹性压缩波的散射问题进行了研究。首先,通过引入位移势函数将饱和土和衬砌两种介质的Biot波动方程解耦成6个Helmholtz方程,并求出复平面极坐标下相应势函数的通解;之后,利用两个复平面间的极角变换关系,得到位移、应力和孔压在映像平面上势函数表达式。在此基础上,将原像平面中任意形状的衬砌内外边界处的边界条件代入到映像平面中圆环势函数的关系式中,从而求出饱和土中衬砌介质在弹性稳态体波作用下产生的动态响应。最后通过具体算例,变换不同的入射角及介质参数得出相应数值解及规律。     

多层沉积凹陷地形对平面SH波散射问题的解析解

利用波函数展开法给出了含多个沉积层凹陷地形对平面SH波散射二维问题的一个解析解,并以一具有3个沉积层的凹陷地形为例,分析了凹陷地形中沉积层排列次序对SH波散射的影响。结果表明,凹陷地形中沉积层排列次序将显著改变凹陷地形的卓越频率,沉积层的某个（些）排列次序有可能对入射波产生巨大的放大作用;此外,沉积层的刚度、厚度以及凹陷地形的深宽比等均对凹陷地形的放大效应也有一定的影响。     

沉积谷中衬砌隧道对SH波的散射

现实中衬砌隧道穿越沉积谷地十分常见,而国内外对其地震响应规律研究较少。基于MATLAB编程平台,采用间接边界积分方程法,就沉积谷地衬砌隧道对平面SH波的散射问题进行了初步探讨。研究了不同频率、隧道埋深与入射角度对地表位移和衬砌内外壁动应力集中因子的影响,并比较了沉积谷地中隧道与半空间隧道两种情况下的差别。结果表明：软土沉积中隧道衬砌动应力集中更为显著;高频波入射下,隧道埋深对沉积区域内位移分布、衬砌应力频谱特性和地表位移频谱特性均有较大影响。研究结论可为沉积谷地中衬砌隧道抗震设计与安全性评估提供定量依据。     

水位变化对多空沟屏障远场隔振效果的影响研究

受季节性降雨的影响,雨季和旱季存在明显的水位波动。为分析地下水位升降对多空沟隔振效果的影响,建立了上覆单相弹性层饱和地基中空沟有限元分析模型。模型中考虑了沟中水的作用,算例分析了等沟深和不等沟深多沟屏障、沟壁倾斜多沟屏障和连续起伏地形屏障在不同水位下的远场隔振效果。计算结果与相应单相弹性地基进行对比,结果表明：土体渗透性低时,多数水位下不利于多沟屏障隔振;沟深为0.3LR（LR为R波波长）的三沟屏障通常可获得较理想的隔振效果（75%隔振率）,但屏障在隔振效果最差的共振水位(0.6LR)下,空沟须贯穿上覆干土层才可获得75%隔振率;递减沟深屏障可有效降低上覆土层共振的不利影响;沟深较浅时,沟壁倾角越大,多沟的隔振效果越好,但对较深多沟的影响小;连续起伏的地形景观可作为一种有效的绿色隔振屏障。     

A new model for the vibration isolation via pile rows consisting of infinite number of piles

In this study, on the basis of the Floquet transform method, a numerical model for the simulation of the vibration isolation via multiple periodic pile rows with infinite number of piles is established. By means of the fictitious pile method due to Muki and Sternberg, the second kind of Fredholm integral equations for the pile rows are developed by using the fundamental solutions for the half‐space and the compatibility conditions between the piles and half‐space. Employing the Floquet transform method, integral equations for the pile rows in the wavenumber domain are then derived. Solution of the integral equations yields the wavenumber domain solution for the pile rows. The space domain solution can then be retrieved by inversion of the Floquet transform. Numerical results show that the proposed model with the Floquet transform method is in a good agreement with those of the conventional direct superposition method. On the basis of the new model, influences of the spacing between neighboring piles, the Young's modulus of the piles, and the pile length on the vibration isolation effect of the pile rows are investigated. Numerical simulations conducted in this study show that compared with the direct superposition method, the efficiency of the proposed model for simulation of the vibration isolation via pile rows is very high. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

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...     

薄壁筒桩在温州滩涂土地基处理中的应用研究

以温州浅滩一期半岛起步区首期1#地块为工程背景,对薄壁筒桩、钻孔灌注桩、预应力管桩进行现场静载荷试验,研究结果表明：在滩涂土地区,与钻孔灌注桩、预应力管桩相比,薄壁筒桩不会产生沉渣问题、桩身质量好、挤土效应弱、节约工程造价,承载力及桩顶沉降量均满足滩涂土地基加固要求,更适宜应用于滩涂土地基处理中,且在滩涂土地区,薄壁筒桩不会产生土芯闭塞效应,土芯的存在及桩顶封盖对于提高承载力具有一定的贡献,适当增加筒桩桩长可以提高承载力。     

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.     

饱和土体中排桩对移动荷载的被动隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,研究了饱和土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。隔振桩作为一维杆,饱和土体满足Biot理论。利用已有的移动荷载作用下的饱和土体的自由波场解及饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,建立了频域内土-桩的第2类Fredholm积分方程。通过Fourier逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果相比较,验证了方法的正确性。数值结果表明,荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响,即在相同隔振系统情况下,单排桩对低速荷载引起振动的隔振效果比高速移动荷载效果好。同时,较高速时的最佳桩长比低速时要短。     

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。     

Vertical amplitude reduction of Rayleigh waves by a row of piles in a poroelastic half‐space

A row of rigid piles is addressed as the countermeasures for isolating Rayleigh waves in a poroelastic half‐space. The complex characteristic equations for Rayleigh waves are derived via Biot's theory and their existence conditions are given. The piles are modeled as Euler–Bernoulli beams with longitudinal displacements and the diffracted field by each pile is constructed only with Rayleigh waves. Six infinite linear systems of algebraic equations are obtained in terms of the equilibrium of forces and continuity of displacements at the pile–soil interfaces. The systems are subsequently solved in the complex least‐squares sense. The influence of certain pile and soil characteristics such as the permeability of poroelastic soil, spacing between the piles and length of the piles on the isolating performance of a pile barrier is investigated. Computed results show that the permeability of poroelastic soil displays a significant effect on the vertical amplitude reduction of Rayleigh waves. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.