平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(Ⅰ):解析解

利用波函数展开法给出了入射平面P波在饱和半空间中圆形洞室周围散射问题的一个解析解。半空间假定为无粘性流体饱和介质,满足Biot理论。采用一种基于实验数据的孔隙率和模量之间的线性关系来确定Biot模型中的介质参数。解答考虑了透水边界和非透水边界两种情况。对边界条件进行了数值检验,结果表明,随着级数截断项数的增大,边界残量衰减很快。解答为进一步研究入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响奠定了基础。     

平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(Ⅱ):数值结果

本文通过数值计算研究了入射平面P波在饱和半空间中洞室周围散射问题,分析了入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响。研究表明,平面P波入射情况下,饱和半空间和单相（干土）半空间中洞室附近地表位移幅值的差别很大,干土情况的水平位移幅值相对较大,饱和情况的竖向地表位移幅值相对较大;由于波在洞室附近的干涉,饱和情况与干土情况的地表位移出现相位漂移。随着孔隙率的增大,洞室附近水平地表位移幅值逐渐减小,竖向地表位移幅值则逐渐增大;当孔隙率较低时,边界渗透条件对地表位移幅值的影响很小,而当孔隙率较大时,边界渗透条件的影响则不可忽视,不透水情况下,水平和竖向地表位移幅值的峰值均相对较大;随着入射频率的增加,孔隙率的影响逐渐增大,而且不透水情况下孔隙率的影响相对较大。随着泊松比的增大,洞室附近水平地表位移幅值逐渐降低,竖向地表位移幅值则逐渐增大;泊松比较小时,边界渗透条件对位移幅值的影响较大,泊松比较大时,边界渗透条件对位移幅值的影响则较小;随着入射频率的增加,泊松比的影响逐渐增大。当孔隙率较小时,半空间地表和洞室表面孔隙水压幅值较小,但空间变化比较剧烈,随着孔隙率的增大,孔隙水压逐渐增大但空间变化逐渐平缓;随着入射频率的增加,孔隙水压幅值逐渐增大,且孔隙水压的空间变化逐渐变得复杂。     

平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(II):数值结果

本文通过数值计算研究了入射平面P波在饱和半空间中洞室周围散射问题,分析了入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响。研究表明,平面P波入射情况下,饱和半空间和单相(干土)半空间中洞室附近地表位移幅值的差别很大,干土情况的水平位移幅值相对较大,饱和情况的竖向地表位移幅值相对较大;由于波在洞室附近的干涉,饱和情况与干土情况的地表位移出现相位漂移。随着孔隙率的增大,洞室附近水平地表位移幅值逐渐减小,竖向地表位移幅值则逐渐增大;当孔隙率较低时,边界渗透条件对地表位移幅值的影响很小,而当孔隙率较大时,边界渗透条件的影响则不可忽视,不透水情况下,水平和竖向地表位移幅值的峰值均相对较大;随着入射频率的增加,孔隙率的影响逐渐增大,而且不透水情况下孔隙率的影响相对较大。随着泊松比的增大,洞室附近水平地表位移幅值逐渐降低,竖向地表位移幅值则逐渐增大;泊松比较小时,边界渗透条件对位移幅值的影响较大,泊松比较大时,边界渗透条件对位移幅值的影响则较小;随着入射频率的增加,泊松比的影响逐渐增大。当孔隙率较小时,半空间地表和洞室表面孔隙水压幅值较小,但空间变化比较剧烈,随着孔隙率的增大,孔隙水压逐渐增大但空间变化逐渐平缓;随着入射频率的增加,孔隙水压幅值逐渐增大,且孔隙水压的空间变化逐渐变得复杂。     

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.     

饱和土半空间中地下圆形衬砌洞室对平面SV波的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier-Bessel级数展开法,通过对舍有衬砌洞室的局部场地进行波场分析,得到饱和土半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波的散射问题的解析解。经验证,本文得到的解可以退化为半空间单相介质的情况。通过与已有的单相弹性介质半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波散射问题的解析解的对比,验证了此解的正确性。在解析解的基础上,数值计算给出洞口动应力集中放大系数,分析了入射频率和孔洞埋深对柱面上的应力集中因子的影响。     

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。     

平面SV波在饱和半空间中沉积谷地周围的散射

采用一种特殊的间接边界积分方程法,求解了平面SV波在饱和半空间中任意形状沉积谷地周围的二维散射问题。结合饱和半空间中膨胀波源和剪切波源格林函数,由分布在沉积和半空间交界面附近两虚拟波源面上的波源分别构造沉积内外的散射波场,由交界面连续条件建立方程并求解确定虚拟波源密度,总波场反应即可由自由波场和散射波场叠加而得。然后通过边界条件验算、退化解答与现有结果的比较以及稳定性检验,验证了方法的计算精度。通过一组典型算例,研究了平面SV波在饱和半空间中沉积谷地周围散射的基本规律,详细给出了不同参数情况沉积谷地附近地表位移幅值和孔隙水压,着重分析了入射SV波频率和角度、边界渗透条件、沉积孔隙率等因素对场地反应的影响,得出了一些有益的结论。     

平面SV波在饱和土半空间中圆柱形孔洞周边的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier—Bessel级数展开法,得到SV波在饱和土半空间中圆柱形孔洞周边的散射问题的解析解答。与已有相关问题的解析解答进行对比,验证了此解的正确性,并给出算例,分析了入射频率对柱面上的应力集中因子的影响。     

楔形空间中圆弧形沉积对平面P波的散射解析解

基于大圆弧假定,利用傅立叶-贝塞尔（Fourier-Bessel）级数波函数展开法,给出了含圆弧形沉积的楔形空间对平面P波的散射解析解。为方便构造地表面引起的散射波场,本文利用2个大圆弧面来模拟地表面,由连续性边界条件建立方程并求解得出该问题的解析解。算例结果表明,楔形空间沉积附近地表的动力响应特征依赖于入射波频率、入射角度、沉积内外介质特性与楔形夹角等因素,且位移放大效应较半空间情况更为显著。     

半无限空间中稳态P波在衬砌周围的散射

本文采用多级坐标和复变函数方法针对半无限空间中P波在一衬砌周围的散射问题提出了一种近似求解分析方法。具体做法是利用一个半径很大的圆来逼近半空间的直边界，将待解问题转化为全空间中P波在一圆孔和一衬砌周围的共同散射问题。我们预先写出问题波函数的一般形式解，利用边界条件并借助复数傅立叶级数展开把问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组，进而讨论了衬砌内外边界处动应力集中系数针对不同条件组合的分布和变化情况。算例结果表明：本文方法对于研究与P波（SV波）有关的散射问题是可行的。     

Diffraction of plane P waves around an alluvial valley in poroelastic half-space

Diffraction of plane P waves around an alluvial valley of arbitrary shape in poroelastic half-space is investigated by using an indirect boundary integral equation method. Based on the Green’s functions of line source in poroelastic half-space, the scattered waves are constructed using the fictitious wave sources close to the interface of the valley and the density of fictitious wave sources are determined by boundary conditions. The precision of the method is verified by the satisfaction extent of boundary...     

Diffraction of plane SV waves by a cavity in poroelastic half-space

This paper presents an indirect boundary integration equation method for diffraction of plane SV waves by a 2-D cavity in a poroelastic half-space.The Green’s functions of compressive and shear wave sources are derived based on Biot’s theory. The scattered waves are constructed using fi ctitious wave sources close to the boundary of the cavity, and their magnitudes are determined by the boundary conditions. Verifi cation of the accuracy is performed by: (1) checking the satisfaction extent of the boundary c...     

柱面波在半空间中洞室周围的散射

采用一种间接边界积分方程法求解了柱面波在半空间中洞室周围的散射问题。通过边界条件的验算以及退化解答与精确解的比较,验证了本文方法的计算精度。文中主要分析了入射波频率、波源与洞室距离等参数对洞室附近地表位移响应和洞室动应力集中的影响,得出了一些有益的结论。     

Scattering of plane P waves by a semi-cylindrical hill： analytical solution

An analytical solution for scattering of plane P waves by a semi-cylindrical hill was derived by using the wave function expansion method, and convergence of the solution and accuracy of truncation were verified. The effect of incident frequency and incident angle on the surface motion of the hill was discussed, and it was shown that a hill greatly amplifies incident plane P waves, and maximum horizontal displacement amplitudes appear mostly at the inclined incidence of waves, which are located at the half-space; and maximum vertical displacement amplitudes emerge mostly at the vertical incidence of waves, which are situated at the hill.     

Scattering of plane P waves by circular-arc layered alluvial valleys: An analytical solution

IntroductionThe site effect of local inhomogeneity and irregularity on seismic wave propagation is one of the most attractive topics in seismology. The problem may be resolved by either analytical method or numerical method. Here, the analytical method is the wave function expansion method; numerical methods include the finite difference, finite element, boundary integration equation, and discrete wave number method, etc. Although these numerical methods can be applied for sites of arbitrary s…     

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。     

Anti-plane （SH） waves diffraction by cavity： analytical an underground semi-circular solution

Diffraction of a two-dimensional (2D) semi-circular cavity in a half-space under incident SH-waves is studied using the classic wave function expansion method with a new de-coupling technique. This so-called “improved cosine halfrange expansion” algorithm exhibits an excellent performance in reducing displacement residual errors at two rim points of concern. The governing equations are developed in a manner that minimizes the residues of the boundary conditions. Detailed derivation and analysis procedures as well as truncation of infinite linear governing equations are presented. The semi-circular cavity model presented in this paper, due to its simple profile, is expected to be used in seismic wave propagation studies as a benchmark for examining the accuracies of various analytical or numerical methods for mixed-boundary wave propagation problems.