高铁列车通过高架桥桩基础激发地震波响应分析

当高铁列车行驶通过高架桥时,其激发和传播地震波的机制与行驶在地面上时的高铁列车是不同的,同时,高铁地震波的波传播机制也因地面条件而异.本文结合前期工作,研究高铁列车行驶通过高架桥(高架桥系统)时高铁地震波的激发机制,给出改进的震源时间函数,并对非对称性弹性波动方程下的合成高铁地震记录的响应特征和影响因素进行研究,以更好地利用高铁列车这一可重复的移动震源进行浅层地质构造成像和反演以及开展工程防护研究.本文应用非对称性弹性波动方程进行高铁地震波数值模拟,结合高铁实际数据,研究分析高铁列车运行速度,地层微孔缝隙特征尺度参数,检波器位置,震源类型,深度衰减系数等多种因素对合成高铁地震记录的影响,给出以下结论：(1)高铁列车运行速度的增大将使得合成地震记录的持续时间减小,振幅能量增强,同时幅频响应的能量逐渐集中在3 Hz、10 Hz和30 Hz附近.(2)地层微孔缝隙特征尺度参数的增大将使得合成地震记录出现衰减,且主要影响20 Hz以上的频率成分.(3)岩土介质对高铁地震波传播的影响显著.(4)高铁地震波以“分级点火”的形式激发,使用Ricker子波作为震源所得的合成地震记录与实际数据匹配较好....     

高铁地震震源子波时间函数及验证

基于纵横波产生机理并结合高铁列车及铁轨结构,本文给出了高铁列车产生地震纵波及横波震源(点源及等效源)子波的时间函数;通过实际高铁地震数据及合成高铁地震数据分析,验证了高铁地震震源子波时间函数的合理性;在高铁列车匀速、加速及减速运行情况下,利用高铁地震点源子波合成记录分析了高铁地震震源子波的频谱特征,为实际高铁地震数据处理解释奠定了良好的基础.     

弹性波传播中由微结构相互作用导致的尺度效应分析

相比于传统弹性波动方程,非对称弹性波动方程增加的独立自由项,包含有介质特征尺度参数.基于非对称弹性波动方程,可以分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的地震波传播尺度效应.本文从介质应变能密度函数出发,并结合几何方程和平衡方程,给出修正偶应力理论下的非对称弹性波动方程以及对应的非对称SH型横波波动方程的数学表达式,并在三层煤层模型上进行数值模拟,将检波器分别设置在地表和煤层中线,通过改变介质特征尺度参数值,合成地震记录,研究分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的尺度效应,对地震记录的影响及规律,并得出以下结论和认识:(1)非对称弹性波动方程模拟的弹性波传播表现出明显的尺度效应;(2)地震记录需要考虑介质内部多尺度的微孔缝隙相互作用的影响.     

高铁地震信号直达波波形反演建模

高铁地震信号由高速行驶的高铁列车与铁轨挤压形变后产生,具有频带宽、低频强、重复性好等优点.如何利用高铁地震信号进行地下介质重构,尚处于前期探索阶段.全波形反演建模技术是目前地球物理领域建模精度较高的方法之一,但其需要低频数据才能保证结果的稳定收敛,因此利用全波形反演对高铁地震信号进行近地表建模及属性变化监测和灾害预警具有独特优势.本文通过对高铁地震信号的分析,研究了高铁地震的理论震源信号和基于桥墩的离散震源信号,并通过模型测试实现了利用高铁地震信号的全波形反演建模及属性变化监测.     

高铁地震面波相速度频散曲线提取

为了充分利用高铁地震信号中的面波信息,本文将双台法和旋转法等面波相速度提取方法应用于高铁地震模拟记录,尝试提取基阶瑞利波与勒夫波相速度频散曲线.通过分析以高铁高架桥的桥墩为源的高铁波场干涉特征,给出了适用于高铁地震波场的面波相速度校正方法;通过数值实验,证明了方法的有效性.     

基于二阶应变梯度理论的弹性波数值模拟

介质微结构相互作用会使介质存在不均匀性,而这种不均匀性,则会引发新的响应.当位移场/旋转场存在强烈空间/时间变化时,这种由介质微结构相互作用所导致的不均匀性会愈加明显.应变梯度通过在应变能密度函数中引入应变的一阶或者高阶导数,以描述这种由介质微结构相互作用导致的不均匀性,由于引入高阶导数,应变梯度理论可以描述更小尺度的微结构相互作用,但是其存在计算量大以及物理解释困难等问题.单参数二阶应变梯度理论作为应变梯度理论的一种特例或者简化版本,将二阶应变梯度视为对应变能密度函数的附加影响.本文从非局部理论出发,推导单参数二阶应变梯度理论的本构方程,进而结合几何方程和运动微分方程,给出非对称弹性波动方程的数学表达式.并应用该非对称弹性波动方程在各向同性均匀介质模型和Marmousi模型上进行数值模拟,合成地震记录.将该地震记录与传统弹性波动方程所生成的合成地震记录进行对比,研究分析应用二阶应变梯度描述介质微结构相互作用对地震记录的影响规律,给出以下结论:(1)基于单参数二阶应变梯度理论的非对称弹性波动方程所描述的位移扰动对纵波和横波的传播都产生了影响,且对横波的影响较大;(2)介质更小尺度的微结构相互作用可以在地震记录中被反映出来,我们需要考虑其对地震波传播的影响.     

综合应用钻孔应变固体潮和应变地震波资料求解地震参数和地展的力学参数

介绍了在井下耦合介质弹性参数等不能直接测定时,应用钻孔应变固体潮和应变地震波资料求解地震参数和地层的力学参数的方法.用平衡方程的解来近似代替波动方程解,不但使应用钻孔应变仪测到的地震波监测地震成为可能,而且比直接应用波动方程求解的方法大大简化.     

高铁地震数据干涉成像技术初探

高铁运行会引起铁轨的震动,从而产生地震波向地下介质中传播,通过研究该地震波可对高铁沿线的地质情况进行持续监测.与常规地震勘探中的震源相比,高铁地震中的震源较为复杂,为移动震源,而地震干涉技术可以通过地震记录间的相互干涉,消除震源的影响,因此可利用地震干涉技术对高铁地震信号进行处理并成像.本文通过分析研究,总结出地震干涉方法在处理高铁地震数据时的关键技术问题:不同于常规地震干涉中先干涉后叠加的干涉成像方式,高铁地震移动源的特点使得干涉顺序变为先叠加后干涉,由此带入了大量震源串扰噪声;初步提出两种解决高铁地震干涉成像的思路:通过对高铁地震信号的处理,使高铁变相"提速"或"降速",给出了"提速"或"降速"后各自的成像思路,并给出了数据处理的技术设想.     

各向同性介质中射线理论与有限差分地震波场模拟方法比较研究

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造和地球深部探测的有效工具.射线理论和波动方程理论是地震波场数值模拟的理论基础.射线理论主要刻画地震波在介质中传播的走时场、地震射线等运动学属性;波动方程理论通过求解波动方程来描述地震波在介质中传播的弹性动力学响应(能量衰减、相位特征、偏振属性、以及全波形等).基于波动方程理论的波场数值模拟由于能够引入丰富的波场信息,使得人们对不同介质中地震波的传播过程有了较全面的了解.本文以二维层状均匀介质模型为例,通过射线追踪法和交错网格有限差分法模拟得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、合成理论地震图的分析比较,不但对地震波在各向同性层状均匀介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识,同时又可以相互验证两种不同方法的正确性和有效性.     

Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中传播的地震波

研究了在小扰动的情况下, 地震波在Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中传播时的瞬态响应以及对应的三阶偏微分方程的解析解. 获得了在脉冲震源条件下Kelvin-Voigt均匀黏弹性三阶波动方程的平面波解. 运用脉冲叠加原理, 获得了在任意震源条件下Kelvin-Voigt均匀黏弹性三阶波动方程的平面波解. 讨论了地震波在Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中的传播速度和衰减, 推导出了地震波的衰减系数和传播速度与介质的密度、弹性模量和黏滞系数之间的精确关系. 这些结果能够用于地震勘探中黏弹性岩性参数的反演.     

Green's function for three-dimensional elastic wave equation with a moving point source on the free surface with applications

High-speed train seismology has come into being recently. This new kind of seismology uses a high-speed train as a repeatable moving seismic source. Therefore, Green's function for a moving source is needed to make theoretical studies of the high-speed train seismology. Green's function for three-dimensional elastic wave equation with a moving point source on the free surface is derived. It involves a line integral of the Green's function for a fixed point source with different positions and corresponding time delays. We give a rigorous mathematical proof of this Green's function. According to the principle of linear superposition, we have also obtained the Green's function for a group of moving sources which can be regarded as a model of a traveling high-speed train. Based on a temporal convolution, an analytical formula for other moving sources is also given. In terms of a moving Gaussian source, we deal with the issue of numerical calculations of the analytical formula. Applications to modelling of a traveling high-speed train are presented. We have considered both the land case and the bridge case for a traveling high-speed train. The theoretical seismograms show different waveform features for these two cases.     

高铁震源地震信号的稀疏化建模

我国每天有数千趟高铁列车运行在两万多公里的高铁线路上,不但会引起高铁路基的振动,还会激发出地震波.地震检波器所接收到的数据中不仅包含窄带分立谱特性的高铁震源地震信号,还包含宽频带特性的背景信号.如何实现从检波器所接收到的高铁震源地震数据中分离出高铁震源地震信号和宽频带背景信号是准确利用该类信号的关键.考虑到高铁震源地震信号与宽频带信号在频率域明显的形态特征差异,本文首次将形态成分分析这种信号分离手段引入到高铁震源地震信号处理中,实现高铁震源地震信号的稀疏化建模并进而实现从接收数据中分离出高铁震源地震信号以及宽频带背景信号.对北京大学在中国南方某高铁沿线采集到的大量高铁震源地震数据进行处理,结果表明:采用形态成分分析并结合分块坐标松弛算法,能够实现实际采集高铁震源地震数据中的高铁震源地震信号和宽频带信号的分离.     

移动线源的Green函数求解及辐射能量分析:高铁地震信号简化建模

在基于人工主动源的勘探地震学中,往往采用固定位置和激发时间的点源数学模型来描述爆炸型震源或可控震源,因此就有了描述单点力源作用下的弹性全空间或半空间中弹性波传播的Green函数,成为了勘探地震学的重要理论基础.而如今,行进中的高速列车(高铁)是一种全新的主动源,其接近匀速的运行速度、确定的长度和荷载使其可以被重复利用.本文将行进中的高铁在数学上简化建模为一个移动线源来进行研究,给出了这一震源作用下的弹性半空间和全空间中Green函数的计算方法,并分别讨论了全空间中远场Green函数的频谱特征和空间辐射能量的方向性特点,以及半空间中Green函数与近场观测数据的对比结果,为高铁震源下的地震波传播规律和振动信号的研究与利用提供帮助.     

Dynamic interaction of bridge–train system under non‐uniform seismic ground motion

The probability that an earthquake occurs when a train is running over a bridge in earthquake‐prone regions is much higher than before, for high‐speed railway lines are rapidly developed to connect major cities worldwide. This paper presents a finite element method‐based framework for dynamic analysis of coupled bridge–train systems under non‐uniform seismic ground motion, in which rail–wheel interactions and possible separations between wheels and rails are taken into consideration. The governing equations of motion of the coupled bridge–train system are established in an absolute coordinate system. Without considering the decomposition of seismic responses into pseudo‐static and inertia‐dynamic components, the equations of motion of the coupled system are formed in terms of displacement seismic ground motions. The mode superposition method is applied to the bridge structure to make the problem manageable while the Newmark‐β method with an iterative computation scheme is used to find the best solution for the problem concerned. Eight high‐speed trains running over a multi‐span steel truss‐arch bridge subject to earthquakes are taken as a case study. The results from the case study demonstrate that the spatial variation of seismic ground motion affects dynamic responses of the bridge–train system. The ignorance of pseudo‐static component when using acceleration seismic ground motions as input may underestimate seismic responses of the bridge–train system. The probability of separation between wheels and rails becomes higher with increasing train speed. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震动空间效应对大跨度桥梁非线性地震响应的影响

由于大跨度桥梁的桥墩间距离较大,其地震响应分析应考虑地震动输入的空间效应。本文建立了多点激励下大跨度桥梁地震响应分析方法,采用损伤塑性本构模型模拟混凝土材料特性,考虑地震动空间效应对大跨度连续刚构桥进行非线性地震响应分析,从而分析地震动空间效应对大跨度桥梁地震响应的影响。研究表明:考虑行波激励或多点激励时桥梁地震响应较一致激励而言有所差异,考虑地震动空间效应时可能会夸大或减小桥梁结构的动力响应;多点激励时桥梁地震响应会随视波速的改变而变化。由此得出结论,对于大跨度桥梁地震响应分析应合理的考虑地震动空间效应。     

Dynamic analysis of train–bridge system subjected to non‐uniform seismic excitations

Based on the theory of dynamic wheel–rail interactions, a dynamic model of coupled train–bridge system subjected to earthquakes is established, in which the non‐uniform characteristics of the seismic wave input from different foundations are considered. The bridge model is based on the modal comprehension analysis technique. Each vehicle is modelled with 31 degrees of freedom. The seismic loads are imposed on the bridge by using the influence matrix and exerted on the vehicles through the dynamic wheel–rail interaction relationships. The normal wheel–rail interaction is tackled by using the Hertzian contact theory, and the tangent wheel–rail interaction by the Kalker linear theory and the Shen–Hedrick–Elkins theory. A computer code is developed. A case study is performed to a continuous bridge on the planned Beijing–Shanghai high‐speed railway in China. Through input of typical seismic waves with different propagation velocities to the train–bridge system, the histories of the train running through the bridge are simulated and the dynamic responses of the bridge and the vehicles are calculated. The influences of train speed and seismic wave propagation velocity on the dynamic responses of the bridge–vehicle system are studied. The critical train speeds are proposed for running safety on high‐speed railway bridges under earthquakes of various intensities. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

大量高铁地震事件的属性体提取与特性分析

列车在高铁上运行能够产生大量的高铁地震事件,这些地震事件既包含了作为震源的列车本身的结构信息,也蕴含了高铁线路的地质环境信息.本文提出了一种频率-空间-时间(FXT)属性描述大量高铁地震事件之间的关联.在FXT属性上,高铁地震信号之间的关联表征为在频率坐标轴F上相互对齐、在空间位置坐标轴X和事件到达时间坐标轴T上连续变化的分立谱线.本文对课题组在深圳为期两天的观测采集得到的4500余条高铁地震信号进行了FXT属性的提取,并对FXT属性进行了统计特性的分析:方差分析表明,高铁线路的地质环境的变化对高铁地震信号特征的影响大于不同列车的结构差异对高铁地震信号特征的影响;聚类分析表明,高铁地震信号的特征按接收点位置能够无监督地聚类为和高铁线路途经地质环境相关联的不同类别.通过上述分析表明,高铁地震信号中蕴含着丰富的可解释的高铁运行地质环境信息,具备对高铁列车运行安全进行监测的潜力.     

Effect of travelling waves on stochastic seismic response and dynamic reliability of a long-span bridge on soft soil

It is generally known that the variability of earthquake ground motion is mainly in time and space. To investigate the impact of this variability on the seismic performance of a long-span flexible structure, we discuss the seismic dynamic responses of a real bridge subjected to stochastic seismic ground motion. We incorporate the effect of wave passage by means of the method of probability density evolution based on dynamic time-history analysis from the perspective of stochastic dynamics. First, we introduce the theory of probability density evolution and a category of stochastic seismic model. We then conduct a series of deterministic seismic dynamic analyses of the bridge to establish the probability density equation. Eventually, we obtain the probability information at the level of the probability density function of the seismic response by solving the probability-density evolution equation. The results show that the impact of travelling waves on a long-span structure is related to the characteristics of the earthquake ground motion and the structure, and that travelling waves increase the variability of the seismic response.