各向异性半空间中浅埋孔洞对地表 反平面运动的影响

本文采用复变函数方法研究了稳态水平剪切波(SH波)在各向异性弹性半空间中任意形状孔洞上的散射及其对地面运动的影响.在变换空间中构造出自动满足各向异性半空间水平表面上应力为零的散射波函数,并根据孔洞表面应力为零的边界条件,采用最小二乘法求解散射波函数的系数.用介质的各向异性性质来模拟地质条件,给出了SH波作用下含圆孔、椭圆孔和方孔的各向异性半空间表面位移幅值的数值结果,并分析了介质特性、孔洞的形状、埋深、入射波波数及入射角度等因素对地面运动的影响规律.数值结果表明:介质的各向异性对含有孔洞的半空间表面的地表位移具有显著的影响;沿一定角度的入射波在某一频段内所引起的地表位移幅值比各向同性介质的可能要大,且随着孔洞埋深的增加,地表位移的幅值逐渐减小.      

半球形饱和土沉积谷场地对入射平面Rayleigh波的三维散射问题的解析解

用Biot饱和多孔介质动力学理论模拟半球形两相饱和土沉积谷,用单相介质弹性动力学理论模拟周围半空间场地.利用Fourier Bessel 级数展开法,在频域内给出了半空间中半球形饱和土沉积谷场地在平面Rayleigh波入射下三维散射问题的解析解.利用这一解析解计算分析了入射波频率、场地特征（包括孔隙比）对地表位移幅值的影响,并与已有的三维半球形沉积谷场地在单相介质中的散射问题进行了对比分析.     

斜入射平面SH波在层状半空间中沉积谷地周围的三维散射

采用直接刚度法计算自由场动力响应,以层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林函数模拟散射波场,采用间接边界元方法求解了层状半空间中沉积谷地对斜入射平面SH波的三维散射问题.由于文中采用的层状场地三维动力刚度矩阵是精确的,且用于模拟散射波场的均布移动斜线荷载可以直接施加在沉积交界面处而不存在奇异性,所以本文方法具有很高精度.文中以均匀半空间和基岩上单一土层中沉积谷地对入射SH波的散射为例进行了数值计算,研究表明,沉积谷地对地震波的三维散射与二维散射之间存在本质差别;层状半空间中沉积谷地与均匀半空间中沉积谷地附近地表位移存在显著差异.     

浅圆沉积谷地对瑞雷波的散射--高频解

利用波函数展开法给出了浅圆沉积谷地对瑞雷波散射的一个高频解析解,并分析了入射频率、沉积谷地宽度和深度等因素对波散射的影响. 数值结果表明,由于沉积谷地的影响, 在入射波的近端,地表位移分布变得相对复杂,但位移幅值并不大;而在入射波远端,地表位移分布相对简单,但位移幅值却相对较大,多数情况下高于沉积地表位移幅值.      

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。     

瑞雷波斜入射下层状半空间中沉积谷地周围的三维散射研究

针对层状半空间中沉积谷地对斜入射瑞雷波的三维散射问题, 采用直接刚度法计算自由场波场, 以层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林影响函数求解三维散射波场, 建立了求解该问题的间接边界元方法. 通过与已有结果的比较, 验证了该方法的正确性, 并以均匀半空间以及弹性基岩上单一土层场地中沉积谷地为例进行了计算分析. 研究结果表明: 层状半空间与均匀半空间中沉积谷地对瑞雷波的散射存在显著差别; 层状半空间中瑞雷波的振动模态对沉积附近位移幅值有着重要影响; 土层刚度和厚度等参数也对沉积附近位移幅值大小及空间分布有着显著的影响.      

圆弧状多层沉积谷地在平面P波入射下稳态响应的解析解

利用波函数的FourierBessel级数展开法,给出了含任意多个圆弧状沉积层的谷地在平面P波入射下稳态动力响应的解析解.并以具有三个沉积层的谷地为例,在宽频范围内,利用稳态地面运动幅值的空间分布,讨论了谷地中沉积介质的成层性对地面运动的影响.     

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(Ⅱ) 数值结果与分析

以基岩上单一土层场地为例, 计算分析了在斜入射平面SH波作用下弹性层状半空间中无限长洞室附近的地表位移. 研究表明, 层状半空间中地下洞室对波的散射与均匀半空间情况存在显著差别. 层状场地由于考虑了场地自身的动力特性, 使得洞室附近地表位移幅值的空间变化更为复杂, 基岩与土层刚度比、 土层厚度对散射效应均有着重要影响. 随着基岩与土层刚度比的增大, 地表位移幅值整体上逐渐增大; 随着土层厚度的增大, 土层对地表位移幅值的影响逐渐减小. 在频域解答的基础上, 给出了层状半空间中洞室对斜入射SH波散射的时域解答, 并以Ricker波为例进行了数值计算.      

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(Ⅱ)——数值结果与分析

以基岩上单-土层场地为例,计算分析了在斜入射平面SH波作用下弹性层状半空间中无限长洞室附近的地表位移.研究表明,层状半空间中地下洞室对波的散射与均匀半空间情况存在显著差别.层状场地由于考虑了场地自身的动力特性,使得洞室附近地表位移幅值的空间变化更为复杂,基岩与土层刚度比、土层厚度对散射效应均有着重要影响.随着基岩与土层刚度比的增大,地表位移幅值整体上逐渐增大;随着土层厚度的增大,土层对地表位移幅值的影响逐渐减小.在频域解答的基础上,给出了层状半空间中洞室对斜入射SH波散射的时域解答,并以Ricker波为例进行了数值计算.     

圆弧状多层沉积谷地在平面SV波入射下的动力响应

利用波函数的Fourier-Bessel级数展开法,推导出了含任意多个圆弧状沉积层的谷地在平面SV波入射下稳态动力响应的解析解,并分析了该级数形式的解析解随着截断项数的收敛问题.其结果表明,该级数解能够在一个非常宽的频带范围内收敛;通过在简化条件下与现有其他解析解的比较,验证了该解析解的正确性;并利用该解析解,以稳态地面运动的位移幅值和相位差为基本参数,在一个较宽的频带范围内讨论了谷地中沉积介质的成层性对地面运动的影响,其结果表明对于多层谷地而言,当入射波频率较高时,散射波之间的干涉显著并且出现了能量聚焦现象.     

圆弧状沉积盆地与软土单覆盖层出平面地表运动对比

采用解析方法，通过圆弧状沉积盆地与同样参数的软土均匀单覆盖层的对比，研究沉积盆地对平面SH波二维散射效应和其出平面地表运动。数值对比结果表明：（1）波垂直入射时盆地中央地表位移幅值反应，其随频率变化形式与软土单覆盖层的地表运动有较强的对应性，且此时单覆盖层地表位移幅值为其下降；（2）盆地的二维散射效应特点显著波的汇聚作用使盆地中的地表运动显著放大，总体上较软土单覆盖层的地表位移幅值要大，其频域内的最大反应则明显大于单覆盖层情况，但最大反应在盆地表面出现的位置依赖于入射波角度、盆地深宽比和盆地的软硬程度；（3）沉积盆地中地表位移运动有强烈扭转效应，且随盆地变软和入射波频率增高而增强。     

半球形凹陷饱和土半空间对入射平面SV波三维散射问题的解析解

以Biot饱和多孔介质动力学理论为基础,利用Fourier Bessel级展开法,给出了饱和多孔介质半空间中半球形凹陷地形对入射平面SV波散射问题的解析解.利用这一解析解数值计算地表位移幅值,分析入射角、入射波频率对地表位移幅值的影响,并与现存的单相介质情况下三维半球形凹陷问题解析解进行对比得出如下结论：(1)本文两相介质模型与单相介质模型有很大区别;(2)入射角、入射频率对场地表面位移分量有重要影响;(3)随着入射角、入射频率的增大,地表位移分布变得更复杂,且放大效应比单相介质模拟结果更加显著.     

横观各向同性层状半空间中凹陷地形对平面SH波的散射

沉积风化作用下土体表现出明显的成层特性和横观各向同性(TI)特性。将更为符合实际的TI介质模型引入到局部地形对地震波的散射问题研究有着重要的理论意义和工程实用价值。本文在TI土层平面外动力刚度矩阵的基础上,推导了斜线均布荷载动力格林函数,进而以该格林函数为基本解建立间接边界元方法研究了TI层状半空间中凹陷地形对平面SH波的散射问题。文中验证了方法的正确性,并分别在频域和时域内进行了数值计算分析。研究表明,TI介质中凹陷地形对SH波的散射与各向同性介质情况存在较大差异,凹陷附近地表位移幅值依赖于SH波的入射角度、入射频率和竖向与水平剪切模量比值;另外土体竖向与水平剪切模量比值对基岩上单一土层场地动力特性有着显著影响,进而使得TI层状场地凹陷附近位移幅值与各向同性情况差异变得更为复杂。     

三维半球形凹陷饱和土场地对平面P波散射

以Biot饱和多孔介质动力学理论为基础，利用Fourier Bessel 级数展开法，得到饱和多孔介质半空间中半球形凹陷地形对入射平面P波三维散射问题的解析解.利用这一解析解数值计算给出地表位移幅值，分析入射角、入射波频率对地表位移幅值的影响，并与现存的单相介质情况下三维半球形凹陷问题和两相介质情况下二维圆弧形凹陷问题得到的结论进行对比.     

SH波在浅埋多个圆孔处的散射与地震动

研究了以任意方向入射的平面SH波在浅埋多个圆孔处的散射与地震动问题。利用SH散射的对称性和多极坐标方法构造了问题的位移解。当入射波的波长与圆孔的半径相比较小时,地震动将受到较大的影响。影响地震动有三个主要参数:(1)SH波的入射角α0;(2)入射波波数η,即圆形孔洞的半径与入射波半波长之比;(3)诸圆孔的埋置情况,诸孔的埋深hi/ai、孔心距Di/ai,即圆形孔洞至表面距离与圆半径之比和圆形孔洞中心的距离与半径之比。当η较大时,地震动幅值变化激烈,位移幅值可出现跳动和放大的现象。当诸圆孔的最小埋深量hi/ai和孔心距Di/ai超过10-12时,位移幅值恢复至半空间单一圆孔散射的情况,表明圆形孔洞的影响可被忽略。     

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。     

各向异性介质中由SH波引起的圆孔周围的远场位移

本文利用复变函数方法求解元限各向异性介质中入射SH波时圆孔的散射问题。文中给出了圆孔周围的远场位移的数值结果。     

三维沉积盆地对地震动的放大效应间接边界元法模拟

基于一种高精度间接边界元法(IBEM), 实现了沉积盆地三维地震响应的频域、 时域精细求解, 并以半空间中椭球形沉积盆地对平面P波和SV波的散射为例, 着重探讨了入射角度、 入射波型、 入射频率、 盆地长宽比和深宽比对沉积盆地地震动放大效应的影响规律． 结果表明: 盆地形状对地震波的放大效应和空间分布状态具有显著影响, 且具体规律受控于入射波频段． ① 随着盆地深度增大, 盆地边缘面波发育更为充分, 在较宽频段内均会出现显著的地震动放大效应, 且深盆地的放大区域集中于盆地中部． ② 圆形盆地对地震波的汇聚效应最为显著, 而狭长盆地对地震波的汇聚作用相对较弱, 高频情况下可在盆地内部形成多个聚焦区域． ③ 不同波型入射下, 盆地对地震动放大效应的机制有所差异: P波入射下, 竖向位移放大主要是由于盆地边缘面波由四周向中部汇聚所致; SV波入射下, 边缘面波汇聚效应相对较弱, 而当盆地较深时, 底部透射体波和边缘面波易形成同相干涉从而显著放大地震动． 按盆地内外介质波速比为1/2, P波和SV波垂直入射下频域最大放大倍数分别为25和15, 时域放大倍数约为4.0和3.7(雷克子波)． ④ 低频波入射下, 位移从盆地中部向边缘逐渐减小, 且浅层沉积盆地对地表位移幅值的放大作用不明显． ⑤ P波和SV波的入射角度对盆地地震动放大幅值及空间分布特征也具有显著影响．      

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。