非饱和土中Rayleigh波的传播特性分析

基于对非饱和多孔介质的研究成果,考虑孔隙中液相和气相的相互影响,研究了非饱和土地基中Rayleigh波的传播特性。通过非饱和土中固相、液相和气相的质量平衡方程、动量平衡方程和非饱和土有效应力原理,建立了问题的弹性波动方程。通过引入势函数及考虑自由透水（透气）的边界条件,经过理论推导给出了非饱和土中Rayleigh波的弥散特征方程。通过数值算例分析了Rayleigh波的波速和衰减系数随饱和度、频率和固有渗透系数等因素的变化规律。结果表明：不同饱和度下波速随频率和固有渗透系数的变化均是先不变,然后小幅下降,再急剧增加,最后趋于一致;衰减系数在不同饱和度下随频率的增大而增大,随固有渗透系数的增大而先增大后减小。     

双层非饱和地基中Rayleigh波的传播特性

研究了双层非饱和地基中Rayleigh波(以下简称R波)的传播特性问题。首先将迂曲度引入孔隙流体的渗流连续性方程,对三相孔隙介质波动方程进行修正,接着采用体波的势函数之和构建各相介质的势函数,并借助Helmholtz分解,以及考虑土层边界条件和层间连续性条件,建立了R波的弥散特征方程,分析了饱和度、迂曲度和上覆土层厚度等参数与波速和衰减性的关系。结果表明,R波波速随饱和度的增加而线性减小;在渗透系数中间区段,则随着固有渗透系数k的增大而增大;水力迂曲度τ_f对波速的影响主要体现在高频区段,而空气迂曲度τ_a的影响则非常有限;对于上软下硬地层,覆盖层厚度的增加将引起波速的减小,并逐渐趋于上覆土层本身的R波波速;且频率越高或表面层刚度越低,趋近速度越快。     

饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波传播特性分析

基于多孔介质理论和广义的热弹性模型,研究了饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波(R波)的传播特性。以考虑流-固耦合的饱和多孔介质波动方程和连续性方程及考虑热-弹耦合的广义热弹性基本方程出发,建立了饱和多孔介质的热-流-固耦合弹性波动模型。通过引入势函数并结合自由透水及绝热的边界条件,经过理论推导最终给出了饱和多孔热弹性介质中R波的弥散特征方程。利用数值算例分析了孔隙率、渗透系数、热膨胀系数、初始温度和松弛时间等热物理参数对R波的波速和特征衰减的影响。结果表明:孔隙率的增加将引起R波的波速下降,但使得R波的特征衰减反而增大;R波的波速随着渗透系数的增大先不变,再急剧增大,最后趋于稳定,其特征衰减随着渗透系数的增加先增大后减小,最后趋于稳定;热膨胀系数的增大将引起R波波速的增大,但对其特征衰减的影响较小;初始温度的增加导致R波波速的小幅上升,而对其特征衰减影响不大;松弛时间对R波波速和特征衰减几乎无影响。     

层状场地中局部不均体对平面P波的散射

利用间接边界元方法,在频域内求解了层状场地中局部不均体对平面P波的散射。利用精确的土层动力刚度矩阵进行自由场反应分析,求得位移和应力响应。通过计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应位移和应力;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。研究了入射P波时,不均体宽度、埋深、厚度、入射角、入射频率度等参数对地表位移幅值的影响,并与相应自由场的结果进行了比较。不均体对P波散射有重要影响,在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑局部不均体对场地设计地震动参数确定的影响。     

局部断层场地对P波的散射影响研究

采用间接边界元法,借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载格林函数,在频域内求解了局部断层场地对P波的散射,着重分析了破碎带较窄断层两侧围岩动力响应的基本规律,以及场地动力特性对散射的影响。研究表明,破碎带断层对入射P波有着显著的影响,即使破碎带很窄,也可对P波产生很大的放大作用;层状场地动力特性对放大作用有显著的影响。     

Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射

基于Biot的两相介质理论,采用间接边界积分方程法,求解了Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的二维散射问题,分析了入射波频率、孔隙率、边界渗透条件和洞室埋深等参数对地表位移幅值、洞室表面和地表孔隙水压力的影响。研究结果表明,由于圆形洞室的存在,饱和半空间地表位移幅值和地表孔隙水压被明显放大:在透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了10.1倍和11.2倍;在不透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了12.0倍和9.6倍,地表孔隙水压力放大了2.1~3.0倍。地表位移和孔隙水压力最大值均出现在入射波近端洞室边界附近。随着Rayleigh波入射频率的增大和洞室埋深的增加,地表位移幅值的放大作用有所减小。在相同孔隙率条件下,当入射频率为1.0时,洞室表面孔隙水压力最大;当入射频率为2.0时,洞室表面孔隙水压力最小,洞室表面最大孔隙水压力出现在洞室顶部。     

深厚饱和软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有明显的影响,且饱和场地与相应干土场地的地震响应具有明显的差别,而目前对于深厚饱和软土场地中透镜体对地震响应的影响还鲜有研究。采用有限元-间接边界元耦合法,建立饱和场地中非线性土-结构动力相互作用模型,对深厚饱和软土场地中透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应的影响进行了系统地分析,并着重讨论了土骨架-孔隙水耦合作用的影响。研究表明,深厚饱和软土场地中的透镜体可能会明显改变上部结构的动力响应;透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应有不同程度的影响,且与干土场地中规律存在明显差异;土骨架-孔隙水耦合作用对上部结构动力响应的影响显著。     

非饱和土中热弹性波的传播特性分析

基于非饱和多孔介质的研究成果,考虑热效应和孔隙流体迂曲度的影响,研究了非饱和土中热弹性波的传播特性。利用非饱和土中耦合热的固-液-气三相介质的质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律,建立了问题的热弹性波动方程。通过引入势函数,经过理论推导给出了非饱和土中热弹性波的弥散特征方程。结合数值算例,分析了几类热弹性波的波速和衰减系数随迂曲度、热膨胀系数和介质温度等热物理参数的变化规律。结果表明:孔隙水迂曲度的增大将引起P₁波、P₃波和S波的波速增大,而孔隙气体迂曲度的增大仅使得P₂波的波速增大;热膨胀系数的增大将造成P₁波波速的增大和热(T)波波速的减小;介质温度的升高将引起各类热弹性波波速的增大;频率、热膨胀系数和介质温度的变化对各类热弹性波的衰减系数均有较大影响,不可忽视。     

结构-地基动力相互作用的时域模型

结构-地基动力相互作用是结构地震响应分析及安全评估的一个非常重要课题。基于比例边界有限元法,提出了一种新颖的结构-地基动力相互作用的时域模型,即采用比例边界有限元子域模拟近场有限域部分,采用高阶透射边界模拟远场无限域部分。通过采用连分式展开和引入辅助变量,有限域的动力方程采用高阶的静力刚度矩阵和质量矩阵表示。高阶透射边界精确满足无限远处的辐射边界条件,具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。它是基于改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵而建立的,在时域里表示为一阶常微分方程组。通过联立有限域和无限域的运动方程,建立了结构-地基相互作用的标准动力学方程,采用Newmark法可直接求解。3个算例结果表明,该算法在时域里比黏弹性边界更精确、有效。     

场地和断层对埋地管道破坏的影响分析

场地条件和断层活动是埋地管道破坏的主要原因,避免因为场地岩土和断层的影响而造成管道破坏,是城市地下生命线工程建设中急需解决的问题。采用ADINA软件的Parasolid建模方式,通过定义合适的体类型和布尔操作,建立了埋地管道破坏分析的几何模型,实现了土体－断层－管道破坏有限元建模。借助模型参数选择,确定了基岩与岩土性质、管道特性等模型参数;定义了管-土摩擦和约束条件、地震波和断层位移荷载等。依据计算结果,分析了场地条件和断层参数对地下管道地震破坏的影响;结果表明：管道埋藏越深,断层断距越大,管道的变形越大,破坏越严重。给出了管-土摩擦系数和断层与管道交角的最优值,并给出了几点工程建议。     

基于改进相移法的煤田地震瑞利波资料处理

相移法是一种常用的提取瑞利波频散曲线的方法,然而在复杂波场条件下,相移法计算的频谱中瑞利波频散能量分辨率较差,使得频散曲线的准确性降低。本文对相移法进行改进,将频散谱上各点的振幅值进行求幂运算,以提高频散能量的收敛性与聚焦性。我们利用改进的相移法对理论地层模型的模拟数据和某研究区的煤田地震实际数据进行处理,将处理结果与常规相移法生成的频散谱对比分析,并对实际资料的频散曲线进行反演,生成研究区地层的二维(2D)横波速度剖面。研究结果表明改进的相移法能够增强瑞利波信号在频率—速度域中的信噪比,提高频散能量谱的分辨率和频散曲线的准确性。     

土体受冲击时Rayleigh波作用机制探讨

土体受冲击作用(或称强夯)时Rayleigh波（简称R波）的产生与传播对土体起着不可忽视的作用,重点研究了R波在强夯加固地基中的作用,并结合土体的振动特性,对R波的传播特点、影响深度、引起的变形和体积变化规律进行了讨论。结果表明,R波为强夯法的有效加固波形,其影响深度约为一个波长左右,且对锤底土能起到加密作用,对夯坑以外的土表面在R波的传播过程中有变松作用。结合工程实例给出了成层地基土中R波弥散曲线的求解方法和科学估算强夯影响深度的方法。突破了一直沿用至今的Menard估算加固深度公式的局限。由此可得出,R波在强夯加固地基中有较大的贡献,并非是单纯的有害波的结论。     

Dynamic tensile cracking in slopes possibly induced by Rayleigh surface waves

The 1978 Miyagi-ken-oki earthquake generated crack openings in fill slopes in Sendai, Japan. Although the slopes were reinforced with steel pipe piles after this event, tensile cracking was induced again in the same slopes by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake. This clearly indicates conventional countermeasures against dynamic slope failures, usually based on body wave interaction with slopes, are not always effective. Considering that similar open cracks in the top surfaces of slopes were also found in New Zealand and California, we may need to clarify the generation mechanism of such cracks with some new insights. Recently, it has been indicated that the effect of Rayleigh surface wave propagation on dynamic slope stability may become significant. In this contribution, therefore, by performing two-dimensional elastodynamic analyses of Rayleigh/body wave interaction with a geometrically simple model slope, we show Rayleigh waves may play a more dominant role than body waves in generating the open cracks, and emphasise the importance of taking into account the dynamic slope failures induced by Rayleigh waves. Surface waves may be produced also by nearby blasting, etc., and therefore, the results obtained here may be of crucial importance in comprehending the dynamic stability of slopes in general.     

土石比对碎石土强夯地基加固效果影响规律瑞利波检测分析

为了探讨土石比及大粒径块石对碎块石土强夯加固效果的影响规律,对3组不同土石比条件下碎块石土强夯地基的瑞利波检测数据进行了对比分析。夯后波速曲线具有明显的突变性,并随着土石比的减小其突变程度增强,突变段与大粒径块石有较好的对应性。波速增加比例曲线具有垂直分区特征,土石比对强夯加固区厚度影响较大。大块石对周边土体存在较强的扰动作用,夯后波速曲线往往表现为突然锐减,特别是当其位于夯后场地表层或较多大块石距离较近时表现更加明显。当大块石位于强加密区内时,加固深度随着大块石埋深增加而减小,且其埋深越靠近波速增加峰值点时加固深度越浅。研究成果对碎块石填土强夯地基的设计和施工具有参考价值。     

煤层中瑞利型导波的能量分布

为了研究瑞利型导波在煤层中的能量分布规律,理论推导了3层对称弹性介质中瑞利波的频散曲线方程以及瑞利型导波的能量分布方程;绘制振幅深度分布曲线。研究表明,煤层中传播的瑞利型导波其能量主要集中在煤层中,且其能量在煤层中分布遵循一定的规律,即：瑞利型导波的x分量的能量关于煤层中心偶对称,且煤层中心能量最强;z分量关于煤层中心奇对称,且煤层中心能量最小。     

中国大陆Rayleigh面波衰减特征研究

搜集中国大陆58个数字地震台站6312个长周期波形记录,从中挑选出符合条件的442对经过中国大陆的双台路径记录,采用相匹配滤波和频率域维纳滤波相结合的方法,计算出双台之间的混合路径衰减系数。对中国大陆进行网格划分,通过网格化反演得到中国大陆每个网格单元的纯路径衰减系数。结果显示:短周期Rayleigh面波总体表现为东部(中国东北、华北、华南)Rayleigh面波衰减小,西北部(以青藏高原为中心)Rayleigh面波衰减大,反映了该深度东部地区已进入上地幔,西部仍处于下地壳;Rayleigh面波在中周期衰减特征是呈SN向展布,将中国大陆分成以鄂尔多斯—四川盆地为中部的三分图像,衰减小的中西部岩石圈稳定区、衰减大的青藏高原岩石圈汇聚增厚区和东部岩石圈拉张减薄区;在长周期Rayleigh面波衰减特征是中国大陆中西部衰减较小,为印度大陆俯冲到该深度所致,而在东部衰减较大,为西太平洋边缘弧后盆地的地幔浅部上升热流,构成上地幔中的热室而使东部面波衰减较大。Rayleigh面波衰减与地壳上地幔温度关系显示:中国大陆Rayleigh波衰减与大地热流分布有一定相关性——研究区域内热流值较高的青藏地块及邻区表现为Rayleigh波衰减大,热流值较低的中国东部表现为Rayleigh波整体衰减小;中国大陆地震波衰减特性与强震分布关系密切,在大约以107°E为界的中国大陆西部地震明显强于中国东部,与此关系密切的是,在约107°E为界大陆西部(以青藏高原为中心)地震波衰减大,以东的大陆地区衰减明显减小。     

基于F-K变换的井下多道瑞利波频散曲线提取

井下瑞利波勘探中频散曲线的提取多采用基于两道之间互相关的表面波谱分析法,此方法仅能提取基阶模式的瑞利波频散曲线.为了能够获得多阶模式频散曲线,提高煤矿井下瑞利波勘探的探测距离和精度,运用基于F-K变换的多道瑞利波频散曲线提取方法处理井下地震数据.针对井下地震数据的特点对方法进行了改进,在利用合成数据验证方法的有效性后,将其应用于工作面内部构造探测中,并从中获取了具有多阶模式的瑞利波频散曲线,从而证实了当煤层中存在断层时多阶模式瑞利波的存在.     

瞬态瑞雷波法在堤防防渗墙质量检测中的应用研究

针对目前堤防防渗墙质量检测内容和检测方法的不足,利用瞬态瑞雷波法对堤防防渗墙质量检测进行了分析研究,得出了套井回填粘土防渗墙各测点瑞雷波频散曲线及反演分析结果,给出了套井回填粘土防渗墙墙体内部缺陷及施工深度。通过与现场钻孔取样室内土工试验资料进行对比分析,得出了瑞雷波波速与介质干密度的相关关系,为堤防防渗墙工程的质量的控制提供了一种快速有效的检测方法。     

多道瑞利波在矿井独头巷道超前探中的应用

瑞利波超前探测作为一种新的矿井地球物理探测方法,具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点。介绍了瑞利波探测技术原理,并将其用于煤矿井下独头巷道大距离超前探测中。实例表明,探测距离达80 m以上,条件允许时可达100 m以上。     

瑞雷面波技术在碎石桩地基加固处理中的应用

瑞雷面波勘探技术是近几年快速发展起来的一种高新技术，在工程勘察与地基加固中得到了广泛的应用，且效果良好。该文着重介绍了瑞雷面波的主要特性、探测原理及其在碎石桩地基加固检测中相关物理参数的间接计算。