层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

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SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。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SV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。     

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。     

饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射

在 Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,首次建立了求解饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面 P 波散射问题的波函数展开法。首先。分析了具有圆柱形孔洞的饱和土半空间场地在平面 P 波入射下产生散射波系,并将入射波和散射波的波函数在圆柱坐标下展开。然后,引入边界条件,求出散射波函数的待定系数,从而,得到饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射问题的解析解。根据所得的波函数的解,可求解区域内的位移、应力的值,同时,分析了入射波频率、入射角对柱面上的应力集中因子的影响。     

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。     

地震波斜入射情形下水平成层半空间自由场的时域计算

在应用有限元模拟地震工程中的波动散射问题时，为了计算边界节点的运动和实现波动能量的输入，必须首先确定边界节点的内行波场即背景水平成层半空间的自由场。利用显式有限差分法的内节点位移计算公式和基于水平成层介质波动传播特点建立的相邻节点间自由场运动的关系式，给出了计算水平成层半空间自由场的时城方程(以入射侧边界节点为例)。本方法是显式有限元意义上的数值精确解，可应用于近场波动数值模拟中内行波场与散射波场的时城同步模拟。     

含饱和土的层状场地的动力响应

利用精确的土层和半空间动力刚度矩阵求解了含饱和土的层状场地的动力响应,给出了含饱和土层状场地的自由场（入射P波、SV波）、动力Green函数及刚性条形基础动力刚度的计算方法,由此建立的场地模型更接近实际情况。建议方法的退化结果与单相场地结果一致。研究了界面不同透水条件对基础动力刚度的影响,并与相应单相场地结果进行了对比。研究表明：界面透水条件对竖向弹簧系数影响最大,饱和土体中孔隙水对场地动力响应具有不可忽视的影响。     

基于子结构法的成层场地中沉积河谷的散射分析

土层场地对地震动的影响明显,研究成层场地局部复杂地形的波动场特性,对于抗震设防具有重要意义。基于土-结构相互作用理论,含有局部复杂地形的成层场地,可分解成广义结构（即近场复杂地形及其周围土体）和具有规则开挖边界的成层无限地基（即远场）。远场的格林函数可通过精细积分求解频域-波数域内的对偶波动方程获得,利用傅里叶逆变换得到频域-空间域内的柔度矩阵。近场可采用比例边界有限元进行模拟,通过高性能连分式的传递边界求解动刚度。自由场波动可通过传递矩阵法求得,将动刚度和自由场波动位移代入控制方程即可得到散射场的动力响应。数值算例验证了方法的准确性,并利用提出的方法讨论含有软夹层场地局部复杂场地的波动场特性。     

化爆作用下岩石介质自由场应力波传播方程拟合方法研究

为得到不同工程条件下岩石化爆自由场分布特征,采用工程类比的方法,在试验数据和经验公式的基础上,采用加权最小二乘法对改进自由场应力波公式参数进行拟合。在分析参照工程与参照试验岩石及炸药参数的基础上,根据设计工程与参照工程和参照试验中岩石介质的波阻抗、弹性模量、炸药当量等参数的相似程度定义权重,将等值平均改为加权平均,对各经验公式进行加权最小二乘拟合。在确保类似工程和试验对设计工程具有更大参考价值的前提下,确定自由场应力波计算的改进公式,使爆炸荷载计算公式对设计工程具有更好的适用性。     

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。     

半球形沉积谷场地对入射平面Rayleigh波的三维散射解析解

把半球形沉积谷和周围半空间场地分别用具有不同弹性模量和不同半径的球坐标描述。利用Fourier-Bessel级数展开法,在频域内给出了半空间中半球形沉积谷场地在平面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、场地软硬对场地内地表位移幅值的影响。     

Scattering of elastic wave by a partially sealed cylindrical shell embedded in poroelastic medium

Scattering of an elastic wave by a cylindrical shell embedded in poroelastic medium is investigated theoretically with the assumption that the shell material is also a porous elastic medium. The porous medium is modellized via Biot's theory and the scattering by cylindrical shell is expressed by the definition of scattering matrix. The normal mode expansion technique is employed for analysing the scattering field, and the asymptotic solutions of displacements, stresses and pore pressure are derived. Two limiting cases‐scattering by a poroelastic cylinder in Biot medium and a elastic cylindrical shell in elastic medium are obtained from the general solutions. The dispersion curves of displacement amplitude at the interface of shell and medium is compared with the case of elastic shell. The scattering amplitude associated with the fast, slow and transverse waves are identified by numerical simulation. Furthermore, the influence of the poroelastic property of shell material on scattering amplitude is analysed. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Multi-Scattering of Plane P Waves by Several Fluid-Filled Cavities

The conformal mapping method of complex functions and expansion method of wave functions are adopted, the stresses and displacements at the boundary between the cavities and inner fluids are considered as continuous, and then the theoretical solutions are obtained about the scattering problems of incident P waves by several fluid-filled cavities. Two circular cavities are taken as examples, the influences of frequencies of incident P waves, whether there are inner fluids or not and the spacing distances between the two cavities on the scattering amplitudes are studied, and the results reveal that: the scattering amplitudes of two cavities decrease when the distance between the two cavities increase and they reach constants when the spacing distance exceeds 7.5 times of cavities radius, and the inner fluids would absorb part of energy of the scattered waves and the scattering amplitude of the cavities filled with fluids would slightly smaller than those without fluids.     

Axial and lateral response of pile groups embedded in nonhomogeneous soils

A numerical method of analysis based on elasticity theory is presented for the analysis of axially and laterally loaded pile groups embedded in nonhomogeneous soils. The problem is decomposed into two systems, namely the group piles acted upon by external applied loads and pile–soil interaction forces, and a layered soil continuum acted upon by a system of pile–soil interaction forces at the imaginary positions of the piles. The group piles are discretized into discrete elements while the nonhomogeneous soil behaviour is determined from an economically viable finite element procedure. The load–deformation relationship of the pile group system is then determined by considering the equilibrium of the pile–soil interaction forces, and the compatibility of the pile and soil displacements. The influence of soil nonlinearity can be studied by limiting the soil forces at the pile–soil interface, and redistributing the ‘excess forces’ by an ‘initial stress’ process popular in elasto-plastic finite element analysis. The solutions from this approach are compared with some available published solutions for single piles and pile groups in homogeneous and nonhomogeneous soils. A limited number of field tests on pile groups are studied, and show that, in general, the computed response compares favourably with the field measurements.     

饱和地基表面基础在Rayleigh波作用下的摇摆振动分析

考虑地基与基础的相互作用,运用Biot波动方程理论,研究了饱和地基表面有质量的刚性圆形基础在入射Rayleigh波作用下的摇摆振动问题。将饱和地基中的总波场分解为自由波场、刚体辐射波场及刚体散射波场,从而考虑基础对Rayleigh波的散射。采用Hankel变换求解土体控制方程,结合基础摇摆振动的混合边值条件以及Rayleigh波的动力作用获得基础摇摆振动振幅的表达式。计算结果分析了泊松比、基础质量、透水条件、土体渗透系数等对基础摇摆振动的影响。研究结果表明,与弹性介质相比,饱和地基中孔隙水的存在减弱了基础的摇摆振动,其作用效果与土体渗透系数及地基表面排水条件密切相关。     

半空间饱和土中圆形衬砌对弹性压缩波的散射

借助于Biot 波动理论和弹性波的传播理论,采用复变函数和多级坐标法,对半空间饱和土中圆形衬砌结构对弹性稳态压缩波的散射问题进行求解和分析。利用一个半径很大的圆弧来逼近半空间直边界,将待解问题转化为稳态弹性压缩波在一个大圆孔和一个弹性衬砌结构的散射问题。通过引入势函数,将饱和土的Biot波动方程和衬砌的弹性波动方程解耦成Helmholtz 方程,借助复变函数级数展开便可以预先写出该组Helmholtz方程的通解。然后,通过引用复变量,把饱和土和衬砌结构中的应力、位移及孔压用设定的势函数表示出来,再利用半空间饱和土和衬砌结构的连续性条件和近似直边界的圆弧边界和衬砌内边界的边界条件求解出该组势函数的特解。最后,利用势函数的特解,得到饱和土中的位移,应力和孔压及衬砌结构的位移和应力;变换不同的参数求解衬砌结构内外边界的动应力和孔压的集中系数,通过对算例结果的分析得出一系列有益的结论。