三维层状场地的精确动力刚度矩阵及格林函数

本文对Wolf二维层状场地精确动力刚度矩阵进行推广,给出了三维层状场地的精确动力刚度矩阵。刚度矩阵具有对称的特点,且因刚度矩阵是精确的,计算结果不受土层单元厚度的影响,可以大大提高计算效率。文中对刚度矩阵进行了数值验证。利用三维层状场地动力刚度矩阵,计算分析了基岩上单一土层场地的动力响应。最后作为动力刚度矩阵的另一重要应用,给出了表面或埋置矩形均布荷载或集中荷载的动力格林函数计算方法。     

层状饱和场地分布荷载的动力Green函数及应用

研究波在层状饱和场地中的传播,在理论和实际工程中均有十分重要的意义.采用Biot基本模型,利用层状饱和土的精确动力刚度矩阵,给出了层状饱和场地中分布荷载作用于与水平向有夹角的倾斜直线时的动力Green函数,解决了利用间接边界元法计算层状饱和场地中任意凹陷地形对地震波散射以及土一结构相互作用中的关键问题.     

场地动力特性对土-基础相互作用的影响

采用边界元法结合斜面分布荷载格林函数计算了水平层状半空间中的埋置刚性基础在入射P波,SV波和SH波作用下的动力响应,研究了场地动力特性对土-基础动力相互作用的影响。分析表明,层状半空间中土-基础相互作用的机理和均匀半空间有很大区别,且层状半空间中的土-基础相互作用大于均匀半空间中的土-基础相互作用;基础动力特性和场地动力特性较为相似,且土层厚度和刚度对基础动力响应的影响较大,而基础质量的影响则较小;土-基础相互作用的基本规律和土-基础-地上结构相互作用的基本规律相差较大,而与土-地下隧道相互作用则较为相似。     

饱和层状场地中任意凹陷地形对入射SV波的散射

利用饱和土层的精确动力刚度矩阵和动力格林(Green)函数,采用间接边界元法,在频域内求解了层状饱和场地中任意凹陷地形对入射SV波的散射问题.通过自由场反应分析,求得凹陷地形表面各点的位移和各单元的应力响应;同样计算了虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应的位移和应力响应;根据边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和...     

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.     

轨道附近地面振动模型中的饱和地层动力格林函数

列车引起场地振动的建模需要能够表达地层的动力格林函数.本文兼顾饱和土的流固两相耦合性、场地土的分层性和波动的三维传播性,构建了半解析的场地动力格林函数.首先,基于Biot方程,在傅里叶变换域求解固体骨架和流体的位移和应力.然后采用传递矩阵方法建立地表位移和应力间的关系,得到格林函数矩阵.进而讨论矩阵的一些固有特征,提出改善竖向位移计算效率的措施.最后利用推导的格林函数计算了几个典型算例.数值结果与文献中其他方法得到的结果十分接近,与场地振动的现场观测试验基本符合.软土场地振动的计算结果高于饱和砂土场地,高速列车场地振动强度高于低速列车.当车速接近场地瑞利波速,模拟结果中显示出马赫锥.数值结果还显示,即使车速略低于瑞利波速,马赫锥也可能出现.本文推导的格林函数将有助于深入理解列车等移动激励作用下层状饱和土场地的振动特征.     

含断层破碎带场地对平面SH波的放大作用

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,采用间接边界元法在频域内求解了含断层破碎带场地对SH波的放大作用,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及场地动力特性对散射的影响.结果表明,断层破碎带对SH波有显著的影响,即使破碎带很窄,也可对SH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.     

三维半空间中竖向集中力与膨胀点源的动力格林函数

通过积分变换的方法,引入三维轴对称情况时的势函数,首先推导了全空间中竖向集中力的动力格林函数,然后给出了半空间作用地表竖向集中力的动力格林函数,对半空间中埋置竖向集中力和膨胀点源,通过在地表上方对称位置虚拟一个同样大小的集中力或膨胀点源,消除地表剪应力,把残余地表正应力反加到半空间上,给出了频域内三维弹性半空间中埋置竖向集中力和埋置膨胀点源的动力格林函数.数值结果表明:随着位置远离荷载作用点,动力响应衰减明显,另外随着激励频率的增大,动力响应随空间变化更为复杂.     

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.      

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。