三维层状黏弹性半空间中球面SH、P和SV波源自由场

采用刚度矩阵方法结合Hankel积分变换,求解了层状黏弹性半空间中球面SH、P和SV波的自由波场.首先,在柱坐标系下建立层状黏弹性半空间的反轴对称(柱面SH波)和轴对称(柱面P-SV波)情况精确动力刚度矩阵.进而由Hankel变换将空间域内的球面波展开为波数域内柱面波的叠加,然后将球面波源所在层的上下端面固定,求得固定层内的动力响应和固定端面反力,将固端反力反向施加到层状黏弹性半空间上,采用直接刚度法求得固端反力的动力响应,叠加固定层内和固端反力动力响应,求得波数域内球面波源动力响应.最后由Hankel积分逆变换求得频率-空间域内球面波源自由场,时域结果由傅里叶逆变换求得.文中验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中球面SH、P和SV波为例分别在频域和时域内进行了数值计算分析.研究表明基岩上单一土层中球面波自由场与均匀半空间情况有着本质差异;基岩上单一土层中球面波位移频谱峰值频率与场地固有频率相对应,基岩面的存在使得基岩上单一土层地表点的位移时程非常复杂,振动持续时间明显增长;阻尼的增大显著降低了动力响应的峰值,同时也显著减少了波在土层的往复次数.     

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性.     

2015年尼泊尔M_S8.1地震的地壳重力均衡背景与地表形变响应特征

对2015年尼泊尔MS8.1地震的地壳均衡背景及其引起的地表形变特征进行了研究,结果表明:(1)尼泊尔MS8.1地震震中以南的印度板块岩石圈有效弹性厚度大约为9km,加载主要来自地幔;地震以北的拉萨地块岩石圈有效弹性厚度大约为2km,加载主要来自地表.(2)尼泊尔MS8.1地震震中以南地区的地壳均衡异常大约为-100mGal(10-5 m·s-2),但其北部的地壳均衡异常则为300~400mGal,尼泊尔MS8.1地震发生在地壳均衡负异常向正异常过渡的高梯度带上.(3)尼泊尔MS8.1地震使震中周围地区的地壳整体向南运动,最大水平位移超过1.5m,分布在震中东南.震中以北的同震垂向位移总体为负值,最大下降幅度超过0.5m,同震重力变化总体为正值,最大超过60μGal(10-8 m·s-2);震中以南的垂向位移总体为正值,最大升幅超过0.7m,同震重力变化总体为负值,最大降幅超过-120μGal.(4)尼泊尔MS8.1地震使"世界屋脊"喜马拉雅山脉产生沉降,最大同震降幅超过120mm,震后松弛效应将使"世界屋脊"持续缓慢下降.该强震使世界最高峰珠穆朗玛峰降低了2~3mm,有可能被GPS、InSAR等现代大地测量工具检测到.     

移动荷载作用下土体动力反应数值模拟

在研究轨道振动荷载的产生机理基础上,归纳出一个能够涵盖速度、线路不平顺、轮重、轨枕对轮载的分散作用等因素在内的轨道荷载解析表达式,以此作为输入施加到土体模型上,利用ANSYS模拟地基土在轨道移动荷载作用下的三维瞬态弹塑性反应。通过计算得到土体不同位置位移和加速度时程曲线,并得出如下结论:荷载刚施加时地面位移会有一个突变,但是随着荷载的移动会达到一个稳定值,并随着水平面内远离轨道,该值逐渐衰减;荷载刚刚施加时加速度会有一个突变值,随着荷载的移动逐渐趋于零。轨道机车速度对竖向方向的位移和加速度影响不大。     

黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演

瑞利波具有能量大、信噪比高等特点,可以用来反演介质内部的力学信息,近年来在浅层地球物理勘探、深层地震学研究以及超声波无损检测等多个领域都有较广泛的应用。目前大多数瑞利波的应用中都假设介质是弹性的,然而实际中岩石、土壤和金属等介质都在一定程度上体现出了黏弹性。当介质的黏弹性较强时仍然采用弹性假设研究其中瑞利波的反演将增大误差,因此有必要考虑黏弹性介质中的瑞利波反演,但是目前这方面的研究仍不够深入。本文研究黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演问题,给出其在半空间中联合反演的方法,并对该方法的误差进行分析。     

黏弹性节理岩体的位移不连续模型研究

选用三参数标准线性固体作为岩石本构,提出了一种考虑岩体黏弹性的位移不连续模型;根据一维黏弹性波的特征线法,推导了节理处质点速度、应力和应变递推公式。首先,基于分离式霍普金森压杆（SHPB）对砂层进行试验,得到其应力-应变关系,并换算出砂层节理的法向刚度;接着,通过一维强间断黏弹性波的波速公式、高频波衰减系数以及任一频率下的衰减系数,确定出数值算法中的三参数。最后,基于自制的摆锤装置,探讨了一维应力波在节理岩体中的传播规律,试验中以两根长1 000 mm、直径为68.50 m的岩杆作为入射和透射杆,以3 mm砂层模拟节理。试验和数值结果吻合度良好,进一步验证了该方法的可靠性。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法

间断Galerkin有限元法（DG-FEM）作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注.本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散,并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化,最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔（SSP Runge-Kutta）算法,将DG-FEM推广至时间任意高阶精度.另外,借鉴近最佳匹配层（NPML）的思想,基于复频移（CFS）拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件（简称为CFS-NPML）,该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合,形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术.数值试验结果表明,DG-FEM具有高阶精度,可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟.同时,CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果.     

基于方位各向异性弹性阻抗的裂缝岩石物理参数反演方法研究

裂缝储层岩石物理参数的准确获得对地下裂缝预测具有重要意义,而叠前地震反演是获得裂缝岩石物理参数的有效手段.本文从裂缝岩石物理等效模型的构建出发,从测井数据上估测了裂缝岩石物理参数,通过推导含裂缝岩石物理参数的方位各向异性弹性阻抗公式,探讨了基于方位各向异性弹性阻抗的裂缝岩石物理参数地震反演方法.实际工区地震数据应用表明,基于方位各向异性弹性阻抗的裂缝岩石物理参数反演方法合理、可靠,可以降低裂缝岩石物理参数估测的不确定性,为地下裂缝预测提供有力的依据.     

描述软土不排水循环应力应变响应的拟动力关系

依据等效黏弹性理论与蠕变理论,建立了描述一般应力状态饱和软土不排水循环应力应变响应的拟动力本构关系。该关系包括三个基本参数：循环剪切模量,阻尼比与增量循环累积应变。利用循环剪切模量与阻尼比随土单元八面体剪应变的变化描述循环荷载作用下软土的不排水循环应变,依据Mises蠕变势函数与正交流动法则确定循环累积应变增量。通过饱和软土不固结不排水循环三轴压缩试验确定这些变化关系。按确定出的参数预测循环三轴拉伸与循环扭剪试验结果。预测出的循环拉伸试验剪切模量和阻尼比随八面体剪应变的变化与试验结果吻合。对于循环扭剪试验,当循环偏应力与静偏应力方向一致时,预测出的循环累积应变随循环次数的变化与试验结果基本一致;当循环偏应力与静偏应力作用方向不一致时,预测出的循环累积应变与试验结果相比偏小。