垂直界面附近椭圆形夹杂对SH波的散射与地震动研究

利用复变函数法和Green函数法给出了SH波对垂直界面附近椭圆形夹杂散射问题的解析解答。首先,将待求的半空间模型沿垂直边界分割为区域Ⅰ和区域Ⅱ两个直角域。通过保角映射的方法将区域Ⅰ内椭圆形夹杂的外域映射为单位圆外域,并利用镜像方法构造出两个区域内满足直角域边界条件的散射波场及适用的Green函数;其次,利用界面契合思想,通过在界面处添加附加力系的方法建立起满足界面处位移和应力连续条件的无穷代数方程组,并截断有限项求解;最后,给出了求解地表位移幅值的具体算例。结果表明,入射波数、入射角度、夹杂位置、垂直界面以及材料参数都对地表位移幅值的分布有影响。     

弹性半空间夹杂群对平面SH波散射的快速多极多域边界元法模拟

结合快速多极子展开技术,发展一种高精度快速多域间接边界元方法,用于求解弹性半空间大规模夹杂群对平面SH波的二维散射。数值检验表明,该方法能够高效精确地求解大规模多域散射问题,同时可大幅度降低计算存储量,据此在普通电脑上可实现数百万自由度二维多域出平面散射问题快速求解,进而分别针对半空间中均匀分布和随机分布的夹杂群,探讨了夹杂群刚度、形状对其周围平面SH波散射的影响规律。研究结果表明:由于弹性波的多次散射相干,使得夹杂群对平面SH波的散射与单夹杂体存在显著差异,总波场空间分布特征和位移频谱特征更为复杂;平面SH波散射特性主要取决于夹杂体的材料软硬程度、几何形状特征和入射波的角度、频率。另外,研究方法和分析结论可为半空间复杂不均质体对SH波散射正、反演分析提供新的技术手段和理论依据。     

饱和土中弹性波在双椭圆孔洞周围的散射

利用复变函数法和多极坐标法,研究了饱和土中弹性波在双椭圆孔洞周围的散射及动应力集中的问题。首先通过引入位移势函数,将二维稳态条件下Biot波动方程解耦成势函数所满足的3个Helmholtz方程, 根据分离变量方法即可得Helmholtz方程在柱坐标下势函数的通解。利用土骨架和孔隙水的边界条件,确定波函数展开式中的未知系数,进而得到位移、应力和孔压的表达式。给出了弹性波对2个椭圆形孔洞的动应力集中系数的数值结果,并讨论了波数和孔距变化对动应力集中系数和孔压集中系数的影响。     

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。     

含有部分脱胶的浅埋圆夹杂对SH波的散射

采用复变函数法研究了含有部分脱胶的浅埋圆柱形弹性夹杂对SH波的散射与地震动问题。在圆形弹性夹杂中构造一个满足脱胶部分应力自由的驻波函数,将其展开为含有一个待定系数的Fourier级数。在半空间中,介质应满足脱胶部分应力自由、公共边界处位移和应力连续的边界条件,从而建立起求解该问题的无穷代数方程组。最后,给出了地表位移的数值结果。给果表明,入射波参数、脱胶位置、弹性夹杂参数以及埋深对地表位移都有一定程度的影响。     

多层沉积凹陷地形对平面SH波散射问题的解析解

利用波函数展开法给出了含多个沉积层凹陷地形对平面SH波散射二维问题的一个解析解,并以一具有3个沉积层的凹陷地形为例,分析了凹陷地形中沉积层排列次序对SH波散射的影响。结果表明,凹陷地形中沉积层排列次序将显著改变凹陷地形的卓越频率,沉积层的某个（些）排列次序有可能对入射波产生巨大的放大作用;此外,沉积层的刚度、厚度以及凹陷地形的深宽比等均对凹陷地形的放大效应也有一定的影响。     

沉积谷中衬砌隧道对SH波的散射

现实中衬砌隧道穿越沉积谷地十分常见,而国内外对其地震响应规律研究较少。基于MATLAB编程平台,采用间接边界积分方程法,就沉积谷地衬砌隧道对平面SH波的散射问题进行了初步探讨。研究了不同频率、隧道埋深与入射角度对地表位移和衬砌内外壁动应力集中因子的影响,并比较了沉积谷地中隧道与半空间隧道两种情况下的差别。结果表明：软土沉积中隧道衬砌动应力集中更为显著;高频波入射下,隧道埋深对沉积区域内位移分布、衬砌应力频谱特性和地表位移频谱特性均有较大影响。研究结论可为沉积谷地中衬砌隧道抗震设计与安全性评估提供定量依据。     

浅埋孔洞对地表反平面运动的影响

采用复变函数和多极坐标方法,构造了一个能够自动满足水平表面上应力自由边界条件的散射波函数,研究了地下任意形柱状孔洞对任意角度入射的平面SH波的散射及其对地面震动的影响,给出了浅埋孔洞附近地面运动的数值结果。定量分析了入射波长、入射角度、孔洞的形状和埋深等因素对地面运动的影响。研究表明,浅埋孔洞与水平表面存在强烈的相互作用对局部地面运动将起到放大作用,在地面建筑物抗震设计时应考虑地下隧洞的存在对地震动的影响。     

SH波作用下各向异性弹性半空间中浅埋圆孔附近的动应力集中研究

研究了稳态水平剪切（SH）波作用下含有圆柱形孔洞的各向异性弹性半空间的动力响应问题,探讨介质的各向异性对孔附近动应力的影响规律。运用复变函数和多极坐标方法在变换空间中构造出各向异性弹性半空间中圆孔的散射波函数,所构造的散射波函数能够自动满足半空间水平表面上应力自由的边界条件和无穷远处的Sommerfeld辐射条件。根据圆孔表面应力自由的边界条件,采用最小二乘法求解所构造的散射波函数的系数。分析了SH波以不同角度自弹性半空间内入射时,不同介质特性、入射波数和埋深对圆孔附近动应力集中系数的影响。数值结果表明,各向异性弹性半空间中孔附近的动应力比各向同性情况有明显增高。     

SH波对无限介质土中衬砌结构的动应力集中

运用复变函数法和保角映射法对无限介质土中的衬砌结构进行分析.通过引入两个势函数将弹性介质的控制方程解耦成两个Helmholtz方程.利用所得势函数的通解,得到无限土介质和衬砌结构的位移和应力的表达式,利用无限介质与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,可确定波函数展开式中的末知系数,并给出动应力集中系数的数值结果.     

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。     

Analytical study of ground motion caused by seismic wave propagation across faulted rock masses

Studying seismic wave propagation across rock masses and the induced ground motion is an important topic, which receives considerable attention in design and construction of underground cavern/tunnel constructions and mining activities. The current study investigates wave propagation across a rock mass with one fault and the induced ground motion using a recursive approach. The rocks beside the fault are assumed as viscoelastic media with seismic quality factors, Q_p and Q_s. Two kinds of interactions between stress waves and a discontinuity and between stress waves and a free surface are analyzed, respectively. As the result of the wave superposition, the mathematical expressions for induced ground vibration are deduced. The proposed approach is then compared with the existing analysis for special cases. Finally, parametric studies are carried out, which includes the influences of fault stiffness, incident angle, and frequency of incident waves on the peak particle velocities of the ground motions.     

Response of circular tunnel with imperfect interface bonding in layered ground subjected to obliquely incident plane P or SV wave

A semianalytical procedure is proposed for evaluating the internal forces of circular tunnel with imperfect interface bonding in layered ground subjected to an obliquely incident plane P or SV wave. In this study, the hoop bending moment and hoop axial force are related to the free‐field responses of the ground. A one‐dimensional numerical approach is firstly presented to obtain the free‐field responses of a layered half‐space with an obliquely incident plane P or SV wave propagation. Then, the free‐field stress state is transformed and decomposed in the polar coordinate system. The internal forces of tunnel caused by the isotropic stress state and the pure shear state are calculated and then summed up to obtain the overall analytical solutions. Finally, the validity of the proposed semianalytical procedure is demonstrated by numerical examples.     

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.     

地下防护层中空穴形状对爆炸波衰减作用的影响

以地下围岩抗爆工程为背景,以小药量模型试验和数值模拟为手段,通过改变空穴位置、形状、组合形式来考察含空穴的防护层对平面爆炸波、球面爆炸波的衰减屏蔽效果。结果表明,含空穴的防护层可以很好地衰减爆炸波的压力峰值,从而达到保护地下洞室的目的;叉排排列的空穴对爆炸压力峰值的衰减效果明显好于顺排,矩形空穴对爆炸波压力衰减效果优于圆形空穴。研究成果为新型围岩抗爆加固技术提供了一定的参考。