平面SV波在饱和半空间中沉积谷地周围的散射

采用一种特殊的间接边界积分方程法,求解了平面SV波在饱和半空间中任意形状沉积谷地周围的二维散射问题。结合饱和半空间中膨胀波源和剪切波源格林函数,由分布在沉积和半空间交界面附近两虚拟波源面上的波源分别构造沉积内外的散射波场,由交界面连续条件建立方程并求解确定虚拟波源密度,总波场反应即可由自由波场和散射波场叠加而得。然后通过边界条件验算、退化解答与现有结果的比较以及稳定性检验,验证了方法的计算精度。通过一组典型算例,研究了平面SV波在饱和半空间中沉积谷地周围散射的基本规律,详细给出了不同参数情况沉积谷地附近地表位移幅值和孔隙水压,着重分析了入射SV波频率和角度、边界渗透条件、沉积孔隙率等因素对场地反应的影响,得出了一些有益的结论。     

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.     

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.      

半球形饱和土沉积谷场地对入射平面Rayleigh波的三维散射问题的解析解

用Biot饱和多孔介质动力学理论模拟半球形两相饱和土沉积谷,用单相介质弹性动力学理论模拟周围半空间场地.利用Fourier Bessel 级数展开法,在频域内给出了半空间中半球形饱和土沉积谷场地在平面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、场地特征（包括孔隙比）对地表位移幅值的影响,并与已有的三维半球形沉积谷场地在单相介质中的散射问题进行了对比分析.     

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.     

基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明：层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。     

柱面SH波在地下圆形衬砌洞室周围散射解析解

采用波函数展开法给出了半空间中柱面SH波在圆形衬砌洞室周围散射的解析解,并对解答的精度进行了分析。通过数值算例分析了入射频率、波源与洞室的距离、洞室埋深、衬砌刚度等对洞室衬砌动应力集中因子的影响。研究表明,柱面波在地下衬砌洞室周围的散射与平面波情况有着显著的差别,衬砌动应力集中因子和波源与洞室的距离密切相关;柱面波在全空间衬砌洞室周围的散射与半空间情况有着显著的差别,半空间地表对动应力集中因子有着重要影响。     

流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射间接边界元模拟

无限长局部地形地震波斜入射响应问题称为二维三分量问题,在计算量远小于三维的情况下,一定程度上反映了近地表场地的三维动力响应特征.基于天然土体的成层性及固液两相耦合特性,以层状多孔介质内部移动线荷载(孔隙水压)动力格林函数作为基本解,开展流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射的2.5维间接边界元模拟研究.总场响应由自由波场和散射波场叠加构成,前者可由直接刚度法求得,后者则通过施加移动虚拟均布荷载和移动虚拟孔隙水压所产生的动力响应来模拟.该方法优势在于离散仅限于地形底边界(无须离散自由地表),格林函数计算不存在奇异性(荷载可直接加在边界上),容易控制计算精度,对复杂边界条件具有很强的适应性.在退化验证和精度比较的基础上,以梯形凹陷和半椭圆沉积地形为例,模拟了时域和频域的流体饱和半空间三维弹性波散射响应.研究表明:局部地形的地震动响应依赖于入射频率、入射角度、边界透水条件、土层刚度和土层厚度等,入射波、反射波和散射波相互干涉,极大延长了位移的振动持续时间.     

三维沉积盆地对地震动的放大效应间接边界元法模拟

基于一种高精度间接边界元法(IBEM), 实现了沉积盆地三维地震响应的频域、 时域精细求解, 并以半空间中椭球形沉积盆地对平面P波和SV波的散射为例, 着重探讨了入射角度、 入射波型、 入射频率、 盆地长宽比和深宽比对沉积盆地地震动放大效应的影响规律． 结果表明: 盆地形状对地震波的放大效应和空间分布状态具有显著影响, 且具体规律受控于入射波频段． ① 随着盆地深度增大, 盆地边缘面波发育更为充分, 在较宽频段内均会出现显著的地震动放大效应, 且深盆地的放大区域集中于盆地中部． ② 圆形盆地对地震波的汇聚效应最为显著, 而狭长盆地对地震波的汇聚作用相对较弱, 高频情况下可在盆地内部形成多个聚焦区域． ③ 不同波型入射下, 盆地对地震动放大效应的机制有所差异: P波入射下, 竖向位移放大主要是由于盆地边缘面波由四周向中部汇聚所致; SV波入射下, 边缘面波汇聚效应相对较弱, 而当盆地较深时, 底部透射体波和边缘面波易形成同相干涉从而显著放大地震动． 按盆地内外介质波速比为1/2, P波和SV波垂直入射下频域最大放大倍数分别为25和15, 时域放大倍数约为4.0和3.7(雷克子波)． ④ 低频波入射下, 位移从盆地中部向边缘逐渐减小, 且浅层沉积盆地对地表位移幅值的放大作用不明显． ⑤ P波和SV波的入射角度对盆地地震动放大幅值及空间分布特征也具有显著影响．      

地震波传播的三维伪谱和高阶有限差分混合方法并行模拟

基于交错网格伪谱法和高阶精度有限差分方法,发展了模拟非均匀介质地震波传播的三维伪谱和有限差分混合算法.该方法在两个水平方向利用交错网格伪谱算子计算空间微分,保留了该方法高效、高精度的优势,在垂直方向采用交错网格高阶精度有限差分算子实现空间微分计算．利用有限差分方法的局部性特征,将三维计算区域在垂直方向上划分为一系列子区域,并分配给不同的处理器,实现了在并行计算机集群上的三维并行计算．通过模拟算例,与离散波数法比较,检验了该算法的精度．为了检验该方法的实用性,在64个处理器上,对三维沉积盆地模型进行了67108864个网格点的并行计算,模拟的波场主频率为1.25Hz,讨论了沉积盆地深度对三维沉积盆地地面运动的影响．      

The scattering of plane P_1 wave by a 3-D sedimentary basin in a fluid-saturated poroelastic half-space using IBEM

The indirect boundary element method(IBEM) is applied to investigate the scattering of elastic waves around a 3-D sedimentary basin filled with fluidsaturated poroelastic medium. Based on this method, the free field and scattered field can be solved according to the boundary conditions. And the numerical accuracy has been verified. The effects of parameters on elastic wave scattering are studied, such as boundary condition, incident frequency,incident angle and porosity of medium. Numerical results illustrate that the amplification effect of surface displacement near poroelastic sedimentary basin is notable. In addition, for the case of large porosity the drainage condition has a significant impact on the response amplitude. Due to the fluid exchange at the interface under the drained condition, the displacement amplitude can be much larger than that under the undrained condition in present study. The study can provide a theoretical basis for the anti-seismic design of engineering structures located in sedimentary basin.     

浅圆沉积谷地对瑞雷波的散射--高频解

利用波函数展开法给出了浅圆沉积谷地对瑞雷波散射的一个高频解析解,并分析了入射频率、沉积谷地宽度和深度等因素对波散射的影响. 数值结果表明,由于沉积谷地的影响, 在入射波的近端,地表位移分布变得相对复杂,但位移幅值并不大;而在入射波远端,地表位移分布相对简单,但位移幅值却相对较大,多数情况下高于沉积地表位移幅值.      

Scattering of Rayleigh waves by a shallow circular alluvial valley： High-frequency solution

Introduction The effect of local site conditions on wave propagation is one of the most attractive topics in engineering seismology. It may be resolved by either a numerical method or an analytical method. Numerical methods include the finite difference, finite element, boundary element method, etc. The analytical method is the wave function expansion method. The advantage of these numerical methods is that they can be applied to local inhomogeneity of arbitrary shapes, but analytical method …     

岩土介质随机性对沉积河谷地震动放大效应的影

基于间接边界元法计算沉积河谷对平面P波和SV波的二维散射,着重考察沉积介质波速和材料阻尼的随机性对河谷地震动放大效应。利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了波速样本和阻尼样本各30组,给出了不同入射角度和频率P波和SV波入射下河谷随机响应的单频和频谱结果。算例分析结果表明:(1)地表位移响应幅值的变异系数极值均显著大于波速比变异系数,且波速比的随机性对地表位移的影响在体系共振频率处最为明显,地表位移的最大标准差可达7.168;低频情况下,沉积中部地震反应变异性更显著,高频情况下则在沉积河谷边缘变异性最大;(2)入射波角度对地表位移响应变异系数极值的影响不大,但对变异系数空间变化的影响显著;(3)阻尼的随机性对地表位移的影响在低频情况下较小,在高频情况下则较明显,尤其是在沉积河谷的体系自振频率处,其影响最为显著。      

岩土介质随机性对沉积河谷地震动放大效应的影响

基于间接边界元法计算沉积河谷对平面P波和SV波的二维散射,着重考察沉积介质波速比和材料阻尼比的随机性对河谷地震动放大效应的影响.利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了波速比样本和阻尼样本各30组,给出了不同入射角度和频率的P波和SV波入射下河谷随机响应的单频和频谱结果.算例分析结果表明:①地表位移响应幅值的变异系数极值均显著大于波速比变异系数,且波速比的随机性对地表位移的影响在体系共振频率处最为显著,地表位移的标准差最大可达7.168;低频情况下,沉积中部地震动反应的变异性更显著,高频情况下则在沉积河谷边缘变异性最大;②入射角对地表位移响应变异系数极值的影响不大,但对变异系数空间变化的影响显著;③阻尼比随机性对地表位移的影响在低频情况下较小,在高频情况下则较明显,尤其是在沉积河谷的体系自振频率处,其影响最为显著.      

Rayleigh波在浅圆凹陷地形附近的散射:高频解答

利用波函数展开法给出了Rayleigh波在浅圆凹陷地形附近散射的一个高频解析解，并分析了入射频率、凹陷地形宽度和深度等因素对波散射的影响。数值结果表明，由于Rayleigh波幅值随深度而衰减，凹陷地形表面位移幅值整体上较小，且随着凹陷地形深度的增加而减小；由于Rayleigh波幅值还随频率而衰减，随着入射频率的升高，凹陷地形表面位移幅值逐渐减小；由于凹陷地形的屏障作用，在人射波的近端，地表位移分布变得相对复杂，地表位移峰值出现在左角点附近，而在入射波远端，地表位移分布相对简单，地表位移峰值出现在距凹陷地形较远的地方。     

Study of Basin-edge Effects on the Ground Motion Characteristics Using 2.5-D Modelling

This paper presents the role of basin-edge geometry in the generation of surface waves using 2.5-D modelling. The simulated responses of various basin-edge models revealed surface wave generation near the basin edge and their propagation normal to the edge. Seismic responses of basin-edge models using different fundamental frequency of soil along with spectral analysis of differential ground motion confirmed that surface waves start generating near the basin edge when body-wave frequency exceeds the fundamental frequency of soil. Spectral analysis of differential ground motion also confirmed the generation of high frequency surface wave. An increase of surface-wave amplitude with soil thickness was obtained. Large ground displacement observed near the basin edge may be due to the interference of surface/diffracted waves with the direct waves and their multiples. The effect of edge roughness on the surface-wave characteristics was found to be negligible as compared with the edge geometry. Simulated results revealed a decrease of surface-wave amplitude with edge slope, particularly in the case of surface waves caused by S waves. Surface wave generation near the basin edge was obtained for all four considered angles of incidence. At the same time, it was also inferred that the characteristics of these surface waves depend on the angle of incidence to some extent. The findings of this paper reveal that basin-edge effects deserve a particular attention for the purpose of earthquake-resistant design and seismic microzonation.Acknowledgement Financial assistance by the Department of Science and Technology (DST) New Delhi and the Indian National Science Academy (INSA), New Delhi is gratefully acknowledged.     

柴达木盆地东部地震地面运动放大效应

柴达木盆地是青藏高原东北部大型断陷山间盆地,该地区的流动观测记录了2008年11月10日发生于大柴旦附近的M_W6.3地震。和附近的基岩上的记录相比,盆地内部的记录显示出非常显著的地面运动放大效应,表现为峰值速度的增大、持续时间的延长,其呈现出长持续时间的后续震相。傅里叶频谱分析表明盆地内部显著的后续震相的频率和直达波相比较低,地面质点运动轨迹图显示后续震相为面波运动特征。为了解释地面运动的差异,构建二维模型,通过交错网格高阶有限差分方法计算了地震波在盆地内部的传播过程,结果显示盆地内部低速层的存在造成直达波的放大以及多次反射与转换,盆地边缘结构造成的波的相干叠加产生了强烈的次生面波,其低频、大振幅、长持续时间的特征是盆地内部地面运动放大的主要原因。     

地下衬砌洞室对Rayleigh波的放大作用

本文利用波函数展开法,给出了半空间中圆形衬砌洞室引起的Rayle igh波散射问题的一个级数解,并通过对求解技术的改进,获得了高频解答。论文通过入射波长、洞室直径、衬砌刚度和埋置深度等参数分析,研究了地下洞室对Rayle igh波的放大作用。数值结果表明,地下洞室情况下地表位移幅值可以达到无洞室情况的2.6倍以上;多数情况下,柔性衬砌洞室情况地表位移幅值最大,无衬砌洞室情况次之,刚性衬砌情况最小。