Application of the numerical manifold method for stress wave propagation across rock masses

In this paper, the numerical manifold method (NMM) is extended to study wave propagation across rock masses. First, improvements to the system equations, contact treatment, and boundary conditions of the NMM are performed, where new system equations are derived based on the Newmark assumption of the space–time relationship, the edge‐to‐edge contact treatment is further developed for the NMM to handle stress wave propagation across discontinuities, and the viscous non‐reflection boundary condition is derived based on the energy minimisation principle. After the modification, numerical comparisons between the original and improved NMM are presented. The results show that the original system equations result in artificial numerical damping, which can be overcome by the Newmark system equations. Meanwhile, the original contact scheme suffers some calculation problems when modelling stress wave propagation across a discontinuity, which can be solved by the proposed edge‐to‐edge contact scheme. Subsequently, the influence of the mesh size and time step on the improved NMM for stress wave propagation is studied. Finally, 2D wave propagation is modelled, and the model's results are in good agreement with the analytical solution. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震动强度对斜坡加速度动力响应规律的影响

依托大型振动台试验成果,采用加速度响应峰值PGA及其放大系数相结合的分析方法,系统地探讨了上硬、下软和上软、下硬两种岩性组合结构斜坡模型,分别在正弦波和天然地震波作用下坡面各高程点的水平向和竖直向加速度响应随震动强度增大的变化规律。试验结果分析表明：①在天然波作用下两斜坡模型的水平向和竖直向PGA均随震动强度增大而增大,而放大系数则随震动强度增大到一定程度时,逐渐减小并趋于稳定;②在正弦波作用下两斜坡模型的水平向和竖直向PGA亦随震动强度增大而增大,然而竖直向PGA放大系数随震动强度增大亦有所增大,说明竖直向加速度响应表现出了相对于水平向响应较弱的非线性特征;③在水平向和竖直向地震力作用下加速度响应沿高程表现出的放大效应分别体现在斜坡模型的上段和下段。此外,斜坡模型的加速度响应沿坡面在坡脚、坡中和坡肩等特殊部位出现了多个极值区;④在水平向地震力作用下低频的地震波作用要强于高频地震波,且加速度在上硬、下软岩性组合结构斜坡模型中的响应要强于上软、下硬岩性组合斜坡模型;在竖直向地震力作用下则呈现相反结果。其研究结果对高地震风险山区的防震减灾及灾后重建都具有指导和借鉴意义。     

强地震动作用下层状岩体破坏的物理模拟研究

岩体地震动力破坏现象是常见但研究较少的复杂课题。利用物理模拟试验,研究了层状岩体边坡在强地震动作用下的变形破坏问题。按结构面走向平行和垂直地震动方向,对不同岩体结构特征的模型施加不同的幅值和频率的水平向地震动荷载,进行岩体的振动破坏试验。结果表明,结构面空间展布方向与地震动荷载的相互关系不同、结构面软弱程度不同,岩体变形破坏的形式和分布特征也不相同。岩体的动力破坏主要是岩体结构的破坏,即岩体结构的宏观破坏和微观损伤,岩体结构特征是控制其动力变形破坏的主要因素。极大的不均匀性是岩体动力破坏的显著特点,这与大量极震区岩体破坏的现象类似。但岩体动力破坏模式的建立和定量的力学分析还需更多研究。     

近断层地震动对大型地下洞室群地震响应的影响研究

针对现行水工抗震规范中对近断层地震缺乏考虑这一实际问题,首先讨论了近断层、远场地震动的差别,对比了近断层、远场地震动对地下洞室地震响应的影响,继而提出一种新的人工合成近断层地震动时程的方法,并采用合成的近断层地震动时程对某水电站地下洞室群进行了近断层地震稳定性专门研究。结果表明：与常规地震分析中考虑的远场地震动相比,近断层脉冲型地震动的主要特征为Vmax/Amax和Dmax/Amax（Vmax、Dmax、Amax分别为速度峰值、位移峰值、加速度峰值）指标更大,且近断层脉冲型地震动的主要能量集中在1 Hz以下的频段;在相同峰值加速度幅值、相同反应谱的前提下,近断层地震动对高边墙、大跨度地下工程的破坏程度远比远场地震动大;较之前人的研究方法,文中提出的近断层脉冲型地震动合成方法考虑了[1/Tp, 1] Hz这一频段内的地震波信息,更具合理性;在设定的计算条件下,地下厂房洞室群有在近断层地震动作用下发生失稳的危险性,需要进一步针对近断层地震动进行专项风险性评价,以讨论是否需要增设针对性的抗震支护措施。     

河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数

针对基岩明显起伏、土层非均匀分布的典型河口盆地场地,考虑土体非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟无限域对地震波动的影响,建立大尺度精细化二维有限元模型,分析了盆地地表地震动幅值、频谱、持时、传递函数特征,探讨了基岩起伏土层的地震动聚集效应及盆地边缘效应。结果表明：（1）盆地近地表土层表现出不同程度的地震动放大效应,且随土层深度增加呈非单调递减特征,基岩突变处地震动聚集效应明显,盆地两侧产生较为显著的边缘效应;场地中、长周期地震动的放大作用显著;（2）多遇地震、偶遇地震和罕遇地震水平时,场地卓越周期依次介于0.35～0.65 s、0.40～0.75 s和0.50～1.05 s之间;给出了盆地地表PGA（地表峰值加速度）、卓越周期均值等值线图及地表加速度反应谱放大因子建议值,地表设计地震动参数amax（地震影响系数）与Tg（特征周期）明显大于现行《建筑抗震设计规范》取值;（3）盆地特殊位置地表地震动持时得到不同幅度增长,且与输入地震动特性相关;（4）该盆地对0.5～2.0 Hz频段基岩地震动的放大效应比较显著,对小于0.2 Hz或大于2.5 Hz的基岩地震动,该盆地地震动放大效应不明显;（5）福州城区及其邻近区域地震动放大效应普遍较大。大尺度二维非线性分析一定程度上能合理反映微地形起伏、土层分布及土体非线性对地震波传播过程的影响。     

Parallel visualization of seismic wave propagation

Today parallel visualization of massive datasets from observation and numerical simulation of seismic waves is one of the major goals of geoscience community. A majority of these datasets are time-varying volume data (TVVD), also known as 4D field data. The difficulty of visualizing them on distributed parallel system mainly lies in the algorithm designing for distributed preprocessing of raw datasets, hierarchical point-to-point or collective communication implementation based on distributed data allocation, synchronous volume rendering techniques. In this work we present viable solutions for preprocessing of raw data sets, novel algorithms of parallel rendering and display matrix. Our main objective is focused on the parallel visualization of results coming from full 4D seismic wave propagation simulations.     

液化土层地震动模拟计算方法及验证

针对目前土层反应分析方法难以模拟液化土层地震动时程的缺欠,在工程力学研究所原有有效应力分析程序基础上提出了一个改进的计算方法并进行了验证。改进方法中,通过每个应力循环模拟土的非线性进程以及液化导致的土刚度衰减过程,并引入了新建立的适于非均等固结随机地震荷载作用下的孔压增长模型。将计算方法与实际地震记录及大型振动台实验结果进行了对比,结果表明：在峰值加速度、液化后波形变化、时频曲线及加速度反应谱等主要特征上,计算结果均与现场实际记录及振动台实验基本一致;在液化引起地震动特征变化上,计算出的液化较非液化土层加速度反应谱的增量与实验结果一致。说明所提出的改进方法可以用于液化土层地震动的模拟。     

岩体波速与坝基岩体变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一,尽管其可以通过各种现场试验来获得,但因其耗时、费力、投资大,使得许多中小型工程及大型工程的初步设计阶段无法通过试验来得到这一参数。因此,许多研究者建立了诸多岩体变形模量与岩体物理力学参数或岩体质量分级之间的相关关系,如岩体变形模量与RQD、RMR分级、Q分级、岩体纵波速度等之间的关系,从而利用这些关系估算岩体变形模量。总结了已有估算岩体变形模量的各种方法,讨论了其应用条件及预测结果,重点分析了利用岩体纵波速度估算岩体变形模量的方法及存在的问题,并以玛尔挡坝址为实例,建立了相关预测公式。通过与已有估算方法的对比研究,阐明了各种方法预测结果的异同,表明其建立的估算公式与Barton等公式具有较好的一致性,可以用来估算岩体的变形模量     

花山岩画开裂岩体声波测试与分析

阐述了声波测试的方法和过程,通过在岩体中声波的传播速度,建立开裂岩体厚度与劣化程度的数学模型。结果表明,开裂岩体厚度小于30 mm时,强度损失较大;开裂岩体厚度大于30 mm时,强度基本保持不变,为今后花山岩画的保护提供科学可靠的理论依据。     

岩石类材料振动裂隙扩展试验和数值分析

岩性体振动裂隙扩展是路基、桥梁、振动施工和防震等领域共同关注的问题。通过自制惯性加载装置联合振动实验台,对12组含边中穿透裂隙的板状相似岩样进行振动加载试验,观测裂隙扩展和贯通规律,并利用PFC颗粒流软件建立试验对应模型,进一步分析裂隙扩展的控制机制。结果表明,不同区域振动变形的相位差会促进裂隙的扩展行为;边裂隙的起裂方向与振动方向夹角较小,约在±10°以内,且与振向相同的边裂隙最容易扩展,与振向相同的边—中裂隙对最容易贯通;破坏频率与裂隙间距呈正相关性,并且随着裂隙倾角和振向夹角的增大,裂隙扩展越来越困难,垂直振向的裂隙最难扩展;振动裂隙扩展路径为裂尖最近路线,符合能量最小原理。     

场地地震安全性评价中确定设计地震动参数若干问题研究

本文研究确定设计地震动参数中涉及的若干问题,其中包括基岩水平加速度反应谱衰减关系的选择、震源深度对基岩水平加速度峰值及基岩反应谱曲线的影响、强度包络线函数及输入随机相位的选择、土体非线性特性参数和土层剪切波速值的选择、设计地震动反应谱的标定等问题。本文基于一个典型场地计算剖面,采用一维等效线性化模型并通过逐项变换某些研究参数的方法,研究了各种因素对设计地震动参数可能产生的影响及存在的误差和相应的规律。     

Seismic wave propagation analysis in vertical arrays at Kashiwazaki–Kariwa nuclear power plant site by using modified normalized input–output minimization (mod‐NIOM) method

A new approach on numerical modeling of wave propagation is introduced and is used to analyze the effect of earthquake magnitudes (ground motion amplitudes) on wave propagation. In this method, the sum of the maximum amplitudes of the first output model at time 0 s and rest of the output models at different times are normalized to unity. Considering this as a constraint, the sum of the weighted‐squared Fourier amplitudes is minimized by using the Lagrange multiplier method. The proposed method can reveal the relationship of actual time histories by showing simple clear peaks. This method is used to analyze the time histories of various earthquake events at different vertical array sites of the Kashiwazaki–Kariwa nuclear power plant of Tokyo electric power company (TEPCO). The wave arrival times obtained from this method and down‐hole measurements are compared. The results show increase in the arrival times at surface layer when the magnitude of earthquake is large. The results reveal that the amplitudes of small magnitude earthquakes at depths are small and are largely amplified at surface, whereas in case of large magnitude earthquakes, the amplitudes are large at depths and are deamplified at surface reflecting the effects of the strain‐dependent soil properties that result in non‐linear site response to strong shaking. The results also show that the reflected peak amplitudes are higher for small magnitude earthquakes than for large magnitude earthquakes. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

竖向地震动对斜坡场地非线性地震反应的影响

国内外规范中推荐或强制规定竖向地震动取为剪切反应谱的1/2～2/3,但该规定如何改进使其更合理已成为一重要课题。首先,对其研究现状简单总结,给出了可处理辐射阻尼、地震动相位特性、计算高效的二维波动显式有限元等效线性化程序ELPSV编制的必要性,然后进行了分析。初步研究表明,竖向地震动强度对周期在0.3 s以下的地表剪切反应谱有一定的影响,而高于0.3 s部分影响轻微。竖向地震动强度对斜坡场地的竖向地震反应及地表竖向反应谱影响显著,按规范的取值将偏于不安全。受地形条件影响,坡顶剪切地震反应会比坡脚反应要大,而竖向地震反应并不明显。土层边界面的地震反应要比周围反应要低,交界面效应明显。软斜坡场地地震反应特性除场地竖向地震反应自下而上先增加后减小的规律外,其他情形与硬斜坡场地的规律基本一致。该结果定量反映了竖向地震动的影响程度,为斜坡场地上考虑竖向地震动的建（构）筑结构的抗震设计提供了有益的基础。     

P波对大体积混凝土裂缝的扩展作用研究

根据断裂动力学理论及弹性P波与裂缝相互作用的分析,利用混凝土的动态断裂韧度,研究了大体积混凝土深层或贯穿裂缝在爆炸应力波P波作用下的扩展,得到了含裂缝混凝土的安全质点振动速度,并讨论了P波频率及其入射角对安全质点振动速度的影响。结果表明,频率越低、入射角越大的应力波对混凝土裂缝的扩展作用越大,频率为10 Hz垂直入射条件下,混凝土裂缝不扩展的安全质点振动速度仅为0.95 cm/s,与水利水电工程施工组织设计手册中规定的混凝土重力坝、混凝土闸墩等大体积混凝土结构的安全振速5 cm/s有较大差距,含裂缝混凝土更加容易被破坏。     

四川盆地火成岩发育区地震波传播规律及成像方法

多口钻井证实四川盆地西南部地区发育火成岩,火成岩主要分布在龙潭组内部,火成岩发育区地震资料存在岩下地震同相轴连续性较差、反射能量弱等现象,火成岩下屏蔽效应机理不清、岩下地震反射井震标定能量相位差异大,明确火成岩区地震波传播规律是地震资料采集、处理解释的基础。这里从地震波反射透射基本原理出发,阐述了火成岩地层的反射透射能量及对下伏地层的屏蔽机理,利用波动方程地震模拟及偏移,分析了不同火成岩分布模型对下伏地层地震信号的屏蔽作用,采用低频补偿、逆时偏移等方法改善岩下成像质量。结果表明:火成岩发育会不同程度导致下伏地层地震透射能量的衰减,纵向多套火层岩发育时,下伏地层屏蔽效应明显,发育区地震表现为类似生物礁的外形隆起、内部杂乱反射特征,下部多次反射较多且能量较强。通过低频优势频带保护处理、利用全波场波动方程偏移成像等方式可以改善岩下地震成像质量。     

地震液化条件下地面的大变形三维数值分析

地基液化条件下地面大变形是造成工程结构破坏的主要原因之一。考虑地形、地震、土层、地下水等影响因素,针对典型的岸坡场地3层土地基模型,利用有限差分法FLAC3D,对可液化场地在地震作用下发生地面大变形的过程进行了数值模拟。结果表明,临空面坡比愈大、地表坡度越陡,地基液化地表侧向位移值愈大;变坡度的场地在地震作用下发生的侧移要比单一倾斜率的场地大;地震最大加速度越大、地震持续时间越长,地基液化侧向位移、地表沉陷和隆起现象越严重;液化层的埋深、厚度以及地下水位都对地面大变形的产生有着不同程度的影响,应选择合理的地基处理方案进行处理。     

基于地面运动强度及标准贯入试验的上海地区砂土地震液化评价

上海市地处长江三角洲前缘,黄浦江和苏州河交汇区域,特殊的地理环境与沉积环境导致浅部砂层广泛发育。随着城市建设的不断推进,上海城市区域范围的砂土地震液化风险评价成为亟待研究的课题。文章基于上海市工程钻孔数据,结合地震地面运动加速度分布与标准贯入试验,建立区域性地震液化危险性评价模型,对上海市进行了地震液化危险性评价。研究认为当发生50年超越概率10%的地震条件下,上海市陆域面积的66.0%将不会产生地震砂土液化灾害,21.8%的陆域面积仅发生轻微液化,只有崇明、横沙、长兴三岛,黄浦江及苏州河两岸地震液化等级达到中等甚至严重,占全市陆域面积12.3%;50年超越概率2%的地震条件下,随着峰值地面运动加速度整体升高,全市范围内轻微—严重液化区域明显增多,可能发生地震液化的总面积达到全市陆域面积46.25%。上海市存在砂土地震液化的危险性,但是发生概率较低。研究认为,目前的抗震设计规范中上海市的设防烈度偏高,可能导致不必要的建设成本。同时研究中的不同超越概率下的地震液化危险性评价结果为上海市工程建设相关标准的合理化改进的提供了建议和参考。     

特殊地质结构层状岩体微震传播规律试验研究

矿山工程地质中往往存在断层和采空区,微震信号传播经过断层和采空区时,其传播规律必然会发生改变,因此研究特殊地质结构微震信号传播规律具有重要意义。基于惠更斯原理,考虑不同层状岩体中微震波传播速度不同,建立了非均匀介质条件下微震波的波面方程,进而获得波面半径与入射角之间的关系。结合室内相似材料模型实验,验证了波面方程的适用性,同时总结了断层、采空区对微震信号传播的影响特征。研究结果表明：微震信号穿过断层的用时更长,断层的存在导致信号的能量（最大振速）发生较大幅度的衰减;微震信号穿过断层后会以原来的速度继续传播,信号能量的衰减并不会使微震信号的传播速度发生衰减;微震波穿过断层时的入射角越大,穿过断层的用时越长,信号的能量衰减越多;采空区的存在导致微震信号的传播速度发生衰减,震源与监测点之间的距离越近,采空区对微震信号相对传播速度的影响越大。     

Investigation into the effect of fault properties on wave transmission

The estimation of wave transmission across the fractured rock masses is of great importance for rock engineers to assess the stability of rock slopes in open pit mines. Presence of fault, as a major discontinuity, in the jointed rock mass can significantly impact on the peak particle velocity and transmission of blast waves, particularly where a fault contains a thick infilling with weak mechanical properties. This paper aims to study the effect of fault properties on transmission of blasting waves using the distinct element method. First, a validation study was carried out on the wave transmission across a single joint and different rock mediums through undertaking a comparative study against analytical models. Then, the transmission of blast wave across a fault with thick infilling in the Golgohar iron mine, Iran, was numerically studied, and the results were compared with the field measurements. The blast wave was numerically simulated using a hybrid finite element and finite difference code which then the outcome was used as the input for the distinct element method analysis. The measured uplift of hanging wall, as a result of wave transmission across the fault, in the numerical model agrees well with the recorded field measurement. Finally, the validated numerical model was used to study the effect of fault properties on wave transmission. It was found that the fault inclination angle is the most effective parameter on the peak particle velocity and uplift. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

Evaluation of equivalent medium methods for stress wave propagation in jointed rock mass

This paper evaluates the existing equivalent medium methods for jointed rock mass and further develops the equivalent viscoelastic medium method proposed by the authors. The advantages and limitations of different equivalences to the discontinuous rock mass are discussed. Theoretical derivation of stress wave propagation through the equivalent viscoelastic medium is carried out by adopting the Fourier transformation method, and the parameters of the equivalent viscoelastic medium method are determined analytically. The frequency dependence and the wave attenuation phenomenon can be properly described when the imaginary terms of the complex moduli of the rock mass are included. The results show that the equivalent viscoelastic medium method is able to predict the effective velocity and the stress wave transmission coefficient in a rock mass more accurately than the conventional effective elastic moduli methods. An example of the stress wave propagation through rock mass with parallel joints shows that the equivalent viscoelastic medium method is promising and worthy to be further explored for application in practical rock engineering problems. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.