层状空间操作解读

本文着重从空间操作的视角分析了四个案例,分别从切割与变形、错位与压缩、切入与缩放三个方面阐述了层状空间的具体设计方法,以期在学科内部深化空间研究。

层状空间矿井直流电法超前探测曲线特征研究

为研究井下不同地层条件下的矿井直流电法超前探测视电阻率曲线响应特征,建立了全空间水平3层和5层介质模型,对巷道所在层及巷道上覆岩层的厚度、电阻率等因素变化对超前探测的影响进行了数值模拟。通过对比分析,形成了一些关于超前探测方面的新认识,这些认识对于超前探测的数据采集以及资料解释有实际应用价值。

电磁散射在层状空间目标的FDTD计算

研究用于分析层状空间目标电磁散射特性的时域有限差分(FDTD)方法。从二维Maxwell方程出发,导出带有入射角的一维修正Maxwell方程组及辅助方程,来计算二维总场-散射场(TF/SF)垂向边界上电磁场,从而在层状空间中实现直接时域形式的均匀平面波入射;为避免复杂的Sommerfeld积分,用互易原理得到简化的外推算法。用该方法对半空间目标电磁散射场和层状有耗空间中的线电流辐射场进行计算,在半空间近场区域得到了良好的均匀平面波,并且远场与已有文献结果和解析解结果都吻合较好,表明本算法和程序是正确和有效的。用该算法对多层状空间中的隧道、隧道内通车辆等目标以及隧道和车辆在无耗层状空间中的电磁散射特性进行研究。结果表明,金属车体对远区散射场贡献较大,且介质层的损耗特性影响着其对车体的屏蔽能力。

层状半空间中典型局部地形地震波散射IBEM结果:二维频域位移幅值

局部地形对地震动影响的本质是不规则体对地震波的散射,目前对此问题的研究仍主要依赖于各类数值方法。近年来,笔者提出了基于层状半空间中均布荷载动力格林函数的间接边界元方法(IBEM),从维度方面已涵盖二维、2.5维和三维,从介质方面已涵盖各向同性、横观各向同性的弹性和饱和介质,从地形方面包括凹陷、凸起和沉积。广泛验证表明,该方法不仅精度高,而且对复杂几何形状适应性强。为便于其他数值研究的对比验证,笔者将前期研究成果进行整理与补充,给出了各向同性弹性介质中二维凹陷、凸起和沉积对平面SH波、P波和SV波的散射结果。

层状半空间中的多模问题和瑞利波勘探

作者在本文中研究了弹性层状半空间的导波传播问题。对于实波数的导波 ,严格证明了频散函数为实函数 ,并用二分法求出了所有可能的沿层状介质传播的导波模式。结果表明 ,在弹性层状半空间中 ,一般存在无穷多个导波模式。实际勘探中接收到的导波是这些所有模式叠加的结果 ,这种多模性反映了低速层的存在。在文中 ,我们还得到了与实际接近的成“之”字形的导波频散曲线。

层状半空间中周期分布凸起地形对平面SH波的散射

提出了一种新的以层状半空间中周期分布斜线荷载动力格林函数为基本解的间接边界元方法,研究了周期分布凸起地形对平面SH波的散射问题.方法将散射波场分解为凸起内部散射波场和凸起外部散射波场.凸起内部散射波场通过在凸起闭合边界上施加虚拟斜线荷载产生的动力响应来模拟,而凸起外部散射波场则通过在凸起与半空间交界面上施加虚拟周期分布斜线荷载产生的动力响应来模拟.周期分布斜线荷载动力格林函数的引入,使得本文方法仅需针对一个凸起进行边界单元的离散和求解,便可完成问题的求解,避免了通过截断无限边界求解而引入的误差,方法具有较高精度的同时显著降低了求解自由度.文中通过与已有结果的比较,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周期分布凸起为例进行了数值计算分析.研究表明,凸起间距对凸起地形间的动力相互作用有着显著的影响,同时层状半空间中周期分布凸起地形对SH波的散射与均匀半空间情况也有着显著的差别.

层状半空间中导波的传播

研究了在弹性层状半空间中传播的导波的频散及激发机制,分别在含有两层和三层介质情况下,详细分析了对称点源激发的所有可能存在的导波模式的传播特性以及它们与介质参数的相互关系,研究了表面波和能陷波的激发与传播机理。对于速度递增的介质,可存在多个模式,但对于速度递减的介质模型,至多只存在一个导波模式。在含有低速夹层情况下,存在沿低速层传播的能陷模式。能陷波和表面波的传播特性不仅与介质参数有关,而且还与声源频率有关。

弹性层状半空间中沉积谷地对入射平面SH波的放大作用

对Wolf理论进行拓展,使之可解决沉积谷地对波的散射问题,进而利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中沉积谷地对入射平面SH波的放大作用问题。通过自由场反应分析,求得假想边界上各点的位移和各单元的应力反应。施加虚拟均布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力和位移连续边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场反应和虚拟分布荷载产生的反应叠加起来,即得到问题的解答。最后,以基岩上单一土层中沉积谷地对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析,结果表明,层状半空间中沉积谷地和均匀半空间中沉积谷地对波的放大作用存在显著差别。文中分析了造成差别的原因,并讨论了覆盖层厚度和刚度对放大作用的影响。

弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射平面SH波的三维散射(Ⅱ)——数值结果与分析

以基岩上单一土层场地为例,计算分析了在斜入射平面SH波作用下弹性层状半空间中无限长洞室附近的地表位移.研究表明,层状半空间中地下洞室对波的散射与均匀半空间情况存在显著差别.层状场地由于考虑了场地自身的动力特性,使得洞室附近地表位移幅值的空间变化更为复杂,基岩与土层刚度比、土层厚度对散射效应均有着重要影响.随着基岩与土层刚度比的增大,地表位移幅值整体上逐渐增大;随着土层厚度的增大,土层对地表位移幅值的影响逐渐减小.在频域解答的基础上,给出了层状半空间中洞室对斜入射SH波散射的时域解答,并以Ricker波为例进行了数值计算.

弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射平面SH波的三维散射(Ⅰ)——方法及验证

利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射平面SH波的三维散射问题.通过与文献结果进行对比,验证了本方法的正确性.与工程中常用的二维模型比较表明,工程中将三维散射问题简单地分解为平面内问题和平面外问题的做法存在较大误差.文中并研究了斜入射角度对散射的影响,表明斜入射角度对地表位移幅值有着重要影响.

层状半空间场地对地震波的放大作用

应用Haskell-Thomson方法求解加速度问题,并采用入射波幅值为基准来研究不同土层性质场地对地震波的放大作用,比认为土层下为刚性基岩且基岩处位移(加速度)已知的方法更符合实际。研究了天津市和平区和南开区两场地对加速度地震波的放大作用:分析了不同刚度土层的排列次序对场地整体放大作用的影响,对规范中场地特征周期的取值范围进行了探讨;

层状半空间中洞室群对地震动的时域放大作用

采用间接边界元法和频域变换方法研究了层状半空间中洞室群对地震动的出平面时域放大作用,并以天津地区典型场地为例分析了洞室间距和入射地震动频谱对放大作用的影响。研究表明,洞室群对地震动的放大作用非常大,与自由场相比,地表加速度峰值放大32.1%,地表加速度反应谱峰值放大85.2%,洞室群对地震动的频谱也有明显影响;洞室间距越小,洞室之间的相互影响越大,对地震动的放大作用越大。研究对于地铁沿线设计地震动的估计具有参考价值。

弹性层状半空间中凸起地形对入射平面SH波的放大作用

对Wolf理论进行拓展,使之可解决凸起地形对波的散射问题,进而利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中凸起地形对入射平面SH波的放大作用问题。本文模型的显著特点之一是考虑了层状半空间的动力特性以及层状半空间和凸起地形的阻尼;特点之二是计算精度高。文中以基岩上单一土层中半圆凸起地形对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析。研究表明,基岩上单一土层中凸起地形对入射平面SH波放大作用和均匀半空间中凸起地形有着本质的差别;土层动力特性不仅影响凸起地形地表位移的幅值,还会影响地表位移的频谱;阻尼会显著降低凸起地形对高频波的放大作用。

层状半空间中洞室对入射平面P波的放大作用

文中利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面P波的放大作用问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各单元的应力响应。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P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。

平面SV波在层状半空间中沉积谷地周围的散射

采用间接边界元方法求解了入射平面SV波在层状半空间中沉积谷地周围的散射问题。问题的解答包含自由场和散射场两部分。自由场可由直接刚度法求得,散射场由层状半空间中斜线荷载动力格林函数来模拟。文中以入射平面SV波在基岩上单一土层中沉积谷地周围散射为例研究了土层和沉积谷地周围的影响。结果表明,由于考虑了土层的动力特性,平面SV波在层状半空间中沉积谷地周围的散射与均匀半空间中沉积谷地情况有本质差别。

层状半空间中洞室对平面SH波的放大作用

利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中洞室对入射平面SH波的放大作用问题,并以基岩上单一土层中洞室对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析。本文模型的特点之一是考虑了层状场地的动力特性,因而更接近于实际工程;特点之二是计算精度非常高。研究表明,层状半空间中洞室对波的放大作用与均匀半空间中情况有着本质的差别;层状半空间中洞室附近地表动力响应由土层动力特性和洞室对波的散射二者共同决定。土层动力特性不仅影响洞室附近地表位移的幅值,还会影响地表位移的频谱。在土层的前几阶共振频率附近,随着基岩与土层剪切波速比的增大,土层的影响随之增大,而随着土层厚度的增加,土层的影响随之减小,并逐渐趋于均匀半空间情况。

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。

流体饱和层状半空间中沉积谷地对地震波的散射—IBIEM求解

针对流体饱和层状半空间中任意形状沉积谷地对地震波的散射问题,基于单层位势理论,建立一种新的间接边界积分方程法(IBIEM):首先推导饱和层状半空间中两类膨胀波源和剪切波源动力格林函数,进而由分布在沉积谷地和层状半空间交界面附近两虚拟波源面上的PI、PII和SV波源分别构造沉积内外的散射波场。由交界面连续性条件建立方程并求解确定虚拟波源密度,总波场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,验证了方法的计算精度。通过一组典型算例,初步探讨了平面SV波在饱和层状半空间中沉积谷地周围散射的基本规律。研究表明:饱和层状沉积对地震波的散射和相应干土情况存在显著差异,边界渗透条件对沉积内部地震响应具有重要影响;饱和层状场地中波的散射和均质半空间情况有着本质不同,总体反应体现了饱和土层的共振放大效应和沉积谷地对波的散射效应。实际场地中地震波传播的精确模拟需考虑岩土介质的多相性和层理特征。

层状弹性半空间中群桩竖向沉降简化分析

传统的Poulos弹性理论法基于弹性半空间的Mindlin解,仅适用于弹性半空间中的群桩分析,无法考虑土的层状特性。通过引入层状弹性半空间中轴对称问题的应力和位移解答,将群桩的相互作用系数方法推广到层状弹性半空间中。首先采用有限差分法推导了层状弹性半空间中单桩和两根桩的解答,然后运用Poulos提出的相互作用系数方法考虑桩与桩的相互作用,进而给出了层状弹性半空间中群桩的竖向沉降分析过程。算例分析表明:在弹性半空间群桩分析中,与Poulos的相互作用系数方法和Butterfield和Banerjee的边界元方法结果吻合较好,在双层地基群桩分析中,与Chin和Chow基于双层地基精确解的边界元方法较吻合,与传统弹性理论法相比,本文方法应用范围更广,可用于不等长群桩的沉降分析。

轴对称半空间层状弹性体系动态反应的理论解

利用Ｌａｐｌａｃｅ－Ｈａｎｋｅｌ联合积分变换和传递矩阵相结合的方法推导出了轴对称半空间层状弹性体系动态反应的理论解。为进行路间结构的动态反应分析和路面材料参数的动态反算提供了一种行之有效的分析方法。通过理论计算结果与ＦＷＤ的测试数据的比较，证明了本文理论推导的正确性。