非均匀饱和土中Love波的传播

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地基土体中含有大量的液态水使得岩土勘察及地下工程中多遇到含液饱和土;此外,由于土体的自重作用,以及土体在沉积过程中自身因素与外界因素的影响,使得地基呈现出非均匀性。因此,开展非均匀饱和土中地震波的传播特性研究,研究弹性波在非均匀饱和土中的传播,对地震工程、岩土工程、海洋工程等学科有着重要的理论意义和实践意义。文中概述了饱和多孔介质在动力学理论的研究历史,总结了国内外学者对饱和多孔介质波动响应的研究工作及其成果;在此前提下,本文基于 Biot理论,以非均匀饱和多孔介质组成的地基为研究对象,理论推导结合数值模拟研究了具有反平面运动特性的 SH型波的动力特性,讨论了 love波和SH波在非均匀饱和地基中的传播特性和动力响应等特性。  Biot理论作为饱和多孔介质的基本理论,从研究对象、研究方法和研究中遇到的困难以及容易混淆的相关概念等各个方面出发,给出了全面的知识储备和分析过程,研究内容和主要结论如下:  1、结合含液饱和多孔介质的波动理论,综合论述了 Biot理论和混合物理论的相关内容;重点分析了 Biot理论的研究现状、适用范围及其应用,并讨论了 Biot理论中的弹性材料系数的相关性质及其变化,为后续应用Biot理论提供可靠的依据和实用性的参考。  2、分析现有研究中的地基类型,重点讨论不同类型的非均匀地基,给出四类地基的非均匀性的假设函数,并对第四类地基对应的弹性模量做了简单的数值分析,给出了数值模拟结果。结果表明梯度幂函数假设具有较好的函数收敛特性,比较适合用于表征地基的非均匀特性。  3、以Biot理论为研究基础,假设饱和土地基的非均匀性表现在土体的物理力学特性参数沿土层深度按梯度幂函数变化,讨论了 SH波从基岩入射并在非均匀饱和土中多次反射和透射后引起的地面位移与基岩位移的变化规律。结果表明 SH波在非均匀饱和土中的传播均受到地震波的入射角、入射频率、土层厚度和土体非均匀指数等的影响较大,且厚土层对地震波的耗散作用更明显。  4、通过对 Love波相关知识的综述介绍,研究了物理力学特性沿土层深度连续变化的非均匀饱和土中Love波,主要对其传播特性及动力响应做了分析研究,采用变量替换法和WKB法讨论了 Love波在非均匀饱和土半空间及覆盖层中的弥散特性。结果表明 Love波的能量多由前几阶模态携带,故其衰减速度比较快;且饱和多孔介质的非均匀性和孔隙率等材料特性对Love波的传播也有很大影响。  本研究将对非均匀材料力学和混合物连续介质理论的纵深发展有促进作用;有利于人类开发和利用地下资源,还可以帮助科学家们探索地球的内部构造,并对地震等动荷载作用时地下结构物的反应以及土-结构相互作用等工程问题具有重要意义。
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