边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法技术

技术编号:14818071 阅读:79 留言:0更新日期:2017-03-15 11:54
本发明专利技术提供了边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法,属于地质灾害分析与防治领域。该方法主要包括六个步骤:边坡建模;任一方向入射地震体波激励在边坡底部激振边界上各节点的启动时序分析;不同震相体波激励作用在边坡底部各节点处产生的应力分量时程计算;边坡底部激振边界节点不同体波震相波动应力分量的叠加时程计算;边坡底部激振边界节点体波激振输入;边坡模型中各节点动力响应结果提取。本发明专利技术可以解决边坡地震响应数值模拟中任一方向入射地震波输入的难题,实现地震平面体波任一方向的入射,包括斜入射和垂直入射,揭示不同入射方向地震平面体波对边坡地震动力响应的影响和地震边坡破坏的多样性,具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及边坡地震响应及稳定性分析领域,尤其涉及边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法
技术介绍
我国是一个多地震国家,地震诱发的边坡失稳会直接威胁到人民的生命财产安全,因此边坡地震稳定性研究意义重大。然而,地震诱发边坡失稳有很大的不确定性,这种不确定性主要来自边坡自身性状和潜在地震作用两个方面,边坡自身性状属于地震边坡失稳的易发条件,包括边坡岩土体结构和物理力学性质以及边坡几何形状;潜在地震作用属于边坡失稳的诱发因素。对于一个具体的边坡,可以认为边坡的自身性状相对确定,主要的不确定性来自于未来的地震作用,也就是诱发因素。传统工程地震学将地震动力作用归纳为地震动的强度、频率和持续时间,即所谓的“地震动三要素”,对地震动力作用方式(即,地震动力作用方向和作用性质)这一要素考虑够。目前,在一般场地土层或结构的地震反应分析中,通常假定地震波为S波垂直入射,即场地下水平激振边界上各点的入射地震波动相同且同步水平振动。这对于震源距离较近的场地地震反应问题是合理的,然而对于震源较远(特别是浅源地震并且震源与工程场地有一定距离时)的场地地震反应问题而言,地震波并非垂直入射,而是以一定的方位和入射角向场地入射,场地激振边界各点起振不同步,从而导致场地不同位置地震动呈现出显著的相位差异和地震动力作用性质的变化。当研究对象为大型结构工程或者高边坡时,斜入射引起的地震动力响应与垂直入射相比会有很大的不同。目前,斜入射带来的地震动力响应问题并没有受到足够的重视。综上所述,当前边坡地震动力响应研究中,地震荷载的输入方法单一,很少考虑地震波从不同方向斜入射的问题,同时也很少考虑不同震相地震波的作用。同时,输入地震波的频率、持时选择和不同震相地震波叠加处理考虑不够完善。因此,在边坡地震动力响应分析中,急需一套任一方向平面体波入射激振的模拟技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足,提供一种边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振的点源叠加模拟技术方法,建立一套任一方向入射平面体波的激振方案。为实现上述目的,本专利技术以波传播的惠更斯原理为基础,提供了一种边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法,包括以下步骤:(1)边坡建模;(2)根据惠更斯原理分析边坡模型底部激振边界上各节点不同体波震相波动应力时程的启动时序,确定各个节点的启动时差,计算各个节点的启动时刻;(3)根据不同震相体波的传播特点和偏振特性,获得各震相体波的位移矢量,将波动位移矢量带入几何方程、物理方程,得出各震相地震波激励作用在边坡模型底部激振边界各节点处产生的各应力分量时程表达式;(4)考虑波传播的实际情况,将边坡模型底部激振边界各节点上不同震相波动的应力时程分量按时序叠加,得到各应力分量的叠加应力时程;(5)在数值模拟软件中按节点启动时序向边坡模型底部激振边界上各节点输入各应力分量的叠加应力时程;(6)提取边坡模型的地震动力响应结果,获得边坡地震动力响应云图和监测点的地震动力响应加速度、速度和位移时程。进一步,步骤(1)具体包括:边坡模型底部激振边界一般设置为水平面(简称为“激振面”),按一定的网格密度剖分激振边界(边坡模型底层按六面体网格剖分,网格尺寸的大小满足:六面体边长小于入射地震波最高频率对应波长的1/10至1/8),剖分网格线交点构成激振边界的节点,从而将空间上连续的地震波激振作用离散为激振边界上各个节点的激振作用。进一步,所述步骤(2)具体包括:当地震波垂直入射时,边坡模型底部激振边界上所有节点同时启动,称这一启动时刻为边坡初动时刻,设置为t0;当地震波斜入射时,将边坡模型底部激振边界上最先受到地震波扰动的节点称为边坡初动点,该点的启动时刻称为边坡初动时刻,同样设置为t0,激振边界上任一网格节点pij的起振时刻记为tij,由下式求得:式中:tij为边坡模型底部激振边界上任一网格节点pij的启动时刻,i=0,1,…,n-1,为该节点在激振面内建立的局部坐标系X方向的序号,i=0为初动点的序号,X轴正向指向节点序号增加的方向,原点与初动点重合;j=0,1,…,m-1,为该节点在激振面内建立的局部坐标系Y方向的序号,j=0为初动点的序号,Y轴正向指向节点序号增加的方向,原点与初动点重合;t0为边坡初动时刻;lij为地震波波前沿入射方向由初动点传至边坡模型底部激振边界上任一节点pij所经过的距离,当地震波垂直入射时,lij=0,此时,根据边坡激振面的具体情况,可将局部坐标系原点设置在激振面的某个角点上,将激振面置于该局部坐标系的第一象限;c为边坡激振边界以下介质的弹性波速,纵波取cP,横波取cS;无论地震波垂直入射还是斜入射,边坡初动时刻t0都等同于地震波到达边坡的时刻。进一步,步骤(3)中,各体波震相包括:纵波(P,所引起的质点振动位移方向与波传播方向一致)、横波(S,所引起的质点振动位移方向与波传播方向正交);考虑横波振动矢量与体波入射面(体波射线与边坡底部激振面法线决定的平面,为铅垂面)的关系,可将横波振动矢量进一步分解为入射面内的振动分量SV波和垂直于入射面的振动分量SH波;再考虑各体波震相(P、SV、SH)波动位移的初动方向,P波可分为初动向前的压缩波P+和初动向后的拉伸波P-;沿波传播方向向前看,在入射面内观察SV波、垂直于入射面观察SH波,SV和SH波均可分为初动向右的右剪波SV+、SH+和初动向左的左剪波SV-、SH-。进一步,步骤(4)中,边坡模型底部激振边界上各节点不同体波震相波动的应力时程按分量叠加包括两种震相的叠加(12种:P++SV+、P++SV-、P-+SV+、P-+SV-、P++SH+、P++SH-、P-+SH+、P-+SH-、SV++SH+、SV++SH-、SV-+SH+、SV-+SH-)和三种震相的叠加(8种:P++SV++SH+、P++SV++SH-、P++SV-+SH+、P++SV-+SH-、P-+SV++SH+、P-+SV++SH-、P-+SV-+SH+、P-+SV-+SH-)共计20种情况,叠加公式根据步骤(3)进一步推导而来;在进行不同体波震相应力分量时程叠加时,应首先确定各节点上各个震相的到达时刻和持续时间,然后按节点上各个震相的启动时序完成边坡模型底部激振边界上各个节点处不同体波震相波动应力分量时程叠加,获得各节点处体波震相波动应力分量叠加时程。进一步,步骤(5)中,将经步骤(4)获得的体波震相波动应力分量叠加时程按启动时序加载到激振面的各个节点上。进一步,步骤(6)中,自边坡初动时刻t0起,数值模拟系统即开始记录边坡模型中各个节点的地震动力响应过程,并根据研究需要提取不同时刻的边坡地震动力响应云图以及边坡模型任一监测点的地震动力响应加速度、速度和位移时程。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:通过提供一种能在边坡地震响应数值模拟中实现任一方向入射平面体波激振的方法,建立一套边坡受任一方向入射平面体波激励的数值模拟方案,以揭示特定边坡地震破坏的多样性,进而估算特定方式边坡破坏的可能性。附图说明图1为本专利技术边坡地震响应数值模拟中任一方向斜入射平面体波激振方法的流程图。图2为本专利技术边坡地震响应数值模拟中垂直入射平面体波激振的惠更斯原理示意图。图3为本专利技术边坡地震响应本文档来自技高网
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边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法

【技术保护点】
一种边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)边坡建模;(2)根据惠更斯原理分析边坡模型底部激振边界上各节点不同体波震相波动应力时程的启动时序,确定各个节点的启动时差,计算各个节点的启动时刻;(3)根据不同震相体波的传播特点和偏振特性,获得各震相体波的位移矢量,将波动位移矢量带入几何方程、物理方程,得出各震相地震波激励作用在边坡模型底部激振边界各节点处产生的各应力分量时程表达式;(4)考虑波传播的实际情况,将边坡模型底部激振边界各节点上不同震相波动的应力时程分量按时序叠加,得到各应力分量的叠加应力时程;(5)在数值模拟软件中按节点启动时序向边坡模型底部激振边界上各节点输入各应力分量的叠加应力时程;(6)提取边坡模型的地震动力响应结果,获得边坡地震动力响应云图和监测点的地震动力响应加速度、速度和位移时程。

【技术特征摘要】
1.一种边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)边坡建模;(2)根据惠更斯原理分析边坡模型底部激振边界上各节点不同体波震相波动应力时程的启动时序,确定各个节点的启动时差,计算各个节点的启动时刻;(3)根据不同震相体波的传播特点和偏振特性,获得各震相体波的位移矢量,将波动位移矢量带入几何方程、物理方程,得出各震相地震波激励作用在边坡模型底部激振边界各节点处产生的各应力分量时程表达式;(4)考虑波传播的实际情况,将边坡模型底部激振边界各节点上不同震相波动的应力时程分量按时序叠加,得到各应力分量的叠加应力时程;(5)在数值模拟软件中按节点启动时序向边坡模型底部激振边界上各节点输入各应力分量的叠加应力时程;(6)提取边坡模型的地震动力响应结果,获得边坡地震动力响应云图和监测点的地震动力响应加速度、速度和位移时程。2.根据权利要求1所述的边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法,其特征在于,所述步骤(1)具体包括:将边坡模型底部激振边界设置为水平面,按预设的网格密度剖分激振边界,剖分网格线交点构成激振边界的节点,以使空间上连续的地震波激振作用离散为激振边界上各个节点的激振作用。3.根据权利要求2所述的边坡地震响应数值模拟中任一方向入射平面体波激振方法,其特征在于,所述步骤(2)具体包括:当地震波垂直入射时,边坡模型底部激振边界上所有节点同时启动,称这一启动时刻为边坡初动时刻,设置为t0;当地震波斜入射时,将边坡模型底部激振边界上最先受到地震波扰动的节点称为边坡初动点,该点的启动时刻称为边坡初动时刻,同样设置为t0,激振边界上任一网格节点pij的起振时刻记为tij,由下式求得:tij=t0+lijc=t0+iΔxcosα+jΔysinαcsinθ]]>式中:tij为边坡模型底部激振边界上任一网格节点pij的启动时刻,i=0,1,…,n-1,为该节点在激振平面内建立的局部坐标系X方向的序号,i=0为初动点的序号,X轴正向指向节点序号增加的方向,原点与初动点重合;j=0,1,…,m-1,为该节点在激振平面内建立的局部坐标系Y方向的序号,j=0为初动点的序号,Y轴正向指向节点序号增加的方向,原点与初动点重合;t0为边坡初动时刻;lij为地震波波前沿入射方向由初动点传至边坡模型底部激振边界上任一节点pij所经过的距离...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙进忠郑旭辉熊峰邵安阳梁志华
申请(专利权)人:中国地质大学北京
类型:发明
国别省市:北京;11

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