半空间界面圆形孔洞与裂纹对SH波的散射

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天然形成或人为回填的地质条件多种多样,发展建设的地下结构日新月异,当在固体介质中传播的弹性波遇到嵌于连续或间断介质内的孔洞等缺陷时,弹性波将产生反射、折射及散射等波场。这些波场导致孔洞等动应力和地表位移增大而引起的破坏作用,直接关系到矿井巷道、地铁隧道等地下结构建设和使用过程中人民生命财产的安全,所以掌握弹性波的传播规律和地下结构对弹性波的动力效应是必要的。而SH波是一种出平面运动的弹性波,能为解决许多未知边值问题提供简单的力学模型和成熟的理论,因此本文对工程实际问题中抽象出的铅垂半空间内双相介质水平界面上并存圆形孔洞与裂纹的力学模型,进行了SH波散射问题的研究。本文研究内容概括如下:  (1)研究出平面线源荷载对直角域水平界面上半圆形凹陷的散射问题。  为了将适用于各向同性均匀介质中的Helmholtz控制方程应用于求解双向介质中SH波的散射问题,则要借助于“剖分”、“契合”技术,沿着两个不同介质的分界面“剖分”为两部分分别研究,再依据界面应力位移连续条件将这两部分“契合”成一体。而“契合”成整体,则需要先已知两个四分之一空间中含有半圆形孔洞的水平界面上作用出平面线源荷载时的Green函数。本文利用“镜像法”,构造出散射波的Green函数,建立起求解该散射问题的解析解。最后,结合散射波的衰减特性和编程计算方法将该问题的无穷代数方程组直接离散,给出该问题地表位移幅值的分布规律。  (2)研究SH波对铅垂半空间双相介质水平界面上圆形孔洞的散射问题。  首先,沿着水平界面将半空间“剖分”为上下两个四分之一空间。然后,直接采用已构造的Green函数和界面连续性条件,将上下两个直角域空间在界面处“装配”起来,构成“契合”计算模型,将求解的该散射问题归结为求解关于确保“剖分”界面上应力平衡与位移连续的外力系的无穷代数方程组,即可获得该问题的解析解。最后,给出该问题圆孔边缘动应力的分布规律。  (3)研究SH波对铅垂半空间水平界面上圆形孔洞与界面裂纹的散射问题。  首先,借助构造裂纹的“切割”技术和“剖分”手段,沿水平界面将半空间一分为二。然后,利用 Green函数和“契合”条件进行“装配”。最后,利用 Helmholtz控制方程和编程计算方法,获得该问题孔边动应力集中系数(DSCF)和裂纹端点动应力强度因子(DSIF)的解析解及其分布规律。
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