半空间双相界面夹杂和裂纹的反平面问题

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen_d031
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随着社会经济的快速发展,地下空间的合理利用受到社会各界人士的广泛关注。而地下空间工程结构的安全是人们最关心的问题之一,其影响因素有很多。介质缺陷广泛存在于地质结构中,地震发生时,介质缺陷在地震波的作用下其附近的动力特性会直接影响地质结构的强度和稳定性,进而对人民的生命财产和安全造成威胁。因此,研究地质结构各种缺陷附近的应力状态及缺陷间的相互影响对地下空间的有效使用和地下结构的合理设计具有重要的意义。SH波作为最为简单的弹性剪切波,其振动矢量和传播矢量可解耦,这使得研究其在复杂的界面、夹杂和裂纹等边界条件共同作用下的传播和散射具有数学物理上的可行性。因此,本文在已有研究成果的基础上,对弹性半空间双相介质界面夹杂及界面裂纹的动力反平面问题开展系统地理论研究,重点分析圆柱夹杂和界面裂纹对SH波的稳态散射,主要研究内容如下:(1)基于复变函数方法,利用“镜像”思想和多极坐标移动技术研究点源函数作用下含有半圆夹杂直角域的动力反平面特性,即本文所需Green函数。通过量纲分析得到无量纲参数和相似律,给出了对应的问题中Green函数的控制方程和边界条件。利用Fourier-Hankel波函数展开法构造延拓半空间中延拓圆柱的散射波,利用Fourier-Bessel波函数展开法构造延拓圆柱夹杂中的驻波,并通过Fourier展开法求解定解条件,给出Green函数的数值计算格式。最后,通过定义误差函数,对解析求解方法的正确性和数值计算方法的精度进行了分析,讨论所求得的Green函数在近场和远场的收敛性。(2)基于上述Green函数解答,利用量纲分析方法及波函数展开法研究稳态SH波入射下含有双相介质界面圆柱夹杂的弹性半空间的动力反平面特性。通过量纲分析得到无量纲参数和相似律,给出对应求解问题的控制方程和边界条件。对分区中平面波对界面半圆柱夹杂的散射进行求解,得到了对应的数值计算矩阵格式。最后,构造不同区域中平面波、散射波以及界面夹杂中的驻波位移场及应力场,讨论远场及近场问题中的契合条件、定解方程及其数值解答。(3)基于上述契合模型,引入界面裂纹,研究稳态SH波入射下含有双相介质界面圆柱夹杂和界面裂纹的弹性半空间的动力反平面特性。利用契合方法构造不同深度和长度的裂纹,并建立定解积分方程数值计算的矩阵格式。以浅埋夹杂短裂纹为具体算例,对比有无裂纹时圆柱夹杂内外边沿径向和周向的动应力集中系数的分布情况以及半空间水平边界上无量纲位移幅值,重点讨论界面裂纹的存在对含双相界面夹杂半空间动力反平面特性的影响。最后,根据双相界面上契合应力和圆柱夹杂边沿应力的分布情况,引入两个互为倒数的无量纲参数,即开裂数和脱胶数,并以此来评估界面开裂和夹杂脱胶之间的竞争关系。本文立足于学科前沿,利用最新的研究思路对SH波作用下双相介质半空间的弹性动力反平面稳态问题进行了系统深入的研究,其研究结果为地下空间工程结构的抗震和防护提供重要的理论依据和参考价值。
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