剪切波在不连续界面中的传播 (解析解)

文摘   科技   2024-09-30 08:02   内蒙古  
1. 引言

本例研究了一个平面不连续界面对入射剪切波传播的影响,探讨了剪切波传播和平面不连续性相互作用的物理问题,这个问题涉及到波动力学、弹性力学和数值模拟(3DEC)等领域,主要探讨了波在不连续界面处的反射、透射和能量耗散情况,以及这些现象的定量关系,旨在探究地质结构中的不连续面如何影响地震波的传播特性。


2. 剪切波的概念

剪切波(也称为横波或S波)是一种机械波,其传播方向与介质质点的振动方向垂直。当剪切波在介质中传播时,质点会在垂直于波传播方向的方向上振动。剪切波在地震中非常常见,地震中的S波就是一种剪切波。当地震发生时,地壳产生的弹性变形通过介质中的剪切力传播出去,形成了剪切波。与纵波(P波)相比,剪切波的传播速度较慢,但它们会引起更明显的地面摇晃和物体摆动。

《计算岩土力学》之前主要讨论的是剪切波在岩土工程中的应用,特别是岩土参数的估算和土的液化判别,例如:


3. 问题描述
两种均匀、各向同性、半无限的弹性介质被一个具有有限剪切强度的平面不连续界面分割(图中的水平线表示不连续界面)。当个平面谐波剪切波垂直入射到这个不连续界面时,会在界面处产生滑移,从而导致摩擦能量耗散,于是入射波的能量在不连续界面处会被反射、透射和吸收。
该图显示了入射的谐波剪切波在不连续界面处的透射和反射情况:
(1) 反射波U_R,部分波会被反射
(2) 透射波U_T,部分波会透过界面继续传播

(3) 吸收波U_I,部分波由于摩擦导致耗散


4. 解析解
Miller (1978) 对上述问题给出了计算透射系数、反射系数和吸收系数的解析解:
其中  

EI 是入射波的能量通量,  

ET 是透射波的能量通量, 

ER 是反射波的能量通量。

R是反射系数(Reflection), 

T是透射系数(Transmission), 

A是吸收系数(Absorption)

# 计算 R, T, Adef calculate_coefficients(E_R, E_T, E_I):    if E_I == 0:        return 0, 0, 1  # Avoid division by zero    R = np.sqrt(E_R / E_I)    T = np.sqrt(E_T / E_I)    A = np.sqrt(max(0, 1 - R**2 - T**2))    return R, T, A

入射波的能量通量EI由下式计算

其中

σs 是剪切应力, 

vs 是x方向粒子速度,

T=2*.PI/omega是入射波的周期;

omega是入射波的频率。

对于弹性介质,由如下关系式:

其中:
rho是材料的密度;

c是剪切波传播的速度;

v_s是粒子速度。

这些能量通量与剪切应力、粒子速度及入射波频率等因素相关,Miller的解决方案为不同情况下的不连续面提供了透射、反射和吸收系数的具体数值,这些数值可以与数值模拟结果进行比较,以验证模型的准确性和有效性。入射波的能量通量 EI在点 A 处计算,该点假设在界面处没有滑移;透射波的能量通量 ET 在点 B 处计算,假设在界面处发生滑移;反射波的能量通量 ER则通过计算滑移和无滑移两种情况下的速度差来求得。上述算法写在一个原型代码(miller.py)中。

计算岩土力学
2024年5月8日,《计算岩土力学》建立4周年啦!
 最新文章