基于解析解的海域环境下地震波传播特征研究

The infrastructure constructions in sea area have become an important part of our country’s construction, which plays a great role in promoting the development of our economy and society. Major accident might be triggered off in case of disaster; therefore, the seismic safety is vital important. However, there are few researches on key mechanics problems of geotechnical earthquake engineering in water environment. A perfect theory of wave propagation in water environment has not been established. It is really needed to strengthen our research on this area, and establish important support on the demand of our country. In this project, we take the typical ground in sea environment as a research project, and investigate the wave propagation in the sea area subjected to natural earthquake or artificial seismic source, and try to reveal the characteristics of seismic wave propagation in the sea filed. And then, by using the wave superposition method, we study the wave scattering behaviour of the local irregular topography in the sea area. By using the integral transform method, we obtain the analytical solutions for transient response of ground in water subjected to various types of wave source, and reveal the formation mechanism and propagation rule of the head wave and fluid-solid interface wave. At last, we establish the calculation system of wave propagation and improve the theory of wave motion in the sea area, and establish solid theory foundation for the important research on land-ocean interaction, and waters integrated observing system and other scientific experiments.

海域环境下的基础设施建设，已经成为我国基础建设的一个重要内容，对我国经济和社会发展具有巨大的推动作用。这些基础设施一旦发生灾害，极可能产生重大安全事故，其地震安全性至关重要。目前，针对海域环境下地震工程中的关键力学问题的研究较少，尚未建立完善的波动理论体系，急需加强相关研究，形成对国家需求的重要支撑。本项目拟以典型的海域场地为研究对象，针对天然地震和水中人工激发的地震波在水域场地内的传播过程开展研究，揭示海域环境下地震波传播特征。运用波场叠加原理等方法，研究海域场地中局部不规则地形对地震波的散射影响；运用积分变换等计算手段，给出多种点源或线源作用下海域场地的瞬态响应解析解，揭示流-固界面波和首波的形成机制及传播规律。建立地震波在海域内传播过程的计算体系，完善海域环境下地震波传播基础理论,为陆海相互作用、海域综合观测系统与科学实验等重大科学研究打下坚实的理论基础。

海域环境中地震波动理论体系尚未建立，是海域地质灾害防治和基础设施防灾减灾研究的瓶颈，急需加强相关研究，形成对国家需求的重要支撑。本项目以典型海域场地为研究对象，通过解析解来揭示地震波在海域环境下的传播规律。主要开展五个方面的研究工作：（1）垂直入射压缩波作用下海域场地瞬态响应研究；（2）海水-海床界面条件对海床动力响应的影响；（3）海床底部透水性能对地震波传播影响研究；（4）海底线荷载作用下海域场地瞬态响应解析解；（5）地震波作用下倾斜海床稳态响应研究。通过研究发现：流体-固体界面条件对渗透系数高的海床有显著影响，对渗透系数低的海床只有轻微影响。流体-固体界面条件对界面上通过反射或透射产生的第二类压缩波有显著影响，但几乎不影响第一类压缩波。在相同激励条件下，不同透水性能的沉积层中产生的两类压缩波的振动幅值具有显著的差异；沉积层底部透水条件会影响海床的频率响应特性，低频时底部透水模型的位移放大系数较大；相反，高频时底部不透水模型的位移放大系数较大。流-固界面处首波非常复杂，不同深度处波速各不相同。对于S波源，总能观测到首波的出现；对于P波源，仅当流体波速大于固体压缩波波速，波从固体透射到流体中时才会发现首波。水平海床表面的固体位移放大系数始终是恒定的，而倾斜海床的固体位移放大系数则沿海床表面周期性地变化；即使使用相同海水深度的模型，也不能用水平海床来分析倾斜海床的动态响应，否则会出现重大误差。通过本项目，课题组初步建立了海域环境下地震波传播理论体系，为陆海相互作用、海域综合观测系统与科学实验等重大科学研究打下坚实的理论基础。