[发明专利]任一方向入射平面波激振边坡地震动响应模拟方法

权利要求书

1.一种任一方向入射平面波激振边坡地震动响应模拟方法，其特征在于，包括：

获取边坡原型参数；所述边坡原型参数包括边坡原型的几何形态和尺度、边坡原型介质中的弹性波波速和波动频率；

根据弹性波动理论，利用所述边坡原型参数，建立相似性条件；

按照所述相似性条件，建造二维边坡模型，配置边坡波场模拟实验系统；具体包括：根据所述相似性条件M_L＝M_λ，考虑边坡原型的几何尺度L和原型边坡中弹性波的波长λ以及实验室空间所允许的边坡模型尺度L_m，确定二维边坡模型介质中的弹性波波长λ_m；其中，M_L为几何相似比，M_λ为波长相似比；根据所述二维边坡模型介质的弹性波波长，调配所述二维边坡模型介质中的弹性波波速V_m和波动频率f_m；根据所述二维边坡模型介质的弹性波波速V_m选择所述二维边坡模型的模型材料，按照所述几何相似比以及所述边坡原型的几何形态和尺度，考虑所述二维边坡模型截断边界对波场的影响，建造二维边坡模型；根据所述波动频率f_m配置边坡波场模拟实验系统；所述配置边坡波场模拟实验系统包括边坡波场模拟实验的超声波激发和观测仪器系统；

对所述二维边坡模型划分观测网格，建立观测坐标系，确定观测点以及激发点；

利用所述观测点以及所述激发点，采集所述二维边坡模型所有激发点单点激振的动力响应波场位移时程数据；

根据本多夫定律和惠更斯原理，利用所述二维边坡模型单点激振动力响应波场位移时程数据，叠加合成任一方向入射的平面波激振边坡模型波场；具体包括：根据波传播入射到界面时的本多夫定律，按所模拟的地震波的入射方向，确定所述二维边坡模型底部激振面上各激发点的激振启动时刻t_0-j；根据惠更斯原理，考虑地震波任一方向入射边坡初动点启动时刻t₀和各激发点启动时刻t_0-j，对所述二维边坡模型底部激振边界上所有激发点J(x)单点激发在边坡模型观测区内各观测点C(x,y)上产生的波动位移进行叠加，合成任一方向入射的平面波激振边坡模型波场在测点i处的位移矢量其中，u_ji为与坐标轴x轴平行的位移分量，v_ji为与坐标轴y轴平行的位移分量，w_ji为与坐标轴z轴平行的位移分量；

利用所述任一方向入射的平面波激振边坡模型波场，揭示任一方向入射平面波激振边坡地震动响应；

所述对所述二维边坡模型划分观测网格，建立观测坐标系，确定观测点以及激发点，具体包括：

在二维边坡模型观测区划分观测网格；所述观测区应包含不受边坡模型截断边界反射波影响、可以真实反映边坡地震动力响应的坡体；观测网格划分应遵循波场空间采样率要求，即：网格尺寸Δl的大小须满足Δl≤λ_m/10；在所述二维边坡模型观测网格的轮廓范围内建立x-y直角坐标系；所述直角坐标系横轴x与所述观测网格区的底边横线重合，x轴指向坡面外法线水平投影方向；纵轴y与所述二维边坡模型底部激振边界面相垂直的后缘截断边界重合，y轴向上指向坡顶；坐标系x-y的原点位于x轴与y轴的交点上，与所述网格区底边与二维边坡模型后缘截断边界交点重合；z轴垂直于x-y平面，与x、y轴构成右手坐标系；

按所划分的观测网格确定观测点以及激发点，并确定所述观测点在所述直角坐标系的坐标；所述观测点为所述观测网格的交点；网格纵线与所述二维边坡模型的底部激发边界的交点为激发点；

所述利用所述观测点以及所述激发点，采集所述二维边坡模型所有激发点单点激振的动力响应波场位移时程数据，具体包括：

利用所述观测点以及所述激发点采集所述二维边坡模型所有激发点单点激振的动力响应波场位移时程；其中，所述波场位移时程为为由激发点J(x)到达观测点C(x,y)的波动所产生的振动位移矢量，是时间t的函数；j为激发点代码，j＝1,2,...,n，n为正整数；按观测点的位置坐标(x,y)编码；t_j-i为由激发点j到达观测点i的波动传播时间，即，波动走时；波场位移矢量可分解为分别与坐标轴x、y、z平行的三个位移分量u_ji、v_ji、w_ji，即所述波场位移时程分解为如下三个波场位移分量时程：

在模拟实验中，利用所述波场位移分量时程，以Δt的时间采样间隔对所述波场位移时程进行采样，得到如下离散的波场位移分量采样值：

其中，t_jik是以Δt为间隔的离散采样时间点，波动时程采样的最大时长为m·Δt，t_jik＝t_j-i+k·Δt，k＝0,1,2,...,m-1；

所述利用所述任一方向入射的平面波激振边坡模型波场，揭示任一方向入射平面波激振边坡地震动响应，具体包括：

由所述叠加合成的任一方向入射平面波激振边坡模型波场位移时程提取边坡模型地震动力响应波场的特征参数；所述边坡模型地震动力响应波场的特征参数包括，测点振动时程、测点振动最大振幅、测点振动时程包络面积、测点振动时程傅里叶谱以及相对振动强度持时；

利用所述边坡模型地震动力响应波场的特征参数，绘制各类波场特征参数图，以揭示任一方向入射平面波激振边坡地震动响应特征；所述波场特征参数图包括描述测点动力响应过程的边坡模型各测点振动时程图、描述边坡模型地震动力响应波场强度空间分布规律的最大振幅等值线图或测点振动时程包络面积等值线图、描述边坡模型地震动力响应波场不同频率成分振动强度空间分布的不同单频振幅等值线系列图。

2.根据权利要求1所述的任一方向入射平面波激振边坡地震动响应模拟方法，其特征在于，所述根据弹性波动理论，利用所述边坡原型参数，建立相似性条件，具体包括：

根据弹性波动理论，按照相似性准则推出由几何相似比与波长相似比的关系表示的相似性条件M_L＝M_λ；所述几何相似比为M_L＝L_m/L，所述波长相似比M_λ＝λ_m/λ，其中，L_m为二维边坡模型的几何尺度；L为边坡原型的几何尺度；λ_m为二维边坡模型的介质中弹性波波长；λ为边坡原型的介质中弹性波波长。