Физическое моделирование стоячих волн для решения задач инженерной сейсмологии

• Автор: Федин, Константин Владимирович
• Шифр специальности: 25.00.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. УПРУГИЕ СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ В ГЕОФИЗИЧЕСКИХ

ПРИЛОЖЕНИЯХ (ОБЗОР)

1.1. Резонансные методы исследования упругих, свойств горных пород на образцах

1.2. Собственные колебания Земли

1.3. Инженерная сейсмология

1.4. Выделение когерентных составляющих

микросейсмического поля на основе пересчета

разновременных данных к «единому» времени
Выводы по главе
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗГИБНЫХ СТОЯЧИХ ВОЛН, ВОЗБУЖДАЕМЫХ АКУСТИЧЕСКИМИ ШУМАМИ В БАЛКАХ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
2.1. Методика проведения экспериментов
2.2. Обработка экспериментальных данных
2.3. Влияние продольных щелевидных дефектов на изгибные стоячие волны в балке прямоугольного сечения с закрепленными концами
Выводы по главе
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗГИБНЫХ СТОЯЧИХ ВОЛН В
НАДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
3.1. Методика экспериметов
3.2. Обработка экспериментальных данных
3.3. Моделирование частичной или полной потери
устойчивости опоры пустой трубы
3.4. Моделирование частичной или полной потери
устойчивости опоры трубы, заполненной жидкостью

Выводы по главе
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЯЧИХ ВОЛН СЖАТИЯ-РАСТЯЖЕНИЯ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА ПОД ДЕЙСТВИЕМ МИКРОСЕЙСМ..
4.1. Методика экспериментов
4.2. Модели верхней части разреза
4.3. Определение резонансных свойств приповерхностных слоев постоянной мощности
4.4. Влияние подстилающей среды на резонансные свойства приповерхностного слоя
4.5. Обсуждение результатов моделирования
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Объект исследования - упругие стоячие волны, генерируемые шумами в ограниченных природных и искусственных объектах, на предмет их применения для решения задач инженерной сейсмологии.
Актуальность исследования.
Упругие стоячие волны широко применяются в сейсмоакустических исследованиях на разных масштабных уровнях. На «микроуровне» стоячие волны разных типов (стержневые продольные, крутильные, изгибные) используются при резонансных измерениях, которые долгое время были основным методом изучения упругих и поглощающих свойств горных пород в лабораторных условиях. Упругие стоячие волны на планетарном уровне - это собственные колебания Земли, изучение которых дает информацию о ее внутреннем строении, вещественном составе, особенностях'вращения и т.д.
На промежуточных масштабных уровнях наиболее широкое применение стоячие волны находят в инженерной сейсмологии, где они, в частности, используются при обследовании зданий и сооружений, в основном для оценки их технического состояния и сейсмостойкости. Чаще всего при таких исследованиях колебания в испытуемых конструкциях возбуждают с помощью искусственных источников [Негматуллаев и др., 1979; Лужин и др., 1987; Павленов и др., 1988; Назин, 1993; Способ..., 1994, 1998, 19991; Бержинский и др., 2005], что позволяет исследовать собственные частоты, декременты затухания колебаний, а в некоторых случаях и формы стоячих волн. Однако обследование сооружений с искусственными источниками - трудоемкая операция, требующая больших временных и материальных затрат.
Прорывом в этой области инженерной сейсмологии стала разработанная коллективом авторов методика выделения стоячих волн из шумового (микросейсмического) поля [Еманов и др., 2001, 2002, 2007; Еманов и Селезнев, 2003; Активная..., 2004]. Эта методика реализована в технологии обследования зданий и инженерных сооружений, позволяющей по записям микросейсм в
волны, скорость изгибных волн пропорциональна корню из частоты, в более высокочастотной области скорость с частотой растет медленнее.
Для идентификации стоячих волн, т. е. для установления соответствия наблюдаемых пиков конкретным модам стоячих волн, применялась программа, разработанная в Алтае-Саянском филиале ГС СО РАН для обработки микросейсмических данных, регистрируемых при обследовании зданий и сооружений. В этой программе реализована описанная в разделе 1.4 процедура преобразования разновременных данных к «единому» времени на основе пересчета фильтрами Винера. Эта процедура позволяет эффективно выделять на фоне некогерентного шума когерентные колебания, связанные со стоячими волнами.
Пример такого выделения приведен на рисунке 2.7, показывающем формы изгибных мод (по толщине образца) в виде распределения амплитудных спектров вдоль продольного профиля на поверхности наибольшей грани образца. На рисунке каждой изгибной моде соответствует чередование вдоль профиля наблюдений на характерной для нее собственной частоте максимумов (пучностей стоячих волн) и минимумов (узлов стоячих волн) амплитудных спектров. Анализ такой интерференционной картины позволяет не только подтвердить, что выделены именно изгибные волны, но и определить, какой моде стоячих волн соответствует пик на обобщенном спектре (см. рисунок 2.6).
На рисунке 2.8 приведено поле изгибных волн, полученное по тем же данным, что и поле на рисунке 2.7, но до их пересчета к «единому» времени. Как можно видеть, и в этом случае идентифицируются стоячие волны, но из-за нестационарного характера шума отдельные моды в этом случае выделяются несколько хуже, пучности более «размыты» по оси частот.
Для восьми мод изгибных стоячих волн в незакрепленной балке прямоугольного сечения из бетона было проведено сравнение собственных частот, определенных экспериментально по обобщенному спектру, и рассчитанных численно. Сравнение для первой (низшей) моды не проводилось в связи с ее недостаточно надежной идентификацией.