浅论地表可控振源激励作用下的场地三维速度结构反演

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1、工学博士学位论文地表可控振源激励作用下的场地三维速度结构反演董连成哈尔滨工业大学2008年3月国内图书分类号：P315.9国际图书分类号：551.1工学博士学位论文地表可控振源激励作用下的场地三维速度结构反演博士研究生：董连成导师：陶夏新教授申请学位：工学博士学科、专业：岩土工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2008年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:P315.9U.D.C:551.1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringINVERSIONOFTHREE

2、-DIMENSIONALVELOCITYSTRUCTUREFROMWAVEFIELDGENERATEDBYSURFACESHAKERCandidate:DongLianchengSupervisor:Prof.TaoXiaxinAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:GeotechnicalEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence:March,2008Degree-Conferring-I

3、nstitution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要场地条件是引起地表震害和地震动局部变化的主要因素，土层的剪切波速度结构是描述局部场地条件的重要参数。速度结构的探查一直是地震工程学和岩土工程学中一个重要的课题。研究发展一种不破坏环境，易于实现的原位探测方法一直是研究者探索的热点。可控振源对输入可控制，已成为目前国内外表面波探测研究的一个重点。本文回顾了场地剪切波速度结构探测方法的研究历程，对有源探测方法和无源探测方法分别进行了总结，分析了目前反演场地剪切波速度结构研究的现状。介绍了Rayleigh波相速

4、度频散曲线的提取方法，提出了本文要研究的内容。之后，简要介绍了中美唐山联合观测的场地、设备及台阵布设方式等，并展示了部分观测记录。应用三维波动有限元方法模拟了可控振源作用下的场地波场，并与实际观测记录进行了对比。在简化的基础上，发展了从可控振源观测记录中提取Rayleigh波相速度频散曲线的方法，通过比较从模拟记录中提取的、从实际观测记录中提取的与从圆形台阵记录中提取的Rayleigh波相速度频散曲线，为反演速度结构确定了目标函数。通过不同场地模型的敏感性分析，探讨了土层参数对Rayleigh波相速度频散曲线的影响，表明剪切波速度结构的

5、影响最大，据此选定了反演的主要参数。进一步分析、说明Rayleigh波相速度频散曲线能够反映软夹层或硬夹层的存在。土层三维速度结构对Rayleigh波相速度频散影响的探讨表明三维速度结构对Rayleigh波相速度频散曲线有一定的影响。对场地剪切波速度结构的反演方法进行了简要的总结，指出遗传算法具有许多优点、得到广泛的应用。为了突破运算速度这一反演计算的瓶颈，克服传统遗传算法收敛速度慢且容易陷于局部极值的缺点，设计了一种粗粒度的并行遗传算法，由一台主机对并行算法的开始和结束进行控制，并负责分配种群，对各从机发回的最优个体进行比较，确定出最

6、优个体。在此基础上改写了串行遗传算法程序，在WindowsXP环境下实现了MPICH函数库与Fortran语言的连接，实现了遗传算法的并行化。在4节点的PC集群上通过简单模型对所设计的并行遗传算法进行了验算，从结果上看所设计的并行遗传算法提高了运算效率，且收敛于最优解。为评价所发展的反演方法的可靠性和有效性，利用五个土层模型和两个-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文实际场地进行了虚拟反演，给定各土层的厚度和重度，只反演场地的剪切波速度结构，对方法的各个环节进行了测试和验证。之后，利用中美唐山联合可控振源观测中可控振源激励的台阵实际观测记

7、录，反演了唐山的两个场地的剪切波速度结构，并与钻孔法测试的结果进行了对比，对反演的结果进行了评价。最后，对本文所做的工作进行了总结，并指出了有待进一步深入研究的几个问题。关键词三维速度结构；可控振源；Rayleigh波相速度频散曲线；反演；并行遗传算法-II-AbstractAbstractSiteconditionisoneofthemainfactorsthatcausegroundfailureandlocalvariationofgroundmotion,andshearwavevelocitystructureofsoilla

8、yersisthemostimportanttodescribethesitecondition.Toexplorethesitevelocitystructureisasignificanttaskfor