[發明專利]一種鐵路震源瑞雷面波力學模型及其數值模擬方法

有效

• 申請號: 202011565805.2
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112765774B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 王姣;彭剛;王澤;薛亨泰;王進
• 申請（專利權）人: 青島黃海學院;中鐵五局集團第一工程有限責任公司;中國建筑第七工程局有限公司;薛亨泰;中國建筑第二工程局有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G09B25/00;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 青島潤集專利代理事務所(普通合伙) 37327
• 代理人: 趙以芳

本發明提供了一種鐵路震源瑞雷面波力學模型及其數值模擬方法，屬于勘探震源技術領域。鐵路震源瑞雷面波力學模型包括用于模擬鐵軌的粘彈性地基，粘彈性地基包括位于下層的彈性層和位于上層的軌墊，彈性層包括均勻排列的若干彈性支撐單元，軌墊上承載車輪，車輪在軌墊上滾動形成波紋震動路徑。本鐵路震源瑞雷面波力學模型及其數值模擬方法具有以下優點：通過本模型的演示和本方法的計算，可以實現對火車震源移動所產生的震動面波場的解析計算，并通過計算得到的準確波場值研究震動規律，為高鐵地震學的發展與近地表地質監測提供了有力的研究支撐。

技術領域

本發明屬于勘探震源技術領域，涉及一種鐵路震源的特性研究，特別是一種鐵路震源瑞雷面波力學模型及其數值模擬方法。

背景技術

鐵路震源在連續移動的過程中，可以產生攜帶大量近地表信息、相關性強的地震信號，該類鐵路震源目前已被認為是一種新型勘探震源，尤其是近年來隨著高鐵地震學的興起，鐵路震源信號的模擬與分析取得了一定的進展。現階段鐵路震源產生的面波信號主要被認為是一種被動源面波信號，其與近地表結構密切相關，需要進行模擬與分析。

瑞雷面波在研究地球內部結構、近地表各種工程勘查問題中，尤其在近地表地層結構與屬性特征獲取方面，是一種非常有效的地震勘探方法。由于瑞雷面波存在頻散特性，現有方法技術主要是基于f-k譜來提取瑞雷面波頻散曲線，根據頻散曲線特性進而可提取相應的地層結構、構造等信息。

發明內容

本發明的目的是針對現有的技術存在上述問題，提出了一種通過力學模型進行鐵路震源模擬，利用震源函數計算進行動態分析的鐵路震源瑞雷面波力學模型及其數值模擬方法。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：鐵路震源瑞雷面波力學模型，包括用于模擬鐵軌的粘彈性地基，所述粘彈性地基包括位于下層的彈性層和位于上層的軌墊，所述彈性層包括均勻排列的若干彈性支撐單元，所述軌墊上承載車輪，所述車輪在所述軌墊上滾動形成波紋震動路徑。

在上述的鐵路震源瑞雷面波力學模型中，所述車輪為低速合金鋼車輪。

鐵路震源瑞雷面波數值模擬方法，包括以下內容：

1)、車輪與粘彈性地基之間垂直作用力的功率譜密度G_F(ω)與垂直粘彈性地基響應的功率譜密度G_D(ω)之間的關系通過以下方程式解析地表示為圓頻率ω的函數(Esveld，2001；Wu等，2000)：

式中，M_Wω²為車輛的垂直剛度特性；2K_RL_R為粘彈性地基的垂直剛度特性；K_H為車輪的垂直剛度特性；

2)、通過以下公式應用反傅立葉變換可將其轉換到時間域：

3)、根據廣義杜哈梅積分，移動火車產生的力F作用下的震源函數為載荷與響應函數的卷積如下：

4)、對于沿直線運動的鐵路震源且檢波器位于同一直線的情況而言，震源具有較強的穩定性，假設檢波器處在0位置，則車輛由r₁處至檢波器處(由遠及近)與震源由檢波器處至r₁處(由近及遠)產生的瑞雷面波波場值分別為：

其中，k'＝2πf/v。

與現有技術相比，本鐵路震源瑞雷面波力學模型及其數值模擬方法具有以下優點：

通過本模型的演示和本方法的計算，可以實現對火車震源移動所產生的震動面波場的解析計算，并通過計算得到的準確波場值研究震動規律，為高鐵地震學的發展與近地表地質監測提供了有力的研究支撐。