Emergence of Seismic Metamaterials: Current State and Future Perspectives
随着电磁超材料在世纪之交的出现，在波动物理学其他领域工作的研究人员已经将电磁超材料的概念转化为声学，弹性动力学以及热，质量和光扩散过程。在弹性动力学中，地震超材料是在过去十年中出现的，用于米级结构的软土，并且由于五年前在多孔土壤上进行的全尺寸实验而得到了测试。地震异向介质生长于土壤中，在埋于土壤中、建筑物地基周围或土壤-结构界面附近的调谐谐振器场和地表以上谐振器场同时生长。在这篇透视文章中，我们快速回顾了所有这些类型的地震超材料的一些研究进展，我们进一步梳理了哪些材料参数可以实现，哪些不能实现，特别是从有效介质理论的角度来看。最后，我们展望了未来发展的大规模拉胀超材料的建筑物的基础，森林的树木抗震保护和超材料一样，在城市规模的城市化改造。
2017-12-25 physics.app-ph physics.geo-ph
Experimental evidence of auxetic features in seismic metamaterials: Ellipticity of seismic Rayleigh waves for subsurface architectured ground with holes
在过去的十年里，在地面的前十米处实施了具有规则网格的公制尺寸孔的结构性土壤在地震扰动下进行了理论和实验测试。最近还开发了在基层中嵌入刚性夹杂物的结构性土壤。这些夹杂物在地下的影响可以用不同的方式来描述：在具有地震超材料的聚焦效应的网络内重新分配能量，波反射，频率滤波，地震信号能量幅度的减小，在这里，我们首先提供一些时间-域分析的平面透镜效应结合某种形式的外部掩盖的瑞利波，然后我们实验表明，在地球表面水平上的表面瑞利波的椭圆率上的圆柱孔的有限网格。绘制了表面粒子速度在垂直（x，z）和水平（x，y）平面上的时域轨道图。这些结果使我们能够观察到，孔的网格局部创建椭圆的轴的倾斜，并改变粒子运动的方向。有趣的是，瑞利波椭圆率的变化可以解释为有效泊松比的变化。然而，源的接近度对于解释椭圆的形状也很重要。我们分析这些观测的波样式转换内的网格，我们建议扩大讨论的复杂性地震波现象的结构性土壤，如土壤基础和特定的耦合效应的土-结构相互作用。
2018-09-16 physics.app-ph physics.geo-ph
Seismic metamaterial: how to shake friends and influence waves?
在微米和纳米尺度上设计的材料在光子学和声子学中产生了巨大而持久的影响，其应用范围从周期性结构不允许光和声音在阻带频率下传播，到亚波长聚焦和超材料隐身。在这里，我们提出了一个地震测试的描述上的土壤结构在米级使用振动压实探头。与地震波相互作用的最简单的方法是改变介质的整体性质，作用于土壤密度，然后作用于波速。其主要概念是减少地震波在自由表面的放大，在地震工程学中称为场地效应。然而，抵消地震信号的另一种方法是通过修改地震能量的分布，这要归功于由在初始土壤中钻孔的垂直、圆柱形和空夹杂物的网格制成的超材料，与使用近似板模型的数值模拟一致。
2013-01-31 physics.geo-ph
Flat lens for seismic waves
实现地震不可见性的先决条件是证明土木工程师能够用人工结构化土壤控制地震波。我们进行了大规模的现场试验与结构化土壤组成的网格组成的圆柱形和垂直孔在地面和低频人工源（< 10 Hz）。这允许识别网格内部的能量分布，其可以被解释为有效负折射率的结果。这种平面透镜让人联想到Veselago和Pendry对光的设想，为地震超材料开辟了道路，以抵消地震信号中最具破坏性的成分。
2016-02-14 physics.geo-ph
Analysis of Unsaturated Slope Stability under Seismic and Surcharge Loading by Upper Bound Rigid Block Method
本文采用上限极限分析与对数螺旋破坏机制，结合吸应力方法，研究了超载与地震作用下非饱和均质边坡的稳定性，并通过参数研究与稳定性图表验证了方法的有效性。
2024-07-23 physics.comp-ph physics.geo-ph
Strong seismic motions estimated from a one direction-three components ("1d-3c") approach, application to the city of rome, italy
强地震动通常会导致土层刚度的降低和能量耗散的增加。为了研究这种现象，提出了几种非线性本构模型，并普遍实施的一维土柱。然而，复杂流变学的主要困难之一是需要大量的参数来描述模型。在这个意义上，Iwan在1967年开发的多面循环塑性方法，但与Prandtl或Preisach的理论工作有关，是一个有趣的选择：唯一需要的数据是模量降低曲线。过去的研究通常只考虑一个运动分量（“1C”）的“1D”土柱中单向剪切波传播的模型。相反，这项工作的目的是研究强震放大考虑地震波传播在“一维”土柱占的影响，三维加载路径上的非线性行为的每个土层。在“1D-3C”方法中，露头运动的三个分量（3C）同时传播到水平分层土壤中，并使用三维本构关系（有限元法）。本研究中考虑的冲积场地对应于台伯河流域，靠近罗马（意大利）的历史中心。计算是考虑波形称为1997年10月14日翁布里亚-马尔凯地震，记录在露头基岩。时间历程和应力-应变滞回曲线计算所有沿土柱。对1D-1C和1D-3C方法的八面体应力、应变-深度剖面和加速度转换函数（表面/露头谱比）进行了估算，证明了三维加载路径的影响。
2014-02-10 physics.geo-ph
Role of nanophotonics in the birth of seismic megastructures
三十年前光子晶体的发现，结合等离子体和超材料的研究进展，激发了十倍尺度超表面的概念，创造了地震超材料，用于增强对表面（Love和Rayleigh）和体（剪切和压力）弹性动力波的控制。坐标变换、有效介质和Floquet-Bloch理论等强大的数学工具已经彻底改变了纳米光子学，可以用土木工程和物理学的语言来翻译。对由埋在土壤中的单元制成的地震异向介质的实验表明，上述工具使得在地震扰动期间土壤-结构相互作用的复杂现象的新颖描述成为可能。但是这些概念已经转向更未来的概念，并且为结构性土壤开发的相同概念现在用于检查被视为巨型结构（如亚临界）中的表面共振器的建筑物的影响。但这种对未来的展望不应使我们忘记古代人民的遗产。事实上，我们最终指出了隐形斗篷设计和一些古老的巨型建筑之间的惊人相似之处，如古老的高卢罗马剧院和圆形剧场。
2019-04-09 physics.geo-ph physics.optics
Rupture sismique des fondations par perte de capacité portante: Le cas des semelles circulaires
在浅基础抗震设计的范围内，本研究涉及到位于非均匀纯粘性半无限土层表面上的圆形基础的地震承载力的确定。在论文的第一部分中，简要介绍了一个包含基础地震承载力失效的土木工程结构案例历史的数据库，旨在更好地理解所研究的现象，并提供一些对验证有用的案例研究理论计算。在本文的第二部分中，上述问题是解决使用的屈服设计理论的运动学方法，从而建立最佳上限的极限地震荷载所支持的土壤基础系统。结果导致建立一些非常简单的准则，扩展现有的公式中包含的地震承载力的欧洲规范（建议为条形基脚均匀土壤）的情况下，圆形基脚和非均质粘性土壤。
2008-03-13 physics.geo-ph
Shake and sink: liquefaction without pressurization
土壤液化是一种与地震有关的重大自然灾害。它的一些破坏性影响包括建筑物和桥梁的倾斜和下沉，以及管道的破坏。传统的岩土工程实践假设液化通过剪切驱动压实和随后的孔隙压力升高而发生。这一假设指导了地震危险地点的建设，但有证据表明，液化罢工也在目前无法预测的条件下。在这里，我们显示，使用理论，模拟和实验，另一种机制，在饱和土壤中的液化，而不需要高孔隙流体压力或特殊的土壤，地震触发的液化是由浮力控制。这种新的机制补充了传统的孔隙压力机制，扩大了窗口的条件下，液化预测发生，并可能解释以前不理解的情况下，如液化压实土壤，排水条件下，反复液化的情况下，和流沙下沉的基础。这些结果可能会对地震活跃区的灾害评估和减灾产生重大影响。
2018-02-12 cond-mat.soft physics.geo-ph
Seismic Earth Pressure Development in Sheet Pile Retaining Walls: A Numerical Study
挡土墙的设计需要对墙后土压力分布有全面的了解。由于土-结构相互作用的复杂性，即使在静力情况下，土压力的估算也不是一件容易的事。对于动态（即，挡土墙的分析和设计。多年来，人们发展了几种土压力模型，将动土压力和静态土压力结合起来，以改进地震区挡土墙的设计。在所有模型中，MononobeOkabe（M-O）方法通常用于估计挡土墙的地震土压力大小，并且在世界各地的设计实践中被采用（例如，欧洲标准和澳大利亚标准）。然而，M-O方法有几个缺点，在许多情况下不能提供可靠的土压力估计。本研究探讨M-O法预测板桩墙动土压力之准确性。在DIANA中建立了墙-土系统的二维平面应变有限元模型。回填土采用Mohr-Coulomb破坏准则模拟，墙体采用弹性模型。将数值计算的动土压力与M-O模型的计算结果进行了比较。此外，总的动态力的应用点被确定，并与静态的情况进行比较。最后讨论了M-O法计算地震土压力的适用性。
2015-01-16 cs.CE physics.geo-ph
Evaluating and Explaining Earthquake-Induced Liquefaction Potential through Multi-Modal Transformers
King Mongkut’s University of Technology Thonburi（国王蒙克特科技大学吞武里校区）
提出融合地震、土层与场地特征的可解释并行多模态 Transformer，用于土壤液化预测，跨区域准确率达93.75%，并经能登半岛地震数据验证。
2025-02-18 cs.LG physics.geo-ph
Modeling seismic wave propagation and amplification in 1D/2D/3D linear and nonlinear unbounded media
分析地震波在地质构造中的传播，可以考虑各种数值方法：有限差分法、谱元法、边界元法、有限单元法、有限体积法等。地震波在地表土层中的放大主要是由于这些土层之间的速度差异，也可能是由于波峰和丘陵周围的地形影响。冲积盆地的几何形状对放大过程的影响也很大。然而，强不均匀性和复杂的几何形状是不容易考虑到所有的数值方法。在许多情况下需要2D/3D模型，并且在这种情况下数值方法的效率/精度是有问题的。此外，在无穷远的辐射条件是不容易处理的有限差分或有限/谱元素，而它是显式地考虑在边界元法。最近提出了各种吸收层方法（如F-PML，M-PML），特别是在一些困难的情况下，如浅的数值模型或掠入射衰减虚假波的反射。最后，强震涉及到表层土壤的非线性效应。为了模拟强地面运动，有必要考虑土壤的非线性动力特性，同时研究地震波在复杂的2D/3D地质结构中的传播。本文介绍和讨论了在这种复杂情况下的数值公式和本构模型的最新进展。一个关键问题是是否有实地/实验室数据来支持和验证这些模型。
2011-08-17 physics.geo-ph
Neural machine translation of seismic waves for petrophysical inversion
本文提出一种基于语言模型的确定性岩石物理反演方法，将地震波速度测量解码为地下土壤参数文本描述，实现三维结构刻画与水位预测，精度接近常规方法且速度提升2000倍。
2024-11-20 physics.geo-ph
Mitigation of seismic waves: metabarriers and metafoundations bench tested
本文分析了两种潜在的超材料设计，超地基和超屏障，能够衰减建筑物或结构部件上的地震波，频带在3.5至8 Hz之间。超地基具有减少地震反应和支撑上部结构的双重目的。相反，元屏障包围并屏蔽结构免受入射波的影响。这两种解决方案是基于本地谐振器，其动态特性的调整使用有限元模拟结合布洛赫-弗洛奎边界条件的单元布局。为了扩大衰减带，采用了每个单元的谐振频率在空间上变化的梯度设计。如果适当地放大或缩小，则超材料设计可用于分别衰减较低频率的地震波或地面振动。通过对水平剪切波的时域全三维数值模拟，对不同设计参数（包括谐振器的尺寸、数量、土壤类型和震源方向性）进行了灵敏度分析。总的来说，这里讨论的超材料解决方案可以将超结构的光谱放大降低到大约1000 nm。15%至70%，取决于几个参数，包括亚结构尺寸和土壤性质。每个配置的缺点和优点进行了详细讨论。阻尼的作用，至关重要的，以避免多重共振耦合，梯度异向材料和调谐质量阻尼器之间的类比也进行了研究。
2019-08-19 physics.app-ph physics.geo-ph
Strong Ground Motion in the 2011 Tohoku Earthquake: a 1Directional - 3Component Modeling
强地震动引起的土层局部波放大效应受波场偏振、土层动力特性和土层间阻抗差异等参数的影响。本研究旨在通过单向三分量（1D-3C）波传播模型研究2011年东北地震的地震运动放大。在二次线有限元模型中实现了循环荷载作用下干土的三维非线性本构关系。土壤流变学模拟的Masing-Prandtl-Ishlinskiii-Iwan（MPII）型的多表面循环塑性模型。其主要优点是流变学的特征在于很少有常用的测量参数。通过传播2011年东北地震期间在岩石露头处记录的3C信号，计算了东北地区（日本）土壤剖面表面的地震动。计算的地面运动进行比较，东北地震记录在冲积场地和1D-3C模型的可靠性得到证实。的1D-3C的方法进行了比较与三个单独的单向分析的一个运动分量的组合独立传播（1D-1C的方法）。由于3C极化导致的3D加载路径导致多轴应力相互作用，从而降低土壤强度并增加非线性效应。数值再现了东北地震的时程和谱振幅。1D-3C方法允许评估3C运动的各种参数以及整个土壤剖面的3D应力和应变演化。
2013-08-10 physics.geo-ph
2025 EERI LFE Travel Study -- Mexico: Lessons in soft soils, subsidence, and site effects
本文结合EERI LFE旅行研究实地观测与案头研究，以1985年和2017年墨西哥地震经验为基础，从场地效应、土壤分区等视角总结墨西哥城四十年间岩土工程知识与实践的发展。
2025-10-01 physics.geo-ph
Vulnerability Liquefaction Mapping in Padang City Based on Cloud Computing Using Optical Satellite Imagery Data
本研究利用光学卫星影像与NDWI（832.8 nm NIR、2202.4 nm SWIR波段）绘制巴东市水体分布，并结合地质与地震数据识别液化高风险区，验证了NDWI低成本区域评估的价值。
2025-01-04 eess.IV physics.geo-ph
Mapping Depth to Bedrock, Shear Stiffness, and Fundamental Site Period at CentrePort, Wellington using Surface Wave Methods: Implications for Local Seismic Site Amplification
惠灵顿港口（CentrePort）在$M_w$ 7.8级Kaikōura地震中由于土壤液化、横向扩展和震动引起的结构破坏而遭受严重破坏。为了调查这些不良影响，并提出缓解措施，以防止类似的损害，在未来的地震，有必要量化的变化，基岩的深度，剪切刚度，和基本的网站周期（$T_0$）在整个港口。为了表征$T_0$并开发剪切波速度（Vs）剖面以用于地震现场响应分析、水平-垂直（H/V）频谱比测量以及有源和无源表面波测试（即，MASW和MAM）。从114 H/V频谱比测量的站点周期图显示了几个快速变化的复杂地下结构区域。在整个港口的六个参考位置开发的深度（200米以上）Vs剖面用于估计软岩（Vs $>$ 760 m/s）和硬岩（Vs $>$ 1500 m/s）的深度。$T_0$估计从H/V光谱比测量（$T_{0,H/V}$）在六个参考位置被证明是相关的硬岩的深度的基础上，线性粘弹性转换函数计算的Vs剖面截断在几个深度。在港口附近的两个地面运动站的$T_{0,H/V}$测量结果也显示出与2016年Kaikōura和2013年库克海峡地震期间记录的最大频谱放大的主要周期相当吻合，尽管这些站点也受到土壤非线性和潜在的3D盆地边缘效应的影响。
2022-07-20 physics.geo-ph
2D ground motion at a soft viscoelastic layer/hard substratum site in response to SH cylindrical seismic waves radiated by deep and shallow line sources
我们表明，基本上是通过理论手段，对于一个网站所选择的简单的几何形状和机械性能，（无限横向范围的水平、均匀、软粘弹性层，覆盖在半无限径向范围、剪切-水平运动的均匀、硬弹性底层上，并与之焊接接触）：1）震源越远，与Love模的耦合越弱（模拟为一条线，假设位于底层）是从软层的下边界，（2）对于靠近软层下边界的线源，地面响应可能具有拍频现象，其持续时间明显长于深源柱面波激励。该理论的数值应用表明，例如，一个线源，位于一个60米厚的软层的下边界以下40米，在一个假设的墨西哥城样的网站，辐射一个SH脉冲的持续时间为4秒，产生大量的地面运动在200秒，与显着的跳动，在震中距为3公里。这种反应在某些方面与位于软土场地的真实城市中观察到的反应相似，因此本文所采用的模型可能有助于确定此类城市地震破坏性影响的原因并查明主要影响因素。
2004-01-20 physics.geo-ph
A Discontinuous Galerkin Method for Simulating 3D Seismic Wave Propagation in Nonlinear Rock Models: Verification and Application to the 2015 Mw 7.8 Gorkha Earthquake
针对区域尺度同震波速变化机制建模难题，开发基于实验室约束非线性损伤模型的开源三维间断伽辽金方法，应用于廓尔喀地震模拟，揭示波速降低空间变化特征，验证模型准确性与可扩展性，为地震 hazard 评估提供物理框架。
2025-02-13 physics.geo-ph
Transformation seismology: composite soil lenses for steering surface elastic Rayleigh waves
超材料是一种人工结构化的介质，可以聚焦（透镜）或重新路由（隐身）波，通常这是为毫米级到纳米级的电磁波或厘米级的声学或薄弹性板开发的。扩展Kadic等人的概念。2013年，我们通过将这些概念推广到频率为数百米量级的地震波和长度尺度（与土木工程相关），表明基本思想在波系统和尺度上是通用的。通过应用变换光学的思想，我们可以操纵和操纵弹性动力学的矢量Navier方程的瑞利表面波解;这是出乎意料的，因为这个矢量系统与麦克斯韦电磁方程不同，在变换下不是形式不变的。作为我们正在创建的共形光物理学的一个范例，我们设计了一个方形的Luneburg透镜排列，以重新路由，然后重新聚焦建筑物周围的瑞利波，其双重目的是保护和最大限度地减少退出透镜后对波前（隐身）的影响。为了表明这是实际可行的，我们故意选择使用容易获得的材料参数，并且该超透镜由复合土壤组成，该复合土壤由较软材料制成的埋柱构成。夹杂物的规则晶格被均匀化，以提供具有径向变化的速度分布的有效材料，该速度分布可以直接解释为透镜折射率。我们开发的理论，然后使用全三维时域数值模拟，最终证明转换地震学的想法的有效性：我们证明，在地震相关的频率3-10 Hz，并为低速沉积土壤（$v_s$：300-500 m/s），结构的振动减少了高达6 dB的共振频率。
2015-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph physics.optics
Multimethod characterization of the French Pyrenean valley of Bagnères-de-Bigorre for seismic hazard evaluation: observations and models
法国比利牛斯山脉的一个狭窄的直线山谷，在过去受到破坏性地震的影响，已被选为土壤反应特性的测试地点。这一举措的主要目的是比较实验方法和数值方法。在两年内沿河谷和横跨河谷部署了一个由10个监测站组成的临时网络;同时进行了各种试验，特别是环境噪声记录，以及在10个地点进行有源震测剖面，以确定结构。经典的观测值已被测量的网站放大评估，如频谱比的网站和参考站之间的水平或垂直运动直接S波和S尾波，和频谱比的水平和垂直（H/V）运动在单站使用噪音和S-尾波记录。首先通过瑞利波波频散曲线和椭圆率的联合反演得到了各台站的垂直剪切速度剖面。它们随后被用于模拟来自合成地震记录的噪声数据的H/V谱比、基于均分理论的S尾波的H/V比以及使用谱元法的盆地的3D地震响应。一般良好的协议之间的模拟和观察。三维模拟显示，地形比沉积充填对场地效应的贡献要小得多，除了在狭窄的山脊顶部。我们发现了盆地边缘效应的明显证据，地面运动的振幅在盆地内的边缘的一段距离处增加，并立即在坡脚处减少。
2012-01-03 physics.geo-ph
Parametric modeling of shear wave velocity profiles for the conterminous U.S
University of Washington（华盛顿大学）
针对现有区域VS预测模型简化近地表变化、分辨率粗的问题，研究定义美国本土VS随深度变化的函数形式，结合9000余项原位测量数据与地理空间机器学习校准参数，生成高分辨率近地表VS预测模型，补充国家地壳模型并支撑地震相关应用。
2025-10-01 cs.LG physics.geo-ph
Control of Rayleigh-like waves in thick plate Willis metamaterials
我们探讨的相互作用的弹性波传播板（与土壤参数）结构与混凝土柱埋在土壤中。柱子直径2 m，深度30 m，板厚50 m。我们研究的频率范围为5至10 Hz，瑞利波波长小于板的厚度。该频率范围与地震工程学中特别感兴趣的频率范围兼容。本文证明，两个地震斗篷的配置允许与瑞利表面波相关的弹性动力学能量的前所未有的流动。第一个斗篷设计的灵感来自于薄板理论框架内理想斗篷参数的一些近似值。第二个，更完善，但更多的参与，斗篷设计推导出从几何变换在完整的Navier方程，保持弹性张量的对称性，但导致威利斯方程，以及近似的均匀化过程，证实了数值模拟。这两种斗篷的设计有着惊人的不同，第二种斗篷的优越效率强调了将现有斗篷的薄板设计转换为物理学设置的必要性。重要的是，我们把注意力集中在厚板的几何变换上，这是薄板和半无限介质之间的中间情况，以前没有研究过。研究了理想和近似隐身参数下的隐身效率（减小障碍物后的波阵面及其振幅的扰动）和防护（减小隐身中心内的波幅振幅）。这些结果代表了一个初步的一步地震斗篷的设计，表面瑞利波传播的沉积土结构与混凝土柱。
2016-11-29 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Localized stationary seismic waves predicted using a nonlinear gradient elasticity model
本文旨在研究局部化驻波在浅层地下的本构行为是由双曲线模型，这意味着非多项式非线性和应变相关的剪切模量的存在。为此，我们推导出一个新的运动方程的非线性梯度弹性模型，其中高阶梯度项捕获的小尺度土壤异质性/微观结构的影响。我们还提出了一种新的有限差分格式来解决空间和时间的非线性运动方程。任意初始脉冲的传播的模拟清楚地揭示了非线性的影响：应变相关的速度一般，因此，锐化的脉冲。通过引入运动参考系和平稳性假设，得到了运动方程的平稳解。通过分析相图中获得的常微分方程，并沿不同的轨迹积分，发现周期性（有和没有下降趋势）以及局部驻波。定域驻波实际上是一种扭折波，可以通过沿同宿轨道积分得到。一般来说，轨道越接近同宿轨道，相应的周期性驻波的边缘越尖锐，其周期越大。最后，我们发现扭结波实际上不是一个真正的孤子，因为两个碰撞的扭结波在相互作用后不能恢复原来的形状。然而，它可能具有高振幅并到达表面，这取决于阻尼机制（尚未考虑）。因此，地震现场响应分析不应事先排除这种局部驻波的存在。
2021-08-12 physics.geo-ph
