<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Mar. Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Marine Science</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Mar. Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-7745</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fmars.2023.1118286</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Marine Science</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>The influence of contact relaxation on underwater noise emission and seabed vibrations due to offshore vibratory pile installation</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Molenkamp</surname>
<given-names>Timo</given-names>
</name>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001">
<sup>*</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2010950"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Tsouvalas</surname>
<given-names>Apostolos</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1910899"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Metrikine</surname>
<given-names>Andrei</given-names>
</name>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<institution>Department of Civil Engineering and Geosciences, Delft University of Technology</institution>, <addr-line>Delft</addr-line>, <country>Netherlands</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>Edited by: Yuxing Li, Xi&#x2019;an University of Technology, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>Reviewed by: Ying Jiang, First Institute of Oceanography, China; Zhongchang Song, Xiamen University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001">
<p>*Correspondence: Timo Molenkamp, <email xlink:href="mailto:t.molenkamp@tudelft.nl">t.molenkamp@tudelft.nl</email>
</p>
</fn>
<fn fn-type="other" id="fn002">
<p>This article was submitted to Ocean Observation, a section of the journal Frontiers in Marine Science</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>27</day>
<month>03</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1118286</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>07</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>16</day>
<month>02</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2023 Molenkamp, Tsouvalas and Metrikine</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Molenkamp, Tsouvalas and Metrikine</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The growing interest in offshore wind leads to an increasing number of wind farms planned to be constructed in the coming years. Installation of these piles often causes high underwater noise levels that harm aquatic life. State-of-the-art models have problems predicting the noise and seabed vibrations from vibratory pile driving. A significant reason for that is the modeling of the sediment and its interaction with the driven pile. In principle, linear vibroacoustic models assume perfect contact between pile and soil, i.e., no pile slip. In this study, this pile-soil interface condition is relaxed, and a slip condition is implemented that allows vertical motion of the pile relative to the soil. First, a model is developed which employs contact spring elements between the pile and the soil, allowing the former to move relative to the latter in the vertical direction. The developed model is then verified against a finite element software. Second, a parametric study is conducted to investigate the effect of the interface conditions on the emitted wave field. The results show that the noise generation mechanism depends strongly on the interface conditions. Third, this study concludes that models developed to predict noise emission from impact pile driving are not directly suitable for vibratory pile driving since the pile-soil interaction becomes essential for noise generation in the latter case.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>underwater noise</kwd>
<kwd>offshore pile driving</kwd>
<kwd>vibratory pile driving</kwd>
<kwd>soil-structure interaction</kwd>
<kwd>particle motion</kwd>
<kwd>seabed vibrations</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="13"/>
<table-count count="2"/>
<equation-count count="48"/>
<ref-count count="35"/>
<page-count count="14"/>
<word-count count="8792"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1" sec-type="intro">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>In the transition to renewable energy sources, the interest in wind energy grows significantly as a renewable clean energy source. The EU Offshore Renewable Energy Strategy recommends up-scaling of offshore wind. The aim is to install 60 GW of offshore wind capacity by 2030 and 300 GW by 2050 (<xref ref-type="bibr" rid="B5">European Commission, 2020</xref>) compared to the 25 GW in 2020. The achievement of this goal should take place with minimal environmental impact.</p>
<p>The wind power generators in shallow waters, like the European North Sea, are generally founded on hollow cylindrical foundation piles. Traditionally, the foundation piles are installed by impact piling, causing potential harm and behavioral disturbances to marine life because of the high underwater noise levels at large distances from the construction sites (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Madsen et&#xa0;al., 2006</xref>). Direct physical harm and, ultimately, death are at risk in the first few hundred meters near a pile driving site (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Southall et&#xa0;al., 2019</xref>). Additionally, behavioral changes of various kinds of mammals are observed at distances over 100 km from the noise source (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Benhemma-Le Gall et&#xa0;al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Fernandez-Betelu et&#xa0;al., 2021</xref>).</p>
<p>Various vibratory pile driving methods are currently under development, promising reduced noise levels during installation. There are principally two ways to reduce underwater noise pollution. On the one hand, noise can be mitigated at the path to the receiver by various principles, such as air bubble curtains (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Peng et&#xa0;al., 2021b</xref>) or piles surrounded by a double-walled steel tube (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Reinhall and Dahl, 2011a</xref>). On the other hand, the noise levels can be reduced at the source. Potentially more silent driving methods, such as vibratory pile driving, belong to the latter category.</p>
<p>
<xref ref-type="bibr" rid="B25">Reinhall and Dahl (2011b)</xref> show that in impact piling, the Mach wave radiation in the fluid, caused by the supersonic waves that propagate through the pile following the hammer impact, is the primary noise generation mechanism. Thus, the waves radiating from the pile directly into the water constitute the so-called primary noise path. Since then, several contributions have been considered to improve noise predictions. <xref ref-type="bibr" rid="B7">Fricke and Rolfes (2015)</xref> add a module that derives the force on top from an impact hammer, while <xref ref-type="bibr" rid="B16">Lippert and von Estorff (2014b)</xref> conducted a Monte Carlo analysis to quantify the significance of parameter uncertainties. The COMPILE benchmark case compares noise predictions of various models for a simplified case (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Lippert et&#xa0;al., 2016</xref>). The COMPILE benchmark case is widely accepted to benchmark various solution techniques for underwater noise predictions in offshore pile driving. The models align well in the near field, but predictions deviate with increasing distance from the source. All models use separate modules for near- and far-field calculations. The near-field models are based on the finite element or the finite difference method. The far-field models are based on wavenumber integration, the parabolic equation, or normal modes (<xref ref-type="bibr" rid="B17">MacGillivray, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Lippert and von Estorff, 2014a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Schecklman et&#xa0;al., 2015</xref>).</p>
<p>The COMPILE case treats the sediment as an acoustic fluid, which is common in early noise prediction models. The representation of the sediment by an acoustic fluid reduces the computation time significantly (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Wood, 2016</xref>). However, all information on shear and seabed-water interface waves is lost. Next-generation models represent the soil by an elastic medium (<xref ref-type="bibr" rid="B35">Zampolli et&#xa0;al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Tsouvalas and Metrikine, 2014</xref>), which introduces a secondary noise path, i.e., noise generated via the Scholte interface waves traveling along the seabed-water interface. <xref ref-type="bibr" rid="B22">Peng et&#xa0;al. (2021a)</xref> developed an improved noise propagation model, including an elastic layered half-space for the description of the seabed. <xref ref-type="bibr" rid="B33">Wood (2016)</xref> builds further on noise generation models with elastic soil and underlines the significance of an accurate description of the soil in noise predictions. <xref ref-type="bibr" rid="B33">Wood (2016)</xref> states that significant acoustic pressures are associated with the slow-traveling interface waves and that the description of the interface between pile and soil is essential. The interface condition affects the shape of the traveling pulse along the pile and, subsequently, the wave radiation pattern. An extension of the wave equation analysis of piles (WEAP) method is used to solve this problem. The WEAP method describes the vertical displacement field in a pile following a single blow. After including radial pile displacements in the model, the pile is straightforwardly modeled as the noise source. The benefits of the model come with the cost of additional parametric assumptions (<xref ref-type="bibr" rid="B34">Wood and Humphrey, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Heitmann et&#xa0;al., 2015</xref>).</p>
<p>Few attempts are reported to model vibratory pile driving. <xref ref-type="bibr" rid="B32">Tsouvalas and Metrikine (2016)</xref> compare the wave field emitted between an impact-driven and a vibratory-driven pile. They observe that the highest noise levels are just above the seabed; this phenomenon is more substantial in vibratory pile driving due to the presence of the Scholte waves. The Scholte waves are even more dominant under low-frequency excitation, consistent with the primary driving frequency in vibratory pile driving (10~40 Hz). Furthermore, Tsouvalas and Metrikine note that the system almost reaches a steady state during vibratory pile driving. Consequently, pile-soil interaction is critical to accurately describe the dynamic behavior in this steady state.</p>
<p>
<xref ref-type="bibr" rid="B4">Dahl et&#xa0;al. (2015)</xref> discuss results from an experimental campaign on underwater noise from vibratory pile driving and propagate the measured field with an acoustic propagation model. Though the pile vibrations, as a noise source, are not directly measured, the acoustic measurements clearly show the presence of the primary driving frequency and several super-harmonics. In a review paper, <xref ref-type="bibr" rid="B30">Tsouvalas (2020)</xref> addresses the development of noise prediction models for vibratory pile driving as one of the five open challenges in state-of-the-art noise prediction. Other challenges include noise mitigation modeling, improvement of computational efficiency for uncertainty analysis, incorporation of the three-dimensional domain, and knowledge integration with marine biologists for a unified environmental impact assessment.</p>
<p>The concept of (non-linear) pile-soil interaction is not novel. Various related fields note the importance of pile-soil interaction during dynamic loading, for example, post-installation modeling of wind and wave loads (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Markou and Kaynia, 2018</xref>), piles in earthquake analysis (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Nogami and Konagai, 1987</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Novak, 1991</xref>), pile bearing capacity under vertical vibration (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Nogami and Konagai, 1987</xref>) and onshore vibratory pile driving (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Holeyman, 2002</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B3">Cui et&#xa0;al. (2022)</xref> introduce a Winkler spring connection between the pile and surrounding soil to study the effect of incomplete pile-soil bonding on the vibrations of a floating pile. All cases justify further research in pile-soil interaction for vibratory pile driving. The abovementioned cases mainly focus on pile vibrations, though the emitted wave field is specifically interested in noise predictions.</p>
<p>State-of-the-art models in impact pile driving are not directly suitable for vibratory installation because sufficiently accurate modeling of the pile-soil slip is essential for predicting underwater noise in the latter case. In vibratory pile driving, the system reaches a quasi-steady state where pile-soil interaction plays an essential role in describing the state. On the contrary, a wave traveling through the pile governs the motion in impact pile driving and the associated primary noise emission, while pile-soil interaction mainly affects the amplitude of the wave reflections and a short-lived transient slip. Thus, relative motion between pile and soil and the resulting soil dynamics should be modeled to improve the accuracy of noise predictions. In addition, improved accuracy should not cost significant computational power since computational efficiency is a substantial challenge in noise prediction models (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Tsouvalas, 2020</xref>).</p>
<p>This paper introduces a model that allows for relative motion between pile and soil in acoustic predictions of vibratory pile driving. It relaxes the perfect contact, i.e., monolithic, interface conditions between pile and soil, that is standard in acoustic pile driving models, by introducing a contact stiffness element comparable as done by <xref ref-type="bibr" rid="B3">Cui et&#xa0;al. (2022)</xref>. Friction is essential in vibratory pile installation but is strongly non-linear by definition. Regardless, the contact stiffness element allows for relative motion linearly between pile and soil, which is assumed sufficient for acoustic predictions. The model separates pile and fluid-soil substructures; a summation of the in-vacuo eigenmodes describes the pile vibration. The fluid-soil reaction to thepile is modeled via an indirect boundary element method. This model that allows for relative motion between pile and soil is the first novel contribution of the paper. The model is then validated based on the COMPILE benchmark case (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Lippert et&#xa0;al., 2016</xref>) with the finite element software &#x2018;COMSOL Multiphysics<sup>&#xae;</sup>&#x2019; (<xref ref-type="bibr" rid="B2">COMSOL, 2019</xref>). Hereafter, a realistic case study is developed to analyze the noise and seabed vibrations based on the contact element stiffness variation. The stiffness is varied between two extreme cases; the case of perfect contact and the case of no frictional force, i.e., perfect slip, between pile and soil. Last, the effect of the interface condition on the noise generation mechanism is highlighted. The analysis confirms that models that do not account for pile slip are not directly applicable to the vibratory installation. To the authors&#x2019; knowledge, this influence is for the first time discussed in scientific knowledge.</p>
<p>This paper introduces a new model with the governing equations and mathematical considerations discussed in Section 2. The Green&#x2019;s functions of ring sources in the fluid and soil domain are vital for the developed model and are derived in Section 3. The model is verified for a limit case in Section 4. Section 5 investigates the effect of pile-soil slip on noise generation mechanisms, noise pollution, and seabed vibrations. Finally, conclusions are drawn in Section 6.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Noise and seabed vibrations</title>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Model description</title>
<p>The problem at hand considers a pile driven offshore. A thin shell theory describes the motion of the pile. The shell occupies the domain 0&lt; <italic>z&lt; L</italic>
<sub>p</sub>, having constant thickness <italic>h</italic>
<sub>p</sub> and diameter 2<italic>r</italic>
<sub>p</sub>. The constants <italic>E</italic>
<sub>p</sub>, <italic>v</italic>
<sub>p</sub>, and <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>p</sub> correspond to the modulus of elasticity, Poisson&#x2019;s ratio, and density of the pile, respectively. The seawater is described as an acoustic fluid, and the soil is modeled as an elastic continuum. The fluid occupies the domain <italic>z</italic>
<sub>1</sub>&lt; <italic>z</italic>&lt; <italic>z</italic>
<sub>2</sub> anddepends on constants <italic>c</italic>
<sub>f</sub> and <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>f</sub>, the fluid wave speed and density, respectively. The soil half-space at <italic>z</italic>
<sub>2</sub>&lt; <italic>z</italic> is defined by Lam&#xe9; constants <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>s</sub> and <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>s</sub> and density <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>s</sub>. The model geometry and sub-structuring approach are visualized in <xref ref-type="fig" rid="f1">
<bold>Figure 1</bold>
</xref>. The problem is modeled in a cylindrical coordinate system, assuming symmetry over the azimuth (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>). The pile and fluid-soil domains are first considered individually, i.e., a substructuring approach, and subsequently coupled via kinematic and dynamic interface conditions at the pile surface, i.e., <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub>.</p>
<fig id="f1" position="float">
<label>Figure&#xa0;1</label>
<caption>
<p>The sub-structuring approach of the model: <bold>(A)</bold> the model geometry, <bold>(B)</bold> the in-vacuo pile substructure with an external load on top and distributed loads representing the fluid and soil response, and <bold>(C)</bold> the internal and external fluid-soil substructures with the pile load acting on the boundaries at <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub>.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g001.tif"/>
</fig>
<p>The interface conditions between the pile and soil are crucial in the modeling approach. The present model allows for relative motion between pile and soil via a contact stiffness element that varies in stiffness between the ultimate cases of perfect contact (PC), and no friction (NF), i.e. frictionless sliding. The authors believe that introducing the contact stiffness element improves noise prediction without computationally expensive non-linear time-domain calculations because it allows for limited relative motion between pile and soil, which is considered necessary for noise emission modeling. This study considers a frequency- and depth-independent contact spring element, though the element can theoretically contain both spring and damper and can be depth- and frequency-dependent. The idea behind this approach is that the pile is considered around a particular equilibrium state, i.e., the penetration depth is fixed. The contact spring element can be calibrated further based on a driveability model, i.e., (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Tsetas et&#xa0;al., 2023b</xref>) or experimental data.</p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>Governing equations</title>
<p>The analysis in this study is performed in the frequency domain, making use of the following Fourier transform pair:</p>
<disp-formula>
<label>(1)</label>
<mml:math display="block" id="M1">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The pile, fluid, and soil domains are referred to by subscript p, f, and s, respectively. Subscripts r and z refer to the radial and the vertical direction, respectively. The equations of motion of the pile read:</p>
<disp-formula>
<label>(2)</label>
<mml:math display="block" id="M2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ext</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>e</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <italic>
<bold>L</bold>
</italic>
<sub>p</sub> represents the stiffness components of Fl&#xfc;gge&#x2019;s thin shell theory (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Leissa, 1973</xref>) and depends on the shell material and geometrical properties. <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im1">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> contains the displacements of the pile. The hammer force is modeled as a distributed load on top of the pile via <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ext</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>e</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the fluid and soil reactions are lumped in <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:msub>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The interaction with fluid and soil can be written as a convolution over the length of the pile of the effective dynamic stiffness of the fluid-soil domain and the pile displacements: <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im5">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the analytical description of the effective dynamic stiffness, including the contact spring element, coupling the radial and the vertical direction. This convolution is later evaluated numerically and substituted by the boundary element matrix. The fluid and soil media are modeled as acoustic and linearly elastic continua. The equations of motion read:</p>
<disp-formula>
<label>(3)</label>
<mml:math display="block" id="M3">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(4)</label>
<mml:math display="block" id="M4">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The fluid equation of motion is written as a function of the displacement potential <italic>&#x3d5;</italic>
<sub>f</sub> (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>), with <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and fluid pressure <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, including <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im8">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:msub>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as volume injection source at the location of the pile (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Jensen et&#xa0;al., 2011</xref>). The soil equation of motion contains displacements vector <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and body forces vector <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the radius of the pile. The boundary value problem for the fluid-soil substructure is composed of a single fluid layer overlaying a soil half-space. The accompanying interface conditions read:</p>
<disp-formula>
<label>(5)</label>
<mml:math display="block" id="M5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(6)</label>
<mml:math display="block" id="M6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>zz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(7)</label>
<mml:math display="block" id="M7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(8)</label>
<mml:math display="block" id="M8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>zr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>Next to the interface conditions, the Sommerfeld radiation condition is applied at the infinite boundaries. Last, the two substructures are coupled via the interface conditions on the pile&#x2019;s interior and exterior surfaces. The interior surface is indicated with superscript &#x2018;-&#x2019; and the exterior with &#x2018;+&#x2019;. The interface conditions read:</p>
<disp-formula>
<label>(9)</label>
<mml:math display="block" id="M9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(10)</label>
<mml:math display="block" id="M10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;&#x2009;&#x2009;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(11)</label>
<mml:math display="block" id="M11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(12)</label>
<mml:math display="block" id="M12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>rr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>rr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;&#x2009;&#x2009;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(13)</label>
<mml:math display="block" id="M13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;&#xa0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(14)</label>
<mml:math display="block" id="M14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>rz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>rz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>in which <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the introduced contact stiffness element that allows for relative motion between pile and soil in the vertical direction. The limit cases of PC and NF are approached by the limits of <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x221e;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. In all cases, the continuity of displacements in the radial direction and equilibrium of stresses are satisfied.</p>
</sec>
<sec id="s2_3">
<label>2.3</label>
<title>Solution method</title>
<p>A solution for the pile and fluid-soil substructure is found independently and coupled via the interface conditions. A summation of in-vacuo modes describes the pile substructure, and an indirect boundary element approach defines the fluid-soil domain. Green&#x2019;s functions for a layered medium are obtained in the wavenumber domain (Section 3), and retrieved in space by the wavenumber integration technique (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Jensen et&#xa0;al., 2011</xref>). A boundary element matrix for the interior and exterior fluid-soil domainsis first obtained and subsequently substituted into the interface conditions: Eqs. (9) to (14). From the interface conditions, an effective boundary element matrix is derived based on the pile displacements, which is then substituted back into the equation of motion of the pile. Last, the orthogonality relation of the structural modes is applied to find the complex-valued modal coefficients.</p>
<p>First, the equation of motion of the pile is rewritten:</p>
<disp-formula>
<label>(15)</label>
<mml:math display="block" id="M15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mtext mathvariant="italic">p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ext</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>Then the displacement field of the pile is decomposed into a summation of structural modes, i.e.:</p>
<disp-formula>
<label>(16)</label>
<mml:math display="block" id="M16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The mode shapes <bold>
<italic>U</italic>
</bold>
<sub>p,</sub>
<italic>
<sub>k</sub>
</italic> (<italic>z</italic>) are found by solving the eigenvalue problem of the in-vacuo pile with free-end boundary conditions. The modal amplitudes <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are obtained after pre-multiplying Eq. (15) with another mode <italic>l</italic> once expressed in the modal domain, and subsequently, integrating over the length of the pile:</p>
<disp-formula>
<label>(17)</label>
<mml:math display="block" id="M17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ext</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>in which <italic>&#x3b4;<sub>lk</sub>
</italic> is the Kronecker delta function, and <italic>N<sub>k</sub>
</italic> is expressed as:</p>
<disp-formula>
<label>(18)</label>
<mml:math display="block" id="M18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The boundary element matrix of the fluid-soil substructure is derived based on the indirect boundary element method. The indirect boundary integral for a field <italic>&#x3d5;</italic> at <italic>p</italic> and a source &#x3c3; at <italic>q</italic> reads (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Kirkup, 2019</xref>):</p>
<disp-formula>
<label>(19)</label>
<mml:math display="block" id="M19">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3c3;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d&#x393;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(20)</label>
<mml:math display="block" id="M20">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d&#x393;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>with <italic>n<sub>p</sub>
</italic> being the normal vector and the constant <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <italic>p</italic> is on &#x393;<italic>
<sub>q</sub>
</italic> and <italic>c<sub>p</sub>
</italic> = 0 otherwise. The boundary element matrix is found after substituting Eq. (20) in Eq. (19) and eliminating the sources <italic>&#x3c3;</italic> <bold>(<italic>q</italic>)</bold>. The boundary element matrices for the interior and exterior domains are found based on the same Green&#x2019;s function, though the normal vector <italic>n<sub>p</sub>
</italic> changes direction. Since the problem is cylindrically symmetric with sources at the pile radius <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub>, Green&#x2019;s functions are derived for ring sources in both domains. The displacements and stress fields in fluid and soil are expressed in terms of Green&#x2019;s functions. The displacements, pressure, and stresses are expressed as integrals over all sources on the pile surface.</p>
<disp-formula>
<label>(21)</label>
<mml:math display="block" id="M21">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>&#xa0;f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(22)</label>
<mml:math display="block" id="M22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(23)</label>
<mml:math display="block" id="M23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(24)</label>
<mml:math display="block" id="M24">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>in which <italic>&#x3b1;</italic> = r, z, corresponds to the radial and vertical direction. The frequency domain Green's functions and Green&#x2019;s tensors are given by <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>...</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>...</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The superscript and operator &#xb1; in Eqs. (21) and (24) corresponds to the exterior (+) and interior (-) domain and originates from the direction of the normal vector <italic>n<sub>p</sub>
</italic> in Eq. (20). Numerical integration of Eqs. (21) to (24) results in a discrete matrix relating displacements, pressure, and stresses to the ring sources, both in the exterior and the interior domain, indicated with &#xb1; respectively. Because Green&#x2019;s functions are singular at the source, it is chosen to have a source of constant amplitude over the height of an element to circumvent the singularity; i.e., the integrals are evaluated by the midpoint rule. Additionally, the integration scheme positively affects the convergence rate of the inverse Hankel transforms addressed later. The Green&#x2019;s functions and Green&#x2019;s tensor functions are derived in Section 3.</p>
<disp-formula>
<label>(25)</label>
<mml:math display="block" id="M25">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fr</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>srr</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>srz</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="bold">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>with <bold>
<italic>I</italic>
</bold> being the identity matrix and the overhead bar indicating that the variables are discretized. After some standard linear algebra, stresses and displacements are related via the dynamic stiffness matrix of the fluid-soil domain:</p>
<disp-formula>
<label>(26)</label>
<mml:math display="block" id="M26">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>srr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>srz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The effective fluid-soil stiffness matrix in Eq. (17) is a function of the pile displacements and therefore includes the description of the pile-soil interface condition. Thus, the convolution integral <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im18">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is numerically evaluated by substituting Eq. (26) into Eqs. (9) to (14). In the PC case, the effective stiffness fluid-soil matrix is equal to the matrix found in Eq. (26), i.e., <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im19">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fs</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Fluid-soil Green&#x2019;s functions</title>
<p>The Green&#x2019;s functions for a layered medium are derived in two steps. First, Green&#x2019;s functions for the infinite space are derived from a ring source in both fluid and soil media. Second, the infinite space Green&#x2019;s functions are substituted in the boundary value problem. Since the problem is cylindrically symmetric with sources at <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub>, Green&#x2019;s functions are derived for ring sources in both domains. First, the soil displacements are decomposed into potentials:</p>
<p>
<inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>e</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Hereafter, the problem is transformed to the frequency-wavenumber domain by making use of the following Hankel transform pair:</p>
<disp-formula>
<label>(27)</label>
<mml:math display="block" id="M27">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2194;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The fluid-soil domain is split into an interior and an exterior domain at the position of the pile, <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub>. The applied indirect boundary method includes Green&#x2019;s functions of ring sources at the pile&#x2019;s location and derives the displacement and stress field at the boundary as a function of the sources. The potential solution is sought for in the form of a homogeneous solution and a particular solution:</p>
<disp-formula>
<label>(28)</label>
<mml:math display="block" id="M28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(29)</label>
<mml:math display="block" id="M29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(30)</label>
<mml:math display="block" id="M30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>sP</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The particular solutions in Eqs. (28) to (30) are derived from the infinite space Green&#x2019;s functions introduced in Sections 3.1 and 3.2. The homogeneous part is based on the boundary value problem, given by Eqs. (5) to (8). The problem is transformed to the wavenumber domain by applying Eq. (27):</p>
<disp-formula>
<label>(31)</label>
<mml:math display="block" id="M31">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(32)</label>
<mml:math display="block" id="M32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(33)</label>
<mml:math display="block" id="M33">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(34)</label>
<mml:math display="block" id="M34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>which can be expressed in potentials via:</p>
<disp-formula>
<label>(35)</label>
<mml:math display="block" id="M35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(36)</label>
<mml:math display="block" id="M36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(37)</label>
<mml:math display="block" id="M37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(38)</label>
<mml:math display="block" id="M38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The Green&#x2019;s functions and Green&#x2019;s tensors in Eqs. (21) to (24) are found by substituting the potential in the displacements and stresses and by applying the inverse Hankel transform.</p>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>Fluid source</title>
<p>The ring source in the fluid is introduced in the form of a ring volume injection <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, of which the wavenumber counterpart is designated as <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Equation (3) is transformed to the wavenumber domain by applying Eq. (27) to give:</p>
<disp-formula>
<label>(39)</label>
<mml:math display="block" id="M39">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>with <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>cf</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>z<sub>s</sub>
</italic> the source position. The infinite space Greens function for a ring load in the wavenumber domain is given by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Peng et&#xa0;al. (2021a)</xref>:</p>
<disp-formula>
<label>(40)</label>
<mml:math display="block" id="M40">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>fP</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The Green&#x2019;s functions for a layered medium are obtained after substituting the free field particular solution given by Eq. (40) into Eq. (28) and the boundary value problem: Eqs. (31) to (34), and applying the inverse Hankel transform.</p>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>Soil source</title>
<p>Similarly to the fluid source, a distributed ring load at <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub> excites the infinite space. The force is directed either in the radial or the vertical direction. Equation (4) is first transformed to the wavenumber domain resulting in the following coupled equations:</p>
<disp-formula>
<label>(41)</label>
<mml:math display="block" id="M41">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>r</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(42)</label>
<mml:math display="block" id="M42">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>with <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The potentials for a ring load in the radial direction in an infinite elastic space read:</p>
<disp-formula>
<label>(43)</label>
<mml:math display="block" id="M43">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>F</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mtext>P</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(44)</label>
<mml:math display="block" id="M44">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>F</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mtext>P</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>Similarly, the potentials for a vertical load read:</p>
<disp-formula>
<label>(45)</label>
<mml:math display="block" id="M45">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>F</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mtext>P</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula>
<label>(46)</label>
<mml:math display="block" id="M46">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mtext>F</mml:mtext>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mtext>P</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>z</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>Again, the displacement and stress field at boundary <italic>r</italic> = <italic>r</italic>
<sub>p</sub> are found in terms of Green&#x2019;s functions and Green&#x2019;s tensor functions by substitution of the particular solutions in the boundary value problem.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Model verification</title>
<p>The model developed in this paper is verified against a finite element model in &#x2018;COMSOL Multiphysics<sup>&#xae;</sup>&#x2019; (<xref ref-type="bibr" rid="B2">COMSOL, 2019</xref>), with input data from the COMPILE benchmark case (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Lippert et&#xa0;al., 2016</xref>), together with the near-field responses in the companion paper (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Lippert et&#xa0;al., 2016</xref>). In the COMPILE case, the soil domain is represented by an acoustic fluid though. Therefore, soil parameters are adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B22">Peng et&#xa0;al. (2021a)</xref> to validate the elastic soil case, and all properties are summarized in <xref ref-type="table" rid="T1">
<bold>Table&#xa0;1</bold>
</xref>. The verification is performed under perfect contact conditions in which no sliding is allowed between the pile and the soil.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>Table&#xa0;1</label>
<caption>
<p>Model properties for model verification in Section 4.</p>
</caption>
<table frame="hsides">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left">Parameter</th>
<th valign="top" align="center"/>
<th valign="top" align="center">unit</th>
<th valign="top" align="center">Parameter</th>
<th valign="top" align="center"/>
<th valign="top" align="center">unit</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">Sea surface depth [<italic>z</italic>
<sub>1</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">0</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Structural damping</td>
<td valign="top" align="right">0.001</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Seabed depth [<italic>z</italic>
<sub>2</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">10</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Fluid wavespeed [<italic>c</italic>
<sub>f</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">1500</td>
<td valign="top" align="center">m s<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Final penetration depth</td>
<td valign="top" align="right">25</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Fluid density [<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>f</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">1025</td>
<td valign="top" align="center">kg m<sup>&#x2212;3</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile length [<italic>L</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">25</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Compression wavespeed soil [<italic>c</italic>
<sub>L</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">1800</td>
<td valign="top" align="center">m s<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile thickness [<italic>t</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">0.05</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Shear wavespeed soil [<italic>c</italic>
<sub>T</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">170</td>
<td valign="top" align="center">m s<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile radius [<italic>r</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">1</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Soil density [<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>s</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">2000</td>
<td valign="top" align="center">kg m<sup>&#x2212;3</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile Poisons ratio [<italic>v</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">0.30</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">Compressional wave attenuation [<italic>&#x3b1;</italic>
<sub>L</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">0.469</td>
<td valign="top" align="center">dB/&#x3bb;</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile Youngs modulus [<italic>E</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">210</td>
<td valign="top" align="center">GPa</td>
<td valign="top" align="center">Shear wave attenuation [<italic>&#x3b1;</italic>
<sub>T</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">1.69</td>
<td valign="top" align="center">dB/&#x3bb;</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile density [<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="right">7850</td>
<td valign="top" align="center">kg m<sup>&#x2212;3</sup>
</td>
<td valign="top" align="left"/>
<td valign="top" align="right"/>
<td valign="top" align="left"/>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p>Parameters adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B14">Lippert et&#xa0;al. (2016)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B22">Peng et&#xa0;al. (2021a)</xref>.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>For the validation of the near field model, a harmonic load on top of the pile is considered at frequencies up to 500 Hz. Boundary elements of 0.05 m are used; the mesh is sufficiently small compared to the shortest wavelength of 0.34 m. The upper limit in the inverse Hankel transform is fixed at <italic>k</italic> = 500 m<sup>-1</sup> which is sufficiently large because it guarantees that all integrands are smaller than 0.2% of the maximum amplitude. The truncation might seem unnecessarily high compared to the Scholte wavenumber at <italic>f</italic> = 500 Hz, i.e., <italic>k</italic>
<sub>scholte</sub> &#x2248; 20.5 m<sup>&#x2013;1</sup>, however, it is deemed necessary when source and receiver are positioned at close distance. Pile, fluid, and soil transfer functions are validated for a load amplitude of 1 MN on top of the pile throughout the frequency range. <xref ref-type="fig" rid="f2">
<bold>Figure&#xa0;2</bold>
</xref> shows the pile displacements at three frequencies distributed within the frequency domain of interest for vibratory pile driving (&#x223c;15 &#x2192; 500 Hz). The pile displacements predicted by Comsol and the present model are in excellent agreement.</p>
<fig id="f2" position="float">
<label>Figure&#xa0;2</label>
<caption>
<p>Comparison of the amplitudes of the pile vibrations between Comsol (dark colors) and the present model (light colors) for a harmonic load of 1 MN on top of the pile at 30, 100 and 250 Hz.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g002.tif"/>
</fig>
<p>The sound pressure level (<italic>L</italic>
<sub>p</sub>) in the fluid is calculated by (<xref ref-type="bibr" rid="B10">ISO, 2017</xref>):</p>
<disp-formula>
<label>(47)</label>
<mml:math display="block" id="M47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rms</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ref</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>in which the real mean square in the frequency domain is found by <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im28">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>rms</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>|</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the reference pressure in underwater acoustics is <italic>p</italic>
<sub>ref</sub> = 1&#xb5;Pa. The sound pressure levels in the near field are in excellent agreement between Comsol and the present model, both in the center of the fluid layer (<italic>z</italic> = 5 m) and at one meter above the seabed surface (<italic>z</italic> = 9 m) as shown in <xref ref-type="fig" rid="f3">
<bold>Figure&#xa0;3</bold>
</xref>.</p>
<fig id="f3" position="float">
<label>Figure&#xa0;3</label>
<caption>
<p>Comparison of the sound pressure levels in the water at a radius of 10 m between Comsol (dark colors) and the present model (light colors) for a harmonic load of 1 MN.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Effect of pile-soil interface conditions</title>
<p>A realistic case study is considered hereafter to examine the effect of varying pile-soil interface conditions based on the geometry and material parameters described in <xref ref-type="bibr" rid="B4">Dahl et&#xa0;al. (2015)</xref> and measurements of a representative vibratory force by <xref ref-type="bibr" rid="B28">Tsetas et&#xa0;al. (2023a)</xref>. The data can be used together since both campaigns used piles with an equal diameter of 0.762 m and comparable driving depths into the soil. <xref ref-type="table" rid="T2">
<bold>Table&#xa0;2</bold>
</xref> includes all parameters used in the case study.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>Table&#xa0;2</label>
<caption>
<p>Model properties used to examine the effect of pile-soil interface conditions based on parameters in Section 5.</p>
</caption>
<table frame="hsides">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left">Parameter</th>
<th valign="top" align="center"/>
<th valign="top" align="center">unit</th>
<th valign="top" align="center">Parameter</th>
<th valign="top" align="center"/>
<th valign="top" align="center">unit</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">Sea surface depth [<italic>z</italic>
<sub>1</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">1.4</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Structural damping</td>
<td valign="top" align="center">0.001</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Seabed depth [<italic>z</italic>
<sub>2</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">8.9</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Fluid wavespeed [<italic>c</italic>
<sub>f</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">1475</td>
<td valign="top" align="center">m s<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Final penetration depth</td>
<td valign="top" align="center">16</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Fluid density [<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>f</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">1000</td>
<td valign="top" align="center">kg m<sup>&#x2212;3</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile length [<italic>L</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">17.4</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Compression wavespeed soil [<italic>c</italic>
<sub>L</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">1850</td>
<td valign="top" align="center">m s<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile thickness [<italic>t</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">2.54</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Shear wavespeed soil [<italic>c</italic>
<sub>T</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">400</td>
<td valign="top" align="center">m s<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile radius [<italic>r</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">0.762</td>
<td valign="top" align="center">m</td>
<td valign="top" align="center">Soil density [<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>s</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">1900</td>
<td valign="top" align="center">kg m<sup>&#x2212;3</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile Poisons ratio [<italic>v</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">0.28</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">Compressional wave attenuation [<italic>&#x3b1;</italic>
<sub>L</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">0.03</td>
<td valign="top" align="center">dB/&#x3bb;</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile Youngs modulus [<italic>E</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">210</td>
<td valign="top" align="center">GPa</td>
<td valign="top" align="center">Shear wave attenuation [<italic>&#x3b1;</italic>
<sub>T</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">0.20</td>
<td valign="top" align="center">dB/&#x3bb;</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Pile density [<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>p</sub>]</td>
<td valign="top" align="center">7850</td>
<td valign="top" align="center">kg m<sup>&#x2212;3</sup>
</td>
<td valign="top" align="left"/>
<td valign="top" align="right"/>
<td valign="top" align="left"/>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p>Parameters adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B4">Dahl et&#xa0;al. (2015)</xref>.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>The applied force at the top of the pile is derived from actual strain measurements as shown in <xref ref-type="fig" rid="f4">
<bold>Figure&#xa0;4</bold>
</xref>. The force is periodic and consists of a primary driving frequency of 25 Hz and strong super-harmonics every 25 Hz. The super-harmonics play a major role in noise emission because at these frequencies sound radiation is more efficient than the main driving frequency. This is confirmed by <xref ref-type="bibr" rid="B4">Dahl et&#xa0;al. (2015</xref>) (<xref ref-type="fig" rid="f3">
<bold>Figure&#xa0;3</bold>
</xref>), where the measured sound pressure levels at the super-harmonics are of higher amplitude than the sound pressure level at the main driving frequency.</p>
<fig id="f4" position="float">
<label>Figure&#xa0;4</label>
<caption>
<p>Estimated vibratory force exerted by the installation tool at the pile head as a function. <bold>(A)</bold> shows the time signature and <bold>(B)</bold> the amplitude spectrum of the force (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Tsetas et&#xa0;al., 2023a</xref>).</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g004.tif"/>
</fig>
<p>The Scholte wave often plays a significant role in underwater noise at relatively low frequencies. The intensity of this wave is often overestimated if the pile and soil are assumed in perfect contact. Hereafter, relative motion is allowed between pile and soil via a linear spring element introduced at the pile-soil interface. Four cases are evaluated; a case with perfect contact between pile and soil (PC), a case of no frictional forces (NF), and two cases with relaxed pile-soil contact via the interface element. The interface element relaxes the static (<italic>f</italic> = 0 Hz) vertical soil stiffness to 75% and 5% of its original stiffness. The cases are abbreviated to <italic>k</italic>
<sub>F</sub> 75% and <italic>k</italic>
<sub>F</sub> 5%, and correspond to values of <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#xa0;</mml:mi>
<mml:mtext>Nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively.</p>
<sec id="s5_1">
<label>5.1</label>
<title>Pile vibrations</title>
<p>Allowing for relative motion between pile and soil affects the pile vibrations and the energy transferred to the surrounding domain. <xref ref-type="fig" rid="f5">
<bold>Figure&#xa0;5</bold>
</xref> shows the amplitude of the pile displacements at 25 Hz and 125 Hz for varying values of <inline-formula>
<mml:math display="inline" id="im31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The frequencies are chosen specifically at the driving frequency and the fourth super-harmonic. <xref ref-type="fig" rid="f5">
<bold>Figure&#xa0;5A</bold>
</xref> shows that the rigid body motion governs the pile vibrations at low frequencies. For <italic>k</italic>
<sub>F</sub> 5%, the radial pile and soil displacements are amplified. This is counterintuitive, but because the system has reduced soil stiffness and low damping, the resonance amplitude of the rigid body mode is amplified significantly. At higher frequencies, the dynamic response of the pile is strongly influenced by the pile-soil interface as shown in <xref ref-type="fig" rid="f5">
<bold>Figure&#xa0;5B</bold>
</xref>; altering the noise source significantly in the fluid domain.</p>
<fig id="f5" position="float">
<label>Figure&#xa0;5</label>
<caption>
<p>The amplitudes of the pile displacements in radial (<italic>u</italic>
<sub>pr</sub>) and vertical (<italic>u</italic>
<sub>pz</sub>) direction for a 1 MN harmonic force on top of the pile at 25 Hz and 125 Hz in <bold>(A, B)</bold>, respectively.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_2">
<label>5.2</label>
<title>Underwater noise field and seabed vibrations</title>
<p>The change in pile dynamics affects the soil displacements and pressure levels in the fluid. The traveling waves in fluid and soil are visualized in <xref ref-type="fig" rid="f6">
<bold>Figure&#xa0;6</bold>
</xref>. The figure shows snapshots of the fluid pressure and vertical soil displacement in the surroundings. <xref ref-type="fig" rid="f6">
<bold>Figure&#xa0;6A</bold>
</xref> shows that the Scholte waves govern the wavefield because the excitation frequency is below the cut-off frequency of this shallow fluid waveguide (<italic>f</italic>
<sub>cut-off</sub> &#x2248; 37.5 Hz). The cut-off frequency linearly depends on water depth; thus, a pressure wave can exist at the driving frequency in the case of deeper waters. The Scholte wave is visible in the soil and fluid, though the amplitude is negligible in case of perfect sliding conditions (NF case). The soil motion is amplified at <italic>k</italic>
<sub>F</sub> 5% because the main driving frequency is close to the eigenfrequency of the rigid body mode. It is debatable if this resonance is an artifact or physical. Experimental data should justify if it is indeed physical or that the artifact disappears with more realistic interface modeling, e.g. including damping. Contrary, <xref ref-type="fig" rid="f6">
<bold>Figure&#xa0;6B</bold>
</xref> clearly shows bulk pressure waves propagating through the fluid, while the Scholte waves influence a narrow zone close to the seabed. Next, the Scholte wave becomes visible with increasing pile-soil stiffness, though the penetration zone in the fluid reduces at higher frequencies due to the shorter wavelength of the Scholte waves. <xref ref-type="fig" rid="f6">
<bold>Figure&#xa0;6</bold>
</xref> confirms the expectation that the interface conditions strongly affect both primary and secondary noise paths.</p>
<fig id="f6" position="float">
<label>Figure&#xa0;6</label>
<caption>
<p>
<bold>(A, B)</bold> show the real part of the fluid pressure and vertical soil displacement for a harmonic 1 MN force at 25 Hz and 125 Hz respectively.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g006.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="f7">
<bold>Figure&#xa0;7</bold>
</xref> shows the sound pressure levels as a function of range and depth for varying cases. The pressure levels are highest above the seabed both from the primary and secondary noise path and decay with distance. With increasing contact stiffness <italic>k</italic>
<sub>F</sub>, the interference of pressure waves in the fluid and Scholte waves is clearly visible in <xref ref-type="fig" rid="f7">
<bold>Figure&#xa0;7B</bold>
</xref>. Negligible noise is generated in the case of NF at 25 Hz because this frequency is below the cut-off frequency of propagating body modes in the fluid and almost no energy is transferred to the Scholte waves due to the lack of shear excitation.</p>
<fig id="f7" position="float">
<label>Figure&#xa0;7</label>
<caption>
<p>Figure <bold>(A, B)</bold> show the sound pressure levels in dB versus depth and height in the fluid for a harmonic 1 MN force at 25 Hz and 125 Hz respectively.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g007.tif"/>
</fig>
<p>The transfer functions or frequency response functions for a unit 1 MN harmonic load on top of the pile at a receiver point at a radius of 20 m are shown in <xref ref-type="fig" rid="f8">
<bold>Figures&#xa0;8A</bold>
</xref>, <xref ref-type="fig" rid="f8">
<bold>B</bold>
</xref>. The sound pressure level transfer functions depend strongly on the contact stiffness element. The sound pressure levels are significantly higher at 0.5 m above the seabed than in the middle of the fluid column for cases with Scholte waves. Scholte waves are most dominant at low frequencies (&lt;200 Hz). At approximately 150, 300, and 450 Hz, the first in-vacuo eigenfrequencies of the pile are indicated with a black dotted vertical line. The sound pressure level amplifies around these frequencies if soil and pile are loosely coupled and the system experiences low damping. Thus, eigenfrequencies play an increasingly important role in the case of reduced resistance. The resonance of the rigid body mode, as discussed in Section 5.1, is visible at 23 Hz for <italic>k</italic>
<sub>F</sub> 5%. It is debatable whether this mode is physical or not. One might say that, in reality, this mode can exist at low frequencies with reduced soil resistance. On the other hand, it can be argued that frictional damping limits this resonance behavior. Damping at the pile-soil surface via an imaginary part in <italic>k</italic>
<sub>F</sub> can represent the interface damping.</p>
<fig id="f8" position="float">
<label>Figure&#xa0;8</label>
<caption>
<p>
<bold>(A, B)</bold> show the sound pressure level transfer functions for a 1 MN harmonic load on top of the pile at a 20 m radius and <italic>z</italic> = 3 m and <italic>z</italic> = 7 m, respectively. <bold>(C, D)</bold> show the sound pressure levels resulting from the vibratory force from Figure&#xa0;4 at a 20 m radius and <italic>z</italic> = 3 m and <italic>z</italic> = 7 m, respectively. The dotted vertical lines indicate the eigenfrequencies of the pile.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g008.tif"/>
</fig>
<p>The importance of the sound pressure level transfer functions becomes evident when the actual force is applied at the top of the pile by multiplying the transfer functions with the spectrum of the force plotted in <xref ref-type="fig" rid="f4">
<bold>Figure&#xa0;4B</bold>
</xref>. <xref ref-type="fig" rid="f8">
<bold>Figures&#xa0;8C, D</bold>
</xref> shows the periodicity of the peaks related to the force spectrum. The surface waves at low frequencies govern the noise field above the seabed except for the NF case as shown in <xref ref-type="fig" rid="f8">
<bold>Figure&#xa0;8D</bold>
</xref>. In the middle of the fluid layer, the peaks are of similar amplitude for most super-harmonics. In the case of NF and <italic>k</italic>
<sub>F</sub> 5%, the in-vacuo eigenfrequencies of the pile amplify the sound pressure level next to the peaks enforced by the external force.</p>
<p>Applying the inverse Fourier transform gives the periodic time domain response of the fluid and soil. <xref ref-type="fig" rid="f9">
<bold>Figure&#xa0;9</bold>
</xref> shows a snapshot of the time domain pressure field in the fluid and vertical displacements in the soil. The Scholte waves at the driving frequency govern the wavefield in all cases except for the case of NF. In the upper part of the fluid layer, interference patterns are visible in fluid pressure waves of varying wavelengths. The predominant pressure wave pattern in the case of NF corresponds to a frequency of approximately 150 Hz i.e., the first eigenfrequency of the pile, in line with expectations from the earlier analysis.</p>
<fig id="f9" position="float">
<label>Figure&#xa0;9</label>
<caption>
<p>Snapshot of the time domain pressure field for the periodic force for varying interface conditions.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g009.tif"/>
</fig>
<p>To examine the accumulative noise pollution over a time interval, the sound exposure levels (<italic>L</italic>
<sub>E</sub>) are calculated. The sound exposure level shows the time-integrated squared sound pressure in decibels and are calculated via (<xref ref-type="bibr" rid="B10">ISO, 2017</xref>):</p>
<disp-formula>
<label>(48)</label>
<mml:math display="block" id="M48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mtext>E</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ref</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:msup>
<mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>with the reference value for sound pressure in fluids <italic>E</italic>
<sub>ref</sub> = 1<italic>&#x3bc;</italic> Pa<sup>2</sup>s. <xref ref-type="fig" rid="f10">
<bold>Figure&#xa0;10</bold>
</xref> shows the sound exposure levels in the fluid domain throughout 1 second of the forced response. The amplitude of the sound exposure levels varies strongly with the various cases with no particular trend. In the NF case, the sound exposure is governed by the bulk pressure waves, while in the PC case, the Scholte waves contribute significantly. This shows that the sound exposure level above the seabed is highest in the Scholte waves&#x2019; presence. In the case of NF, the bulk pressure wave causes lower sound exposure levels above the seabed but relatively higher levels in the middle and upper part of the fluid column.</p>
<fig id="f10" position="float">
<label>Figure&#xa0;10</label>
<caption>
<p>Sound exposure levels in dB versus depth and height in the fluid throughout 1 second forcing.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g010.tif"/>
</fig>
<p>Biologists are additionally interested in particle velocity of fluid and seabed for environmental assessment. <xref ref-type="fig" rid="f11">
<bold>Figure&#xa0;11</bold>
</xref> shows the particle velocity norm and directionality at a snapshot in time. The figure shows that the predominant particle motion is along the vertical direction at the seabed-water interface. However, in the absence of the Scholte waves, the particle motion direction is governed by the radial direction due to the bulk pressure waves alone.</p>
<fig id="f11" position="float">
<label>Figure&#xa0;11</label>
<caption>
<p>Snapshot of particle velocity norm in mm s<sup>&#x2013;1</sup> in fluid and soil domains including velocity directionality.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g011.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_3">
<label>5.3</label>
<title>Reduced soil shear stiffness</title>
<p>The experimental campaign in <xref ref-type="bibr" rid="B4">Dahl et&#xa0;al. (2015)</xref> consists of soil with high shear wave speed. In many known cases, the shear wave speed is significantly lower. Since the shear wave speed strongly influences the amplification of the Scholte waves, the analysis is repeated for a reduced shear wave speed of 150 ms<sup>&#x2013;1</sup>, which is typical in marine environments with sandy sediments in the North Sea in Europe (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Peng et&#xa0;al., 2021a</xref>). The rest of the parameters are given in <xref ref-type="table" rid="T2">
<bold>Table&#xa0;2</bold>
</xref>. This results in a relative reduction of the stiffness to 95% and 20% compared to the static stiffness for the rigid body mode, for a contact spring element <italic>k</italic>
<sub>F</sub> of 5 &#xd7; 10<sup>8</sup> N m<sup>&#x2013;1</sup> and 5 &#xd7; 10<sup>6</sup> N m<sup>&#x2013;1</sup>, respectively.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="f12">
<bold>Figure&#xa0;12</bold>
</xref> shows the transfer functions of the pressure field, similarly to <xref ref-type="fig" rid="f8">
<bold>Figures&#xa0;8A, B</bold>
</xref>. Both figures show similar behavior, though the differences in pressure levels between the cases in sound pressure levels are smaller with lower shear wave speed at frequencies between 100 Hz and 350 Hz.</p>
<fig id="f12" position="float">
<label>Figure&#xa0;12</label>
<caption>
<p>
<bold>(A, B)</bold> show the sound pressure level transfer functions for a 1 MN harmonic load on top of the pile at 20 m radius and soil with a low shear modulus.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g012.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="f13">
<bold>Figure&#xa0;13</bold>
</xref> shows a snapshot of the time domain fluid pressures and the vertical soil displacements. The Scholte waves visible differ significantly compared to <xref ref-type="fig" rid="f9">
<bold>Figure&#xa0;9</bold>
</xref>. The Scholte wave is of a shorter wavelength due to the lower shear wave speed and has a reduced penetration into the fluid zone. Thus, the primary noise path becomes more pronounced. The reduced penetration of the Scholte waves also explains the reason why the Scholte waves contribute less to the sound pressure levels in <xref ref-type="fig" rid="f12">
<bold>Figure&#xa0;12</bold>
</xref> compared to the case shown earlier. Contrary, the vertical displacements in the soil are of larger amplitude compared to <xref ref-type="fig" rid="f9">
<bold>Figure&#xa0;9</bold>
</xref>. Otherwise, the principles of noise generation align with the original case. Even for soil with lower shear wave speeds, the role of the interface waves in the noise generation remains significant, causing dominant pressure levels and seabed vibrations.</p>
<fig id="f13" position="float">
<label>Figure&#xa0;13</label>
<caption>
<p>Snapshot of time domain pressure field for the periodic force for varying interface conditions with soil with a low shear modulus.</p>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fmars-10-1118286-g013.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s6" sec-type="conclusions">
<label>6</label>
<title>Conclusion</title>
<p>This paper concludes that models for impact pile driving are not directly applicable in vibratory pile driving because a more advanced description of pile-soil interaction is essential for predicting noise and vibrations accurately. The pile-soil interface condition strongly influences the dynamic response of the pile and the energy transfer mechanism in the surrounding domain. More specifically:</p>
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>The dynamic response of the pile depends strongly on the coupling to the soil, which, in turn, influences the primary noise and secondary noise paths.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>In case pile and soil are loosely coupled, the in-vacuo eigenfrequencies of the pile play an increasingly important role in noise generation. The reduced damping and stiffness in the system cause amplification of the structural vibrations around the eigenfrequencies of the coupled system.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>In the case of strong pile-soil coupling, Scholte interface waves are amplified and contribute significantly to the fluid pressures. The Scholte waves govern the seabed vibrations for high and low shear speeds. Due to the possible intense seabed vibrations, marine life on or above can potentially be harmed. The Scholte waves are significant at low frequencies and, therefore, more important in vibratory installation compared to impact pile driving.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>The pile-soil interface conditions strongly influence the particle velocity field.</p>
</list-item>
</list>
<p>Even with a relaxation of the pile-soil interface condition, the presence of the Scholte wave affects the sound field due to the relatively low primary excitation frequency. Therefore, models representing the soil by an acoustic fluid are insufficient invibratory pile driving. This study shows the noise generation mechanisms qualitatively in the case of piles installed with vibratory tools. Future research in describing the interface condition and experimental data to validate the model is needed for a fully quantitative investigation.</p>
</sec>
<sec id="s7" sec-type="data-availability">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material. Further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s8" sec-type="author-contributions">
<title>Author contributions</title>
<p>TM, AT, and AM contributed to the concept of the study. TM built the model and ran the analysis. AT and AM gave important feedback on the results, and all discussed the interpretation of the results. TM wrote the first draft of the manuscript; AT significantly directed the manuscript&#x2019;s content. All authors contributed to the manuscript revision and read and approved the submitted version.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s9" sec-type="funding-information">
<title>Funding</title>
<p>This research is funded in the framework of the Grow joint research program by &#x201c;Topsector Energiesubsidie van het Ministerie van Economische Zaken&#x201d; under grant number TE-HE117100.</p>
</sec>
<ack>
<title>Acknowledgments</title>
<p>This research is associated with the GDP project in the framework of the GROW joint research program. Funding from &#x201c;Topsector Energiesubsidie van het Ministerie van Economische Zaken&#x201d; under grant number TE-HE117100 and financial/technical support from the following partners is gratefully acknowledged: Royal Boskalis Westminster N.V., CAPE Holland B.V., Deltares, Delft Offshore Turbine B.V., Delft University of Technology, ECN, EnecoWind B.V., IHC IQIP B.V., SHL Offshore Contractors B.V., Shell Global Solutions International B.V., Sif Netherlands B.V., TNO, and Van Oord OffshoreWind Projects B.V.</p>
</ack>
<sec id="s10" sec-type="COI-statement">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec id="s11" sec-type="disclaimer">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Benhemma-Le Gall</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Graham</surname> <given-names>I. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Merchant</surname> <given-names>N. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thompson</surname> <given-names>P. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Broad-scale responses of harbor porpoises to pile-driving and vessel activities during offshore windfarm construction</article-title>. <source>Front. Mar. Sci.</source> <volume>8</volume>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fmars.2021.664724</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<collab>COMSOL</collab>
</person-group> (<year>2019</year>). <source>Comsol multiphysics&#xae; v. 5.6</source> (<publisher-loc>stockholm, sweden</publisher-loc>: <publisher-name>comsol ab</publisher-name>). Available at: <uri xlink:href="http://www.comsol.com">www.comsol.com</uri>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cui</surname> <given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meng</surname> <given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname> <given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname> <given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xin</surname> <given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Vertical vibration of a floating pile considering the incomplete bonding effect of the pile-soil interface</article-title>. <source>Comput. Geotechnics</source> <volume>150</volume>, <elocation-id>104894</elocation-id>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2022.104894</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dahl</surname> <given-names>P. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dall&#x2019;Osto</surname> <given-names>D. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Farrell</surname> <given-names>D. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>The underwater sound field from vibratory pile driving</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>137</volume>, <fpage>3544</fpage>&#x2013;<lpage>3554</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.4921288</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<collab>European Commission</collab>
</person-group> (<year>2020</year>). <source>Communication from the commission to the European parliament, the council, the European economic and social committee and the committee of the regions: An EU strategy to harness the potential of offshore renewable energy for a climate neutral future</source> (<publisher-loc>Brussels, Belgium</publisher-loc>: <publisher-name>Tech. rep</publisher-name>).</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fernandez-Betelu</surname> <given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Graham</surname> <given-names>I. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brookes</surname> <given-names>K. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheney</surname> <given-names>B. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barton</surname> <given-names>T. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thompson</surname> <given-names>P. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Far-field effects of impulsive noise on coastal bottlenose dolphins</article-title>. <source>Front. Mar. Sci.</source> <volume>8</volume>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fmars.2021.664230</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fricke</surname> <given-names>M. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rolfes</surname> <given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Towards a complete physically based forecast model for underwater noise related to impact pile driving</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>137</volume>, <fpage>1564</fpage>&#x2013;<lpage>1575</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.4908241</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Heitmann</surname> <given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mallapur</surname> <given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lippert</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruhnau</surname> <given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lippert</surname> <given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>von Estorff</surname> <given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Numerical determination of equivalent damping parameters for a finite element model to predict the underwater noise due to offshore pile driving</article-title>. <source>Euronoise</source> <volume>2015</volume>, <fpage>605</fpage>&#x2013;<lpage>610</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Holeyman</surname> <given-names>A. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Soil behaviour under vibratory driving</article-title>. <source>Proceedings of the International Conference on Vibratory Pile Driving and Deep Soil Compaction, Transvib 2002</source>. <fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<collab>ISO</collab>
</person-group>. (<year>2017</year>). <source>ISO 18405:2017 underwater acoustics &#x2014; terminology</source> (<publisher-loc>Geneva, Switzerland</publisher-loc>).</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jensen</surname> <given-names>F. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuperman</surname> <given-names>W. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Porter</surname> <given-names>M. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schmidt</surname> <given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <source>Computational ocean acoustics</source>. <edition>2nd ed.</edition> (<publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer New York</publisher-name>). doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4419-8678-8</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kirkup</surname> <given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>The boundary element method in acoustics: A survey</article-title>. <source>Appl. Sci. (Switzerland)</source> <volume>9</volume>, <elocation-id>1642</elocation-id>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/app9081642</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leissa</surname> <given-names>A. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1973</year>). <source>Vibration of shells</source> (<publisher-loc>Washington, D.C</publisher-loc>: <publisher-name>Tech. rep., Scientific and Technical Information Office National Aeronautics and Space Administration</publisher-name>).</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lippert</surname> <given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nijhof</surname> <given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lippert</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wilkes</surname> <given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gavrilov</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heitmann</surname> <given-names>K.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group>. (<year>2016</year>). <article-title>COMPILE&#x2013;a generic benchmark case for predictions of marine pile-driving noise</article-title>. <source>IEEE J. Oceanic Eng.</source> <volume>41</volume>, <fpage>1061</fpage>&#x2013;<lpage>1071</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JOE.2016.2524738</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lippert</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>von Estorff</surname> <given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>a). <article-title>On a hybrid model for the prediction of pile driving noise from offshore wind farms</article-title>. <source>Acta Acustica united Acustica</source> <volume>100</volume>, <fpage>244</fpage>&#x2013;<lpage>253</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3813/AAA.918717</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lippert</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>von Estorff</surname> <given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>b). <article-title>The significance of parameter uncertainties for the prediction of offshore pile driving noise</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>136</volume>, <fpage>2463</fpage>&#x2013;<lpage>2471</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.4896458</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>MacGillivray</surname> <given-names>A. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>A model for underwater sound levels generated by marine impact pile driving</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>134</volume>, <fpage>4024</fpage>&#x2013;<lpage>4024</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.4830689</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Madsen</surname> <given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wahlberg</surname> <given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tougaard</surname> <given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lucke</surname> <given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tyack</surname> <given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Wind turbine underwater noise and marine mammals: Implications of current knowledge and data needs</article-title>. <source>Mar. Ecol. Prog. Ser.</source> <volume>309</volume>, <fpage>279</fpage>&#x2013;<lpage>295</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3354/meps309279</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Markou</surname> <given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kaynia</surname> <given-names>A. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Nonlinear soil-pile interaction for offshore wind turbines</article-title>. <source>Wind Energy</source> <volume>21</volume>, <fpage>558</fpage>&#x2013;<lpage>574</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/we.2178</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nogami</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Konagai</surname> <given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Dynamic response of vertically loaded nonlinear pile foundations</article-title>. <source>J. Geotechnical Eng.</source> <volume>113</volume>, <fpage>147</fpage>&#x2013;<lpage>160</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9410(1987)113:2(147</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Novak</surname> <given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1991</year>). &#x201c;<article-title>Piles under dynamic loads</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Second International Conference on Recent Advances In Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics</conf-name>, Vol. <volume>2</volume>. <fpage>2433</fpage>&#x2013;<lpage>2456</lpage>. <publisher-loc>Saint Louis, United States.</publisher-loc>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peng</surname> <given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stampoultzoglou</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metrikine</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>a). <article-title>A fast computational model for near- and far-field noise prediction due to offshore pile driving</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> (<publisher-loc>Saint Louis, United States</publisher-loc>) <volume>149</volume>, <fpage>1772</fpage>&#x2013;<lpage>1790</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/10.0003752</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peng</surname> <given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stampoultzoglou</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metrikine</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>b). <article-title>Study of the sound escape with the use of an air bubble curtain in offshore pile driving</article-title>. <source>J. Mar. Sci. Eng.</source> <volume>9</volume>, <elocation-id>232</elocation-id>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/jmse9020232</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reinhall</surname> <given-names>P. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dahl</surname> <given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>a). <article-title>An investigation of underwater sound propagation from pile driving</article-title>. <source>Tech. Rep</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reinhall</surname> <given-names>P. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dahl</surname> <given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>b). <article-title>Underwater Mach wave radiation from impact pile driving: Theory and observation</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>130</volume>, <fpage>1209</fpage>&#x2013;<lpage>1216</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.3614540</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schecklman</surname> <given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Laws</surname> <given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zurk</surname> <given-names>L. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Siderius</surname> <given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A computational method to predict and study underwater noise due to pile driving</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>138</volume>, <fpage>258</fpage>&#x2013;<lpage>266</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.4922333</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Southall</surname> <given-names>B. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Finneran</surname> <given-names>J. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reichmuth</surname> <given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nachtigall</surname> <given-names>P. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ketten</surname> <given-names>D. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bowles</surname> <given-names>A. E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group>. (<year>2019</year>). <article-title>Marine mammal noise exposure criteria: Updated scientific recommendations for residual hearing effects</article-title>. <source>Aquat. Mammals</source> <volume>45</volume>, <fpage>125</fpage>&#x2013;<lpage>232</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1578/AM.45.2.2019.125</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsetas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>G&#xf3;mez</surname> <given-names>S. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pisan&#xf2;</surname> <given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kementzetzidis</surname> <given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Molenkamp</surname> <given-names>T.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group>. (<year>2023</year>a). <article-title>Gentle driving of piles (GDP) at a sandy site combining axial and torsional vibrations: Part I - installation tests</article-title>. <source>Ocean Eng.</source> <volume>270</volume>, <elocation-id>113453</elocation-id>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.oceaneng.2022.113453</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsetas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metrikine</surname> <given-names>A. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>b). <article-title>A non-linear three-dimensional pile-soil model for vibratory pile installation in layered media</article-title>. <source>Int. J. Solids Structures (Under review)</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Underwater noise emission due to offshore pile installation: A review</article-title>. <source>Energies</source> <volume>13</volume>, <elocation-id>3037</elocation-id>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/en13123037</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metrikine</surname> <given-names>A. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A three-dimensional semi-analytical model for the prediction of underwater noise generated by offshore pile driving</article-title>. <source>J. Sound Vibrationn</source> <volume>333</volume>, <fpage>259</fpage>&#x2013;<lpage>264</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-642-40371-2_38</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsouvalas</surname> <given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metrikine</surname> <given-names>A. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Structure-borne wave radiation by impact and vibratory piling in offshore installations: From sound prediction to auditory damage</article-title>. <source>J. Mar. Sci. Eng.</source> <volume>4</volume>, <elocation-id>44</elocation-id>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/jmse4030044</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wood</surname> <given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <source>Modelling and prediction of acoustic disturbances from off-shore piling</source> (<publisher-loc>Southampton, United Kingdom</publisher-loc>: <publisher-name>Phd thesis, University of Southampton</publisher-name>).</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wood</surname> <given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Humphrey</surname> <given-names>V. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). &#x201c;<article-title>Modelling of offshore impact piling acoustics by use of wave equation analysis</article-title>,&#x201d; in <conf-name>1st Underwater Acoustics Conference</conf-name>, <conf-loc>Corfu, Greece</conf-loc>. <fpage>171</fpage>&#x2013;<lpage>178</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zampolli</surname> <given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nijhof</surname> <given-names>M. J. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Jong</surname> <given-names>C. A. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ainslie</surname> <given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jansen</surname> <given-names>E. H. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quesson</surname> <given-names>B. A. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Validation of finite element computations for the quantitative prediction of underwater noise from impact pile driving</article-title>. <source>J. Acoustical Soc. America</source> <volume>133</volume>, <fpage>72</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. doi:&#xa0;<pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.4768886</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>