梯形山体地形效应及对周围场地地震反应的影响

利用数值方法对地震动的局部地形效应进行研究,主要以梯形山体为研究对象,重点考察了山体的存在对其周围场地的地震动产生的放大或衰减效果。对不同高宽比的山体输入不同频率的Gabor小波,研究输入波的频率和山体高宽比对山体顶点、山体脚点和周围场地动力反应的影响。输入波形简单的Ricker小波,通过散射波的走时分析并结合单频波的计算结果研究山体对周围场地地震反应的影响机制。实际地震波作用时的计算结果和单频波的结果都表明周围场地受山体影响会对地震动特定频率谱值产生明显的放大。突出地形的存在使周围场地的地震反应发生显著变化,具体表现为:(1)在单一频率的输入波作用下,虽然远距离场地的动力反应接近自由场,但高频波会引起距离山体较近的场地强烈的动力反应改变。低频波则不会造成周围场地动力反应的明显变化。(2)山体高宽比对地形效应有显著影响,更大高宽比的山体会造成更强烈的地震动地形效应。(3)周围场地不同位置因山体影响对地震动的不同频率的谱值放大可以达到1.5倍左右。     

自贡市西山公园地形对地震动的影响

不规则地形和土层对地震动的影响较大,建(构)筑物选址及其抗震设防必须考虑地形和土层场地的放大效应,以避免或减轻其震害.利用自贡地形台阵记录的汶川地震(M_s8.0)的主震加速度时程,基于传统谱比法分别研究了地形和土层场地对地震动的放大效应.结果表明:(1)地形场地在低频的放大效应不明显,最大仅为1.24;在高频的放大效应较显著,在1~10 Hz频带,山顶的放大效应最大,EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为4.15、3.61和2.41,对应频率分别为5.72 Hz、6.46 Hz和7.44 Hz;在10~20 Hz频带,靠近山顶的山脊上某个地震动分量的放大效应最大,7#台站EW、5#台站NS和7#台站UD地震动的最大放大效应分别为9.10、5.56和2.52,对应频率分别为16.97 Hz、16.91 Hz和17.91 Hz.(2)地形场地的最大放大效应随高度有增加的趋势,且在0.1~10 Hz频带随高度增加的趋势更加明显.(3)土层场地水平向地震动在2 Hz以上开始明显放大,竖向地震动在4 Hz以上开始明显放大;EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为13.4、12.168和6.0,对应频率分别为6.94 Hz、7.55 Hz和10.8 Hz.(4)土层场地与地形场地的最大放大效应相比较,前者显著大于后者,对于水平向地震动,前者至少是后者的3倍以上;对于竖向地震动,前者至少是后者的2.5倍以上.(5)无论是地形场地还是土层场地,地震动的最大放大效应均有水平向大于竖向的特征.     

黄土丘陵河谷场地地震动特征研究

研究黄土丘陵河谷场地在地震作用下强地面运动特征的变化情况,可以揭示强震对该类场地上震害的触发机理。结合黄土高原的地貌特征,建立具有代表性的动力数值分析模型,通过输入不同幅值、频谱特性和持续时间的地震波,对起伏地形和覆盖黄土层共同影响下的黄土河谷场地进行地震反应分析。结果表明:黄土层和地形耦合作用控制了地表的PGA变化,使其趋于复杂,在同一输入波不同振幅作用下,与基岩河谷各测点相比,黄土覆盖河谷场地的地震动频谱幅值均有所增加,并且频谱主峰均向高频移动。在不同地震波输入下,场地不同部位的固有频率受地形高程和土层影响;而地震动大小和频谱幅值不仅与场地的基本频谱和地形起伏有关,也与输入地震波的频谱成分相关。输入波PGA与地震频谱特征都不变时,同一场地输出的地震频谱形状具有相似的特征,随着地震持时增长,能量向场地基本频率附近集中,从而可能导致场地上相应频率建筑物震动幅值增加,造成累积破坏。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

北京地区中硬场地地震动效应研究

依据典型工程场地的地震安全性评价报告,研究北京地区中硬场地地震动效应。首先,统计分析了地震安全性评价结果中的场地地震动放大效应。再利用201个工程场地的钻孔资料进行土层地震反应计算,分析不同地震动输入下的场地地震动放大效应。结果表明,北京地区中硬场地地震动放大效应明显,得到的场地地震动峰值加速度转换系数Ka高于《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）中的值,大震水准下更为突出。因此,如在北京地区直接采用《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）中的调整系数,可能会低估北京地区中硬场地的地震动放大效应,降低抗震设防标准。最后指出,场地地震动峰值加速度转换系数明显具有区域性,应根据详细的场地地震动效应研究结果,合理地确定场地地震动转换系数。     

岩溶场地地表地震动特性研究

对典型岩溶场地进行土层地震反应分析,并与非岩溶场地土层的地震反应进行对比,研究岩溶场地地表地震动的基本特性,为岩溶区工程场地地震动参数的确定提供参考。实例研究表明:与非岩溶场地的土层地震反应相比,岩溶场地土层对地震波的放大效应较强,地表地震动的频率偏高;当岩溶场地中发育有土洞时,地表地震动加速度峰值比不含土洞的岩溶场地要大。     

川滇区域高频地震动地形效应初探

历次强震表明:局域起伏地形对由高频地震动起决定作用的震害存在显著影响。忽略场地浅表土层的影响,凸起地形场地震害高于凹陷地形。然而,由于地形效应影响因素的复杂多样以及公认地形效应表征模型的缺失,已有的宽频带地震动模拟与预测方法并未考虑高频地震动地形效应,这可能导致对地震动时程及参数的错误估计。为此,本文利用当前较具代表性的地形效应量化表征模型,初步分析了川滇区域高频地震动的地形效应。首先,给出了基于量化表征模型的区域高频地震动地形效应计算分析方案;其次,完整地阐述了该方案在川滇地区的应用,并结合漾濞地震震害考察结果初步验证了川滇高频地震动地形效应分析结果的可靠性;最后,讨论了分析结果的局限并给出其应用于宽频带地震动模拟与预测方法中的初步建议。     

汶川M_S8.0地震河谷地形对汉源县城高烈度异常的影响

汉源县城位于汶川M_S8.0特大地震六度区内唯一的八度异常区,为典型且罕见的远震高烈度异常区.汉源县城处于流沙河的河流阶地之上,河谷地形对地震震害有显著的影响.为定量分析河谷地形对汶川大地震汉源县高烈度异常的影响,基于汉源县城震害科学考察和场地勘察获取的资料,根据震害分布特征和流沙河谷地形的特点,选取1条实测得到的横切汉源县城并垂直流沙河河谷方向的典型剖面作为计算模型,以脉冲作为基底输入,采用有限差分方法研究了该剖面的场地放大效应,分析了地形对高烈度异常的影响.计算结果表明:汉源县城场地对地震动放大效应的显著频段是1.0~10Hz,且这一频段老县城场地的放大效应比新县城场地显著;汉源老县城场地对汶川M_S8.0地震主震的地震动有显著的放大效应,地表峰值加速度大大超过了抗震设计规范的规定值;汉源场地地形放大效应显著频段与汶川M_S8.0地震的能量集中频段基本吻合,汉源老县城建筑物的自振频率恰恰位于该频段,产生共振效应,从而造成更显著的放大效应,这也是汉源震害异常的主要原因之一.由此可见,河谷地形对地表地震动有重要的影响,在工程选址和抗震设计时应考虑其影响.     

山谷地形对入射SV波地震反应分析

基于黏弹性人工边界的显式动力有限元方法,研究了突出平台状山谷地形场地的地形效应,分析了山谷地形对地表地震动的影响.结果表明:(1)沿着地震动输入方向地表反应较其他方向上的反应强烈;(2)与单一凸起山体地形对地表地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地表地震动位移傅里叶谱谱比曲线的形状影响不大,但是对PGD有着较大的影响...     

考虑多维地震动及重力作用的土层场地地震反应分析模型

合理有效的工程场地自由场分析是开展地下结构地震反应计算、发展地下结构实用抗震分析方法的前提。目前常用的自由场分析方法多局限于单向地震动输入，难以考虑多向地震动共同作用时的非线性耦合效应。鉴于此，提出一种考虑水平和竖向地震动及重力荷载共同作用的土层地震反应分析力学模型，该模型采用捆绑约束条件作为侧面边界条件，采用基于黏性边界的地震动输入方法将输入地震动转化为等效地震荷载，可实现自由场计算中水平和竖向地震动以及重力荷载的同时施加，简化了计算步骤，减少了计算成本。此外，该方法考虑了水平和竖向地震荷载的叠加效应，对于考虑材料非线性及大变形影响的土层场地地震反应分析具有更为良好的计算精度与适用性。     

自贡西山公园山脊场地地形和土层效应数值模拟

利用自贡地形影响强震动观测台阵在汶川地震中获得的强震动记录,以位于山脚下基岩上的台站为参考点,采用传统谱比法对场地放大效应进行了初步分析;同时用显式有限元-有限差分方法模拟了自贡西山公园山脊场地地形和土层的地震动效应,并进行了数值模拟结果与强震动观测结果的对比分析.结果表明:上覆土层对地震动的放大作用相对于地形变化的放大作用更为明显;地形对地震动水平分量的放大效应要明显于对竖直分量的放大效应;采用二维模型对上覆土层的模拟与观测结果较吻合,对于基岩介质部分的模拟在低频范围内也能反映山脊地形对地震动的影响.     

辽宁省地震重点监视防御区Ⅱ类场地放大效应研究

利用辽宁省地震重点监视防御区工程场地地震安全性评价工作中积累的大量实际钻孔和土工试验资料,在50年超越概率为63%、10%、2%三种地震动输入情形下,采用等效线性化方法研究了辽宁省地震重点监视防御区Ⅱ类场地土层的放大效应。研究结果表明辽宁省地震重点监视防御区50年超越概率10%的平均场地效应放大因子为1.37,若使用《中国地震动参数区划图（GB18306-2001）》认定的系数（1.25）将低估研究区域内的场地放大效应。50年超越概率2%情形即＂工程结构抗倒塌水准＂的平均场地放大效应因子为1.35。这些结果有益于为研究区域提供更为合理的抗震设防标准。研究同时发现,实际工程中使用单一变量或有限的几个变量去控制场地放大效应会有很大的离散,因此重大工程项目的地震安全性评价工作是不可被替代的。     

湖南中强地震活动地区Ⅱ类场地放大效应研究

利用工程场地地震安全性评价工作中大量实际钻孔和土工实验资料,建立了实际工程场地模型,在50年超越概率为63%、10%、2%共3种地震动输入下,采用SHAKE91和ELSSRA两种等效线性化方法,研究了湖南省Ⅱ类场地土层的放大效应.计算结果表明:湖南省50年超越概率10%的场地效应放大因子为1.30,若使用<中国地震动参数区划图(GB18306-2001)>认定的1.25系数,将低估湖南中强地震活动地区的场地放大效应.湖南省50年超越概率63%、10%、2%这3个设定水准的场地效应放大因子满足1.10:1.00:0.95的关系.这些结果有益于为湖南省提供更为合理的抗震设防标准.     

甘肃文县上城台地的地震记录分析

选取文县上城台地三个不同高程强震台同时记录到的汶川大地震的9次余震记录,研究场地的地震反应和波的传播效应。通过对比峰值加速度、地震反应谱、加速度时程等地震动参数,全面分析了地震动放大效应与地形的关系以及地震动特征与震源的关系。结果表明:相对于山脚,山顶的峰值加速度明显放大,并且山顶的地震动在场地卓越周期附近放大最显著;多数地震记录显示山顶处垂直白水江河谷分量的峰值加速度比值大于平行河谷分量比值;地震动绝对持时从山脚、山腰到山顶依次增长。总之,地形条件和其上覆松散层共同作用造成了上城台地的地震动放大。     

土层与基岩场地地震动长周期成分的一致性分析

以3条人造合成地震动和3条强震动记录为地震动输入,建立了四类场地的6个土层地震反应分析模型,采用一维等效线性化波动方法,研究确定了覆盖土层厚度对地震动频带影响范围;并以日本kik-net三维台站强震动记录为基础,通过井下记录与地表记录反应谱的对比分析,对数值模拟结果进行了可靠性分析。结果表明:场地覆盖土层对某一频率范围内的地震动有显著放大作用,土层与基岩场地的周期大于6s的长周期成分具有较好的一致性。这一结论可为扩充研究基岩长周期地震动衰减关系的基础数据提供参考。     

相邻地形对地震动特性的影响分析

基于采用透射人工边界的显式动力有限元方法,研究了相邻凸起地形对地震动反应谱特性的影响,分析了相邻凸起之间距离的变化对地形效应的影响。研究结果表明：1）与单一凸起地形对地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地震动反应谱谱比曲线的形状影响不大,但是却对谱比的值具有较大影响,而且其影响程度的大小与地表观测点的位置有关;2）相邻凸起地形的存在对凸起平台段中点地震动高频成分的放大效应具有较大影响,随着相邻凸起之间距离的增大,该影响效应逐渐减弱,多个相邻凸起构成的组合地形对地震动的放大效应逐渐接近单一凸起地形。     

相邻地形对地震动特性的影响分析

基于采用透射人工边界的显式动力有限元方法,研究了相邻凸起地形对地震动反应谱特性的影响,分析了相邻凸起之间距离的变化对地形效应的影响。研究结果表明:1与单一凸起地形对地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地震动反应谱谱比曲线的形状影响不大,但对谱比的值具有较大影响,而且其影响程度的大小与地表观测点的位置有关;2相邻凸起地形的存在对凸起平台段中点地震动高频成分的放大效应影响较大,随着相邻凸起之间距离的增加,该影响逐渐减弱,多个相邻凸起构成的组合地形对地震动的放大效应逐渐接近单一凸起地形。     

山东工程场地地震动放大效应初步研究

工程场地岩土条件是影响地震动峰值加速度的主要因素之一.设基岩输入面的地震动峰值加速度为ar,经场地土层反应分析求得的地震动峰值加速度为aks,则场地土层地震动峰值加速度放大因子ks可由ks=aks/ar求得. 作为工程地震学的一个统计量,ks表征场地土层放大综合效应.     

三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析

本文基于显式有限元法研究了地震波垂直入射时三维复杂山谷地形对地震地面运动的影响,在数值分析中应用了三维化二维的解法和黏弹性人工边界的处理方法,实现了地震波垂直输入下三维复杂场地地震动数值模拟,并验证了该方法的合理性.以四川桃坪地区一山谷地形作为研究对象,基于地表高程数据分别建立了二维和三维场地模型,对比研究表明:在复杂地形情况下考虑二、三维模型时具有明显差异,三维模型能更真实地反映地形变化对地震动的影响,复杂地形条件下有必要考虑三维实际场地模型.本文对边界自由场的处理方法也可用于处理三维复杂场地地震动斜入射问题,为三维复杂地形场地地震效应研究提供参考.     

海域俯冲带高频地震动模拟?以2021年2月13日日本福岛MS7.1地震为例

2021年2月13日,日本福岛近海发生M_S7.1地震,震中距海岸线约70 km,震源深度接近60 km,造成了较大范围的震害影响。考虑地震应急及地震动强度特征预测的应用前景等,利用经验格林函数法快速估计了本次地震的高频地震动（1.0～20.0 Hz）空间分布特征及加速度时程,并结合实际地形、场地覆盖层等信息对部分台站地震动模拟结果进行修正,最终获得较可靠的地震动预测结果。研究结果表明,在具备合适小震记录时（余震及前震）,可较准确地再现大震的高频地震动主要特征,模拟结果与真实记录拟合较好;地震动模拟过程中需考虑盆地等特殊地形及覆盖土层对地震动的放大作用影响,这也是未来利用经验格林函数法合成大震时需重点考虑的因素。