山脊地形效应的强震动观测研究

根据强震动观测、实验研究与数值模拟结果表明,山脊地形对地震动具有显著影响。文章基于汶川地震主震及余震的三个地形效应观测台阵记录的三分量地震动加速度时程,经基线校正后计算得到各观测点的地面峰值加速度、峰值加速度比和反应谱比,分析山脊地形对地震地面运动的影响。结果表明：山脊地形对地震地面运动的影响显著,其地形地震效应随山脊地形的不同而变化,且地形效应具有方向性;水平向地形效应显著于垂直向;谱比是周期相关的,在所分析的周期范围内谱比不总是大于1.0。     

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.     

山脊线与坡度和峰值速度放大系数的相关性研究

地形效应是地震工程和地震学的重要研究内容.数值方法是研究地形效应的重要工具.然而以往关于地形特征对地形效应的影响的研究大多是基于二维简单模型.对三维真实地形特征和地震动放大的关系缺乏详细的研究.为了更好地描述三维地形特征,本文将地形用不同的地形特征因子来描述,并用算法将它们从地形数据中提取出来.从而使地形和放大系数的相关性的研究转换为不同地形特征因子和放大系数的相关性的研究上.本文中,我们选择芦山地区作为研究对象,用算法提取出特征因子山脊线和坡度.它们分别表征了山脊形态和山体的陡峭程度.我们又用谱元法分别模拟三种不同主频Ricker子波的地震波在起伏地表和水平地表模型中的传播,并得到了它们各自的峰值速度(PGV)放大系数.通过分析三个主频的PGV放大系数在山脊线上分布,我们发现放大系数幅值在山脊线上分布不均匀.放大系数较高的地方位于山脊线弯曲或宽度发生变化的附近.我们又统计了三个放大系数在滑动平均坡度上分布,并得到了放大系数均值和坡度的正相关曲线.结果表明坡度和放大系数两者在幅值分布上具有正相关性.     

2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震随机有限断层三维地震动模拟

2021年5月21日云南省大理州漾濞县发生MS6.4 地震,震中附近遭受了强烈地震破坏.为预测此次地震的地震动影响场,利用震源运动学破裂随机模型,基于随机有限断层三维地震动模拟方法,给出了此次地震中 28个触发强震动台站的三分量加速度时程模拟记录,并结合强震动观测记录,估计了此次地震的地震应力降及震源破裂过程,进一步模拟给出了此次地震中 2823 个虚拟观测点的三分量加速度时程.结果表明,模拟记录的峰值地面加速度(PGA)、峰值地面速度(PGV)与观测值接近,并体现了地震动峰值的衰减规律、近场饱和效应和破裂方向性效应;模拟与观测记录的 5%阻尼比拟加速度反应谱(PSA)的幅值接近、谱形相似,在0.05～10 s周期段,模拟记录可以很好地预测地震动.基于三分量模拟记录给出了漾濞MS 6.4 地震的仪器测定地震烈度图,与云南省地震局发布的烈度图接近,极震区烈度最高可达Ⅷ度,震源破裂方向性导致震中 SE方向的烈度普遍高于 NW方向,受局部场地条件影响沿洱海西侧出现高烈度异常区.     

2022年9月5日泸定MS6.8地震宽频带地震动谱元法模拟

2022年9月5日12时52分四川甘孜州泸定县发生M_S6.8地震,此次地震造成泸定县及其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡。为重现此次地震的地震动影响场,分析近场强地面运动的空间分布特征,将确定性的凹凸体震源模型与随机震源模型结合得到有限断层运动学混合震源模型,进而将上述混合震源模型开发到SPECFEM 3D谱元法开源代码中,实现了基于谱元法和运动学混合震源模型的泸定M_S6.8地震的全过程宽频带(0.1—5 Hz)地震动模拟,通过与六个台站的时程记录、对应的反应谱以及NGA-West2地震动衰减曲线进行比较检验了方法的精度和适用性;进而给出了此次地震的三分量速度波场快照图,再现了地震波传播时近场地震动的方向性效应和局部场地效应;最后给出了震中100 km×100 km范围内的地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)云图,分析了泸定地震近场强地面运动的空间分布特征,并给出了基于模拟结果的地震烈度分布图。结果显示,震中PGA接近600 cm/s²,PGV接近50 cm/s,烈度达到Ⅸ度,且由于泸定地区内高山峡谷地形对地...     

任意各向异性介质三维非结构谱元法直流电阻率正演模拟研究

各向异性是地电异常解释中不可忽视的因素,广泛存在于裂隙或层理发育的地质环境中.本文针对任意各向异性条件下直流电阻率法三维正演问题进行研究,结合非结构谱元法建立模拟算法,充分利用谱方法的指数收敛性以及非结构有限元对地形和复杂异常体刻画能力,提高计算精度和效率.通过灵活的四面体网格剖分和高阶谱插值,实现了复杂介质任意各向异性模型电阻率响应的高精度数值模拟.我们首先通过层状各向异性模型验证本文非结构谱元法的计算精度,进而我们以半空间中立方体模型为例分析各向异性对电阻率响应的影响特征,并通过计算针对不同各向异性参数的视电阻率极性图,探究地下介质各向异性特征识别方法.最后,我们针对典型的山脊模型计算和分析存在地形效应条件下各向异性电流场分布及视电阻率特征.模型计算结果表明基于四面体网格的谱元法模拟带有复杂地形和异常体的任意各向异性模型具有很高的计算精度.本文的研究成果将在推进电阻率方法用于解决裂隙及层理等环境和工程地质问题中发挥积极作用.     

熊本MW7.0地震近场地表与井下地震动对比研究

选取日本熊本M_W7.0地震断层距小于200 km的82个近场KiK-net台站记录到的三分量记录数据进行基线校正后,获得近场地面运动水平向的峰值加速度PGA、峰值速度PGV及周期为0.2,1,2,3,5和10 s的加速度反应谱数据,并与美国NGA-West2的地震动预测模型相比较,研究熊本地震地表和井下地震动峰值及反应谱的衰减特征,通过比较KiK-net台站地表与井下记录结果,探讨浅层场地放大效应的影响。研究结果表明:① 对于井下观测结果,NGA-West2的地震动模型对PGA和短周期0.2 s的反应谱的预测值与井下观测值相比整体偏高,而PGV和较长周期地震动（如1,2和3 s的反应谱）的预测值与井下观测值较为吻合;② 地表观测记录的PGA,PGV和周期为0.2—3 s的反应谱残差整体上随v_S30对数值的增大呈线性减小的趋势,而周期为5 s和10 s的长周期部分,其场地效应的影响很小;③ 相对于井下记录,地表记录的地震动PGA,PGV和周期为0.2,1和2 s的反应谱有明显的放大,这种放大作用随浅层场地剪切波速的增大而减小;周期为3,5和10 s时长周期地震动的放大效应很小。      

汶川8.0级地震强震动特征初步分析

本文对国家强震动台网中心收集的2008年5月12日14时28分04秒汶川8．0级地震中获取的420组三分量加速度记录进行了处理和初步分析。在这次地震中布设在龙门山断裂带及其周围地区的50多个台站获得了大于100gal的加速度记录,有46组三分量加速度记录的断层距小于100km,使中国大陆近断层区域所获得的强震动加速度记录的数量成倍增加。本文依据这批数据,对汶川大地震强震动特性进行了初步分析,给出了此次地震断层附近地区的PGA衰减规律,并利用此规律模拟了断层附近的加速度峰值,绘制了PGA分布图、竖向PGA与水平向PGA比值图;给出了汶川地震断层附近的加速度反应谱、上盘效应、竖向效应、速度大脉冲效应等地震动特征,这些特征可作为抗震设计规范修订的依据并供灾区重建时参考。     

基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明：层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。     

与观测方向无关的水平地震动参数计算方法

强震动记录的使用通常不考虑观测方向对于水平地震动参数计算的影响。文中以2008年汶川Ms8.0级地震中绵竹清平台获取的强震动记录为研究对象,对记录进行水平向旋转以模拟观测方向的变化,分析水平向峰值加速度PGA、峰值速度PGV、相对持时DR、绝对持时DA及谱加速度PSA随观测方向的变化情况。结果表明,PGA、PGV及PSA的计算较大依赖于观测方向,而DR和DA则受观测方向影响较小。为此文中提出了一种与观测方向无关的水平地震动参数计算方法,对于计算诸如PGA、PGV等与周期无关的地震动参数时不考虑周期独立;而对于计算诸如PSA等与周期有关的地震动参数时考虑周期独立。     

地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数研究

场地条件对地震动特性影响显著,在抗震设计反应谱的确定过程中,需根据场地条件对加速度反应谱予以相应的调整。已有场地条件影响调整方案研究成果,均基于数值模拟或局部地区强震动记录统计,多数仅给出了峰值加速度PGA场地条件影响调整系数,对非线性的考虑缺乏观测数据依据。为此在全球强震动记录统计获得的PGA归一化加速度反应谱和日本钻井台阵记录获得的加速度反应谱平台值非线性衰减指数的基础上,结合钻孔模型数值模拟和近期研究成果,建立了考虑场地条件影响非线性的地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数方案。     

直下型断层的破裂速度对盆地地震效应的影响

首先基于有限断层破裂下的运动学震源模型,对比验证了三维谱元法对于近场地震动的模拟精度。 进而通过含盆地模型与不含盆地的一维水平成层模型的地震动强度之间和放大系数分布特征之间的对比,详细研究了直下型断层的破裂速度对盆地地震效应的影响。结果表明,盆地的存在会显著改变近断层地震动的分布特征,同时盆地内不同分量强地震动的分布特征变化较大。断层破裂速度对盆地地震效应影响显著,随破裂速度的增大盆地地震动强度逐渐增加,但不同分量上地震动强度的增加速率显著不同,受盆地效应的影响,放大系数表现出与强地震动不同的分布特征。盆地放大系数整体表现出随破裂速度的增加而减小的趋势,但不同分量放大系数所受影响程度差异明显。同时,盆地内地震动强烈放大区域的位置也受破裂速度的显著影响,但其总体上集中在断层两侧区域及垂直于破裂方向的盆地边缘附近。      

2022年1月8日青海门源6.9级强地震动模拟研究

为满足数字化时代应急处置的新要求,基于随机有限断层法的发展,利用青海门源地区地下三维速度结构的模型和v_S30数据,通过逐步迭代射线追踪法、格林函数位移解析相位谱和有限断层法的联合计算,以青海门源6.9级地震为例,获得具有地表土层放大效应的强地震动模拟数据,进而绘制出研究区内PGA和烈度分布模拟图;并与实际台站记录的PGA和实地调查烈度结果相比,其烈度区划范围基本一致,同时也验证此联合计算方法可用于未来地震灾害的快速评估,并为灾后应急救援提供参考。     

2022年四川泸定Ms6.8地震强震动特性研究

北京时间2022年9月5日12时52分,四川省甘孜州泸定县发生M_s6.8级地震。国家强震动台网获得了133组三分量加速度记录,在对记录进行初步筛选和滤波后,研究了PGA和PGV衰减关系、竖向地震动特点、地震动速度脉冲,对比分析了反应谱和设计谱,着重对石棉挖角台站附近震害与地震动的相关性进行了分析,结论如下：1)三种台站强震动记录的PGA和PGV拟合曲线都比较相近,PGA、PGV拟合曲线与霍俊荣的预测模型较为接近;2)竖向地震动偏大,约38.2%的强震动记录V/H大于2/3,可能是屋顶塌落、柱子扭转和天花板坠落等震害现象出现的主要原因;3)识别出具有速度脉冲特性的记录11条,该类记录对长周期结构影响较大;4)所选记录反应谱大多超过了罕遇地震设计谱水平段,具有速度脉冲特性的051SMW台站周围房屋破坏较严重,人员伤亡较重。     

2021年9月16日四川泸县MS6.0地震强地面运动特征分析

2021年9月16日4时33分在四川省泸州市泸县发生M_S6.0地震,震中附近的强震动观测台网获取了1 320组三分向加速度记录,对有效记录进行常规处理后计算出地震动相关参数,并利用克里金插值方法得到峰值加速度PGA、峰值速度PGV和拟加速度反应谱的空间分布图。结果显示,极震区与中远场的长轴方向有较大差异,地震动表现出沿断裂走向衰减较慢的特性。通过与常用衰减关系预测值进行对比,分析了PGA和多个周期的拟加速度反应谱随距离的衰减特性,结果显示此次地震的PGA相比衰减关系预测值偏小,拟加速度反应谱相比各经验预测值呈现周期越大衰减变慢的特点,体现出川东南地区特有的衰减规律。最后分析了本次地震获得的最大加速度记录,进一步验证了局部地形和场地对地震动有显著影响。      

SH波入射时凸起场地的地形和土层放大效应

基于间接边界元法,首先采用Ricker波作为输入波,分别研究了SH波入射时均匀半空间凸起场地、两侧含覆盖土层的岩质凸起场地、匀质土质凸起场地、异质土质凸起场地的波传播特征,同时比较了凸起地形与土层对Ricker波的放大效应,研究表明,覆盖土层能增强场地对地震动的散射和反射效应并延长地震动持时,土层对地震动的放大效应比凸起地形对地震动的放大效应更为显著。在此基础上进一步以Taft波、El Centro波和天津波作为输入地震动,研究了异质土质凸起场地的地震响应,就本文所考虑的模型而言,这3种地震动输入下得到的凸起场地对地表加速度反应谱峰值的放大幅度分别为102.9%、149.9%和186.7%,大大高于建筑抗震设计规范中为考虑地形效应而对水平地震影响系数最大值进行增幅的取值。     

考虑脉冲参数随机性的近断层地震动降维建模

根据50组近断层脉冲型强震动记录,采用连续小波变换提取最强速度脉冲分量,建立最强速度脉冲峰值时刻的统计模型。对近断层地震动加速度高频分量的演变功率谱模型参数进行识别,并利用谱表示-随机函数方法实现了降维模拟,进而积分得到速度高频分量。对脉冲参数进行随机化处理,并采用改进Gabor小波模型随机模拟速度低频分量。将速度高频分量与低频分量叠加得到近断层地震动速度时程。数值算例表明,近断层地震动加速度代表性时程集合的幅值谱和反应谱均与实测记录拟合一致,验证了降维模拟方法的工程适用性。近断层脉冲型地震动的降维模拟与概率密度演化理论相结合,可实现工程结构的随机地震反应与抗震可靠性精细化分析。     

漾濞MS6.4地震长周期强地震动的有限差分初步模拟

根据我国川滇地区的地质地貌特征、前人地质资料和2021年漾濞M_S6.4地震的震源参数初步反演结果,建立三维速度结构模型,采用三维有限差分法对漾濞地震的长周期地震动进行研究.对实际地震烈度和模拟烈度进行对比,同时在区域附近布置了36个观测点,给出其中6个观测点的三分量速度时程,并给出所有观测点阻尼比为5%的速度反应谱,结果表明:(1)模拟的速度峰值已超过25 cm/s,与实际漾濞地区附近的烈度为8度吻合;(2)受断层滑动分布影响,速度水平分量在西北方向分布范围更广,衰减速度明显慢于东南方向,并且在极震区,东北—西南方向的地震动衰减也较慢.方向性效应对峰值大小及其分布范围的影响显著;(3)观测点速度反应谱的特征周期分布在1~3 s范围内,可能会因为共振效应对区域附近的大型建筑物产生较为严重的破坏.需要对漾濞地震进行进一步研究,以期对漾濞地震的长周期地震动有更为细致的认识.     

利用混合法合成成都断层宽频地震动

首先,依据成都活断层探测的深、浅层地震勘探资料、钻井资料、地形资料,建立成都地区地下三维介质模型,并基于活断层确定的双石-大川断裂发生7.6级潜在地震的地震活动性探测结果,设定断层破裂震源模型,采用随机有限断层方法模拟短周期地震动、谱元法模拟长周期地震动,利用混合法通过频域合成技术获得了研究区域的宽频地震动。最后,讨论了合成结果的PGA、PGV、PGD以及0.3s和1.0s反应谱的分布特征,依据分布结果对成都市区进行了本次设定地震的地震动讨论。     

基于逆断层动力学模型的三维山体地震动谱元法模拟

逆冲断层是常见的断层错动形式,具有释放地震能量大破坏力强的特征,同时大量震害调查和强震观测表明,山体地形对地震动的显著放大效应会进一步加重震害,然而目前还鲜有针对逆冲断层作用下山体地震动模拟的研究.文中即采用谱元法,建立含动力学逆断层震源和三维山体地形的整体物理模型,研究了动力学逆断层地震作用下的三维山体动力响应.文中...