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。文中以高斯型山体为例,对其近断层地震动特性进行了分析,并着重探讨了三维山体地形对逆断层地震动产生的影响。研究表明:(1)动力学逆断层模型很好的契合了近断层地震动特性,在模拟中重现了近断层地震动的方向性效应、上盘效应、集中性效应和地面永久位移等基本特征;(2)山体对近断层地震动放大效果显著,对比无山体情况,山体加速度和位移峰值分别放大了1.79和1.21倍;同时加速度峰值随着山体高程的增加而增加,与山脚处加速度峰值相比,山顶和山腰处的加速度峰值分别放大了2.05和1.28倍;(3)山体地形引发的地震波散射和衍射效应不仅放大了山体和山体毗邻地表的地震动响应,同时延长了地震动在该区域内的响应时间。     

局部山体地形对断层动力学破裂过程的影响研究

基于曲线网格有限差分方法研究了垂直走滑断层在不同山体地形情况下的动力学破裂传播,分析并讨论了局部山体地形对断层破裂过程及相应地面地震动的影响,得到了各模型断层面的动力学破裂过程及相应的地表峰值速度特征。研究结果表明,山体地形尺度（山体高度及底部延展距离等）对断层动力学破裂过程影响较大,进而影响到相应的地面地震动分布。当山体地形处于自由地表上亚剪切向超剪切转换的位置附近时,山体地形会阻碍断层面上自由地表超剪切的产生。一般而言,对于具有一定埋深的断层,当山体地形底部延展距离一定时,山体高度越高,其对自由地表超剪切的阻碍程度越大;当山体高度一定时,地形底部延展距离越大,越会阻碍自由地表超剪切的产生,这种破裂过程的变化会导致相应地面地震动呈现不同特征的分布。此外,还探讨了断层破裂过程及相应地震动对成核区外初始剪切应力变化的响应,结果显示,当初始剪切应力较高时,高应力降引起的超剪切破裂会对断层破裂及相应的地震动分布起主导作用。      

实际地形对2010年玉树MS7.1地震动力学破裂过程及地震动特征的影响

基于震源动力学模型,采用曲线网格有限差分法模拟了水平自由地表及实际地形条件下2010年玉树M_S7.1地震的震源破裂过程及相应的地面地震动,获取了断层面上的破裂传播过程、最终滑移量分布及峰值地面速度分布,讨论了实际地形对玉树地震破裂过程及相应地震动的影响。基于本文设定的动力学模型,模拟结果显示:断层面上的高应力降是玉树地震出现超剪切破裂传播现象的主要原因;计算区域的实际地形阻碍了由自由地表引起的超剪切破裂的产生,对断层面滑移量的分布特征及滑动速率影响较大,进而在一定程度上降低了地震动峰值,同时对地震动的分布特征产生影响,且地震动平行断层面的水平分量相对受影响更大。      

震源破裂方式和断层性质对近场强地震动特征的影响

基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法,以1994年Northridge地震断层面上位错量的不均匀分布模式和该地区的地层剪切波速度结构为震源模型和计算模型,做了两个方面的模拟研究:(1)直立走滑断层(断层倾角为90°)情况下,模拟分析了有限断层单侧破裂模式和双侧破裂模式对强地震动特征——破裂方向性和上盘效应的影响;(2)对于倾斜断层(倾角为45°),模拟分析了正断层、逆断层和走滑断层情况下,单侧破裂模式对其强地震动主要特征——破裂方向性效应和上盘效应的影响.结果表明:断层的破裂方式直接影响着地表地震动峰值和矢量分布;在近场区无论直立断层还是倾斜断层,其地表地震动峰值分布所表达的破裂方向性效应显著,位于破裂传播前方的地震动强度大,反映了波前被压缩的趋势,破裂后方地震强度明显变小;倾斜断层引起的上盘效应明显,NS向分量和竖向分量的地表地震动峰值的最大值出现在上盘靠近断层迹线处,EW向分量的峰值在断层迹线两侧呈不对称分布,且逆断层引起的地震动峰值最大,走滑断层的次之,正断层的最小.     

P波入射下断层参数对地表地震动的影响

基于应用透射人工边界条件的显式有限元法计算断层破碎带宽度及力学参数变化、地震动入射角变化时二维断层场地模型P波入射下地表地震动场的分布。结果表明:(1)低速度破碎带的存在导致整个场地都有P波转换为SV波的分量,且在断层破碎带的区域出现断层陷波;(2)低速度破碎带的存在使输入场地恒定的能量向破碎带集聚放大,随着破碎带宽度增大或其介质波速降低集聚放大效应增大;(3)场地放大效应是频率相关的,宽度较宽或介质波速较低的断层破碎带对输入地震动中较低的频率成份放大显著;(4)竖向断层破碎带能阻隔斜入射地震P波,随着入射角增加隔震效应更显著。     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

2010年4月14日玉树Ms7.1地震加速度场预测

基于有限断层震源、且使用动力学拐角频率的地震动随机模拟方法预测玉树地震近断层的加速度场.首先,基于有限断层震源建模方法建立该次地震的震源模型;然后,基于上述地震动模拟方法预测玉树地震近断层191个节点的加速度时程.在此基础上,取每个结点的加速度峰值绘制该次地震的近断层加速度场.结果表明:(1)近断层加速度场主要受震源破裂过程和断层面上滑动分布的影响.断层面上凹凸体投影到地表的区域附近,加速度峰值最大,也是震害最严重的区域;(2)对于走滑地震,断层沿线附近的场地并非均会发生破裂方向性效应;发生破裂方向性效应的场地与凹凸体在断层面上的位置有关.     

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。      

SH波地形效应特征的研究

许多实际的地震中已经观测到地表地形对地表地震动产生影响(地形效应),这种影响背后的成因、影响因素、影响规律至今还不太清楚,因此地震学中、地震工程学中都围绕这一课题展开了相应的研究.本文以地震波模拟为手段,以点力源激发下的SH横波地震波传播为对象,研究地形形态、震源的物理特征对SH波地表地震动的影响,研究内容主要包括:地形陡度和地形复杂度对地形效应的作用;震源所处位置、震源频率与地形效应的关系,揭示出地形效应的成因受局部地表张角的控制,张角越小地形的放大作用越强.     

低山丘陵地形效应的三维有限元模拟

山地丘陵地形对地震动的分布有重要的影响,研究地形效应,有利于充分认识地震灾害风险,为减轻灾害损失做好防御措施。基于实际地形建立自贡西山公园观测台阵所在山体的三维有限元模型,研究开发黏弹性人工边界和SH波垂直入射前处理程序,开展动力学数值模拟;数值模拟结果与实际记录进行对比,并验证模型的合理性;研究分析低山丘陵山体对地震动强度及空间分布影响,以及峰值加速度与入射波频率、高程、坡度的关系。结果表明：低山丘陵山顶位置地震动峰值放大明显,而山脚凹陷位置地震动峰值存在削弱现象;地形效应与输入地震动频率密切相关,不同主频的输入地震动所造成的地表峰值加速度分布不同;较高主频的地震动可以凸显地形细节的影响;地表峰值加速度与高程具有较好的正相关关系,与坡度的相关关系较弱。综合高程和坡度拟合峰值加速度的效果优于仅使用高程或坡度的拟合,二元三次多项式拟合效果较好,可用于定量描述地形放大系数随高程和坡度的变化。     

地形效应影响下地震动参数与斜坡稳定性的相关性研究

地形对地震动的影响比较复杂, 考虑地形放大效应的地震滑坡稳定性分析需要选择合适的地震动参数. 本文使用自贡地形影响台阵记录到的2008年汶川M_S8.0地震主震加速度记录, 分析了地震动峰值加速度、 阿里亚斯烈度以及90%能量持时随地形高度的变化, 探讨了地形效应作用下峰值加速度和阿里亚斯烈度与地震动作用下斜坡稳定性的相关性. 结果表明: ① 地形场地对峰值加速度和阿里亚斯烈度均有显著的放大效应. 地形放大效应较为复杂, 其整体上随台站高度的增加而增大, 水平向的放大效应大于竖直向. 水平向峰值加速度的放大系数为1.1—1.8, 阿里亚斯烈度的放大系数为1.2—3.3; 竖直向相应放大系数分别为1.1—1.3和1.2—1.7. ② 地形对地震动持时也有一定的放大效应, 但不同高度、 不同分量的放大效应没有显著差异, 其放大系数均约为1.3. ③ 阿里亚斯烈度和峰值加速度均能很好地表征地形对地震动的影响, 与地震动对斜坡稳定性的影响具有很强的相关性. 与峰值加速度相比, 阿里亚斯烈度综合了地震动的多方面特征, 可以更好地表征地形对地震动的影响, 与地震动作用下斜坡稳定性的相关性更强.      

Two and Half Dimensional Simulation of Ridge Effects on the Ground Motion Characteristics

— Seismic responses of weathered and non-weathered ridge models were simulated to study the ridge effects on the ground motion characteristics. The range of ridge slope from 19.98° to 45° was considered to produce a possible set of generalized results. 2.5-D modeling based on parsimonious staggered grid approximation of elastodynamic wave equations was adopted in simulations. Computed results reveal an increase of amplitude of incoming waves with both elevation and the slope of the ridge. Further, the characteristics of surface waves are highly ridge slope dependent. The analysis of responses of weathered and non-weathered ridge models reveals that ridge has caused a strong generation of surface waves near its top. The surface waves are not dominating on the top of the ridge but at some lower elevation. The increase of weathering of ridge further intensified the ridge effect. Analysis in frequency domain, based on spectral ratio method, does not indicate any pattern in the spectral amplification factor and is very much sensitive to slope, source focal mechanism and location. However, on an average there is a continuous decrease of amplification with slope in the vertical component and increase in the transverse component, and it is increasing in the radial component up to slope =38.0° and thereafter decreasing.     

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.     

翡翠河谷地震动地形效应解析分析

地表不规则地形的存在往往会引起地震波的散射,进而产生局部地震动放大或衰减的现象.虽然地形效应最早在异常地震记录中被发现,然而利用地形影响台阵记录到的地震动数据却少之又少.基于1992年在我国台湾翡翠河谷上观测到的六条地形影响台阵记录,利用线源SH波入射下非对称V形河谷地震波传播解析理论,模拟得到了河谷台阵各点的地震动,...     

Coupling of topographic and stratigraphic effects on seismic response of slopes through 2D linear and equivalent linear analyses

In this paper the seismic response of simple slope geometries under vertically propagating in-plane shear waves (SV waves) is assessed through two-dimensional finite element analyses to investigate the amplification of the ground motion induced by soil topography. Topographic horizontal and vertical amplification factors were evaluated through different sets of analyses focused on slopes in homogeneous half space and on slopes overlying either a rigid or a compliant bedrock. Soil was assumed to behave as a linear visco-elastic or as an equivalent-linear visco-elastic material. In the analyses the effects of slope inclination and of the characteristics of the input motion were also investigated.In order to calibrate the numerical model, the results obtained in linear visco-elastic analyses were compared with the results of parametric numerical analyses available in the literature, showing a good agreement. The results confirmed that a complex interaction exists between stratigraphic and topographic effects on the amplification of the ground motion and that the two effects cannot be evaluated independently and easily uncoupled. In the case of compliant bedrock the effect of the impedance ratio was also investigated.The results of the equivalent-linear analyses pointed out the remarkable dependence on soil non-linear behavior and, when compared to the results of linear visco-elastic analyses, showed that without accounting for soil non-linear behavior, topographic amplification factors may result underestimated.     

The plurality effect of topographical irregularities on site seismic response

Topography can have significant effects on seismic ground response during an earthquake because topographic irregularities cause considerable differences between the seismic waves emitted by the source and the waves reaching the ground surface. When a seismic motion happens in a topographically irregular area, seismic waves are trapped and reflected between the topographic features. Therefore, the interaction between topographies can amplify seismic ground response. In order to reveal how interaction between topographies influences seismic response, several numerical finite element studies have been performed by using the ABAQUS program. The results show that topographic features a greater distance between the seismic source and the site would cause greater seismic motion amplification and is perceptible for the hills far away from the source and the ridges. Also, site acceleration response is impacted by surrounding topography further than site velocity and displacement response.     

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.     

Effect of topography and subsurface inhomogeneity on seismic rayleigh waves

The effect of topography and subsurface inhomogeneity on surface motion is investigated in the case of Rayleigh waves. In the previous paper, the same effect was investigated in the case of SV waves. Several types of topography, such as cliffs both with and without a soft layer at the foot of the slope, are considered. Computations are made using a new hybrid method combining a particle model with a finite element method. In cases of harmonic Rayleigh waves, surface motions with amplitudes as large as 1.5 to 5 times the horizontal surface displacement of the incident Rayleigh waves are produced near the slope and the sloping interface. When a Rayleigh wave propagating through a hard single-layered ground encounters a sloping interface where hard ground and soft ground make contact with each other, Rayleigh waves having two different, phase velocities are produced and they correspond to the fundamental mode, and the first mode determined by Haskell's method. In addition, the transient response when Rayleigh waves propagate through the cliff is also simulated. Assuming the vertical component of the Tokachi-oki Earthquake (1968) measured on the surface to be a Rayleigh wave, the incident Rayleigh wave can be obtained by a Fourier synthesis of eigenfunctions of Rayleigh waves.