近断层地震动对大型地下洞室群地震响应的影响研究

针对现行水工抗震规范中对近断层地震缺乏考虑这一实际问题,首先讨论了近断层、远场地震动的差别,对比了近断层、远场地震动对地下洞室地震响应的影响,继而提出一种新的人工合成近断层地震动时程的方法,并采用合成的近断层地震动时程对某水电站地下洞室群进行了近断层地震稳定性专门研究。结果表明：与常规地震分析中考虑的远场地震动相比,近断层脉冲型地震动的主要特征为Vmax/Amax和Dmax/Amax（Vmax、Dmax、Amax分别为速度峰值、位移峰值、加速度峰值）指标更大,且近断层脉冲型地震动的主要能量集中在1 Hz以下的频段;在相同峰值加速度幅值、相同反应谱的前提下,近断层地震动对高边墙、大跨度地下工程的破坏程度远比远场地震动大;较之前人的研究方法,文中提出的近断层脉冲型地震动合成方法考虑了[1/Tp, 1] Hz这一频段内的地震波信息,更具合理性;在设定的计算条件下,地下厂房洞室群有在近断层地震动作用下发生失稳的危险性,需要进一步针对近断层地震动进行专项风险性评价,以讨论是否需要增设针对性的抗震支护措施。     

基于快速多极子间接边界元法的城市区域沉积盆地三维地震响应宽频模拟

针对城市区域沉积盆地三维地震动模拟问题,发挥边界元法处理无限域波动问题的独特优势和快速多极算法(FMM)处理大规模问题的特性,形成适用于宽频、高自由度模型的快速多极子间接边界元法(FMM-IBEM)。通过精度对比和效率验证发现,FMM-IBEM可精确高效地实现三维复杂场地地震动宽频模拟,同时大幅度降低存储量和计算量。采用该方法对某含起伏基岩面的三维复杂形状沉积盆地进行频域和时域分析,结果表明:入射频率、盆地形状和盆地内部的位置点对沉积盆地地表位移放大作用均有不同程度的影响;总体上低频域的放大作用高于高频域;频谱曲线呈现多个共振频段;沉积盆地中部和边缘处地表位移放大效应差别显著。重要工程选址宜避开沉积盆地中地震能量积聚区域。     

2008年3月21日新疆于田7.1级地震近断层破坏作用

2008年3月21日新疆于田7.1级地震发生在青藏高原北缘东昆仑山、西昆仑山和阿尔金山交汇的地区。文中介绍了此次地震的近断层破坏作用。此次地震在阿尔金断裂西端近南北向谷地海拔4 900~5 600 m东坡形成了近31 km长的地震地表破裂带。破裂带主要显示正断层滑动性质,其总体走向近南北,但局部追索北北西和北北东向共轭断裂发育,走向变化很大。受地形及滑塌作用影响,断裂陡坎高度最大可达20 m,垂直位移为2 m左右,最大水平拉张量也接近1.8 m,此外局部还存在近1 m的左旋位移。沿断裂发育一个近10 hm2的滑坡体,以及大量中小规模的滑坡、崩塌,多为冰碛物、洪积物及残坡积物等松散堆积。虽位于陡峭的山坡上,也未见大规模基岩崩塌、滑坡。通过平地上巨石的翻滚推测,断层附近的最大加速度峰值可达1 g。同时根据不同坡度的边坡崩塌和滚石发育程度估算出距离断层不同距离地区的地震震动峰值加速度。地裂缝分布范围较宽,距断层1 km的地区仍可见到长度超过100 m的地裂缝。这些地裂缝可能是地震震动、谷地边坡变形及旁支断层地震触发滑动的综合产物。极震区最大烈度估计可达Ⅹ度,综合各方面资料文章提供了该次地震Ⅸ度、Ⅷ度、和Ⅶ度等震线;长轴方向呈NNESSW向,与余震方向大致一致。近断层破坏作用包括强地面运动、断层破裂带、地裂缝、滑坡、崩塌、滚石等。它们受到震级、断裂活动性质及场地条件等多因素控制。     

层状场地中局部不均体对平面P波的散射

利用间接边界元方法,在频域内求解了层状场地中局部不均体对平面P波的散射。利用精确的土层动力刚度矩阵进行自由场反应分析,求得位移和应力响应。通过计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应位移和应力;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。研究了入射P波时,不均体宽度、埋深、厚度、入射角、入射频率度等参数对地表位移幅值的影响,并与相应自由场的结果进行了比较。不均体对P波散射有重要影响,在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑局部不均体对场地设计地震动参数确定的影响。     

基于子结构法的成层场地中沉积河谷的散射分析

土层场地对地震动的影响明显,研究成层场地局部复杂地形的波动场特性,对于抗震设防具有重要意义。基于土-结构相互作用理论,含有局部复杂地形的成层场地,可分解成广义结构（即近场复杂地形及其周围土体）和具有规则开挖边界的成层无限地基（即远场）。远场的格林函数可通过精细积分求解频域-波数域内的对偶波动方程获得,利用傅里叶逆变换得到频域-空间域内的柔度矩阵。近场可采用比例边界有限元进行模拟,通过高性能连分式的传递边界求解动刚度。自由场波动可通过传递矩阵法求得,将动刚度和自由场波动位移代入控制方程即可得到散射场的动力响应。数值算例验证了方法的准确性,并利用提出的方法讨论含有软夹层场地局部复杂场地的波动场特性。     

汶川地震远场黄土场地地震动场地放大效应机制研究

通过汶川地震震后科学考察发现,汶川地震局部场地的震害和地震动放大效应明显,地震对甘肃省境内远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏。在此基础上,结合钻孔波速测试,运用二维等价线性时程响应动分析法对甘肃省平凉市典型黄土塬进行了地震动力响应计算,分析了该地区局部场地条件对地震动放大效应的影响。研究发现,黄土塬具有地震动放大效应,随着塬高的增加,加速度、速度、位移均出现放大效应;随着地震动在黄土覆盖层中的传递,卓越频率向低频移动,高频成分被吸收,加速度反应谱中长周期分量逐渐增大。数值计算结果与实际震害基本吻合,其结果对黄土地区进行合理的抗震设防具有一定的科学意义。     

基于离心机振动台试验的梯形河谷场地地震动效应研究

研究河谷场地地震效应对场地选址和抗震设计具有重要的指导意义。基于离心机振动台试验分析,研究了梯形河谷场地地震动响应规律。结果表明:基岩河谷场地对地震动有一定的放大效应,放大效应随着地形的变化而变化,但放大效应不显著,场地不同位置对反应谱的影响较小;基岩-土模型基岩面地震动放大倍数明显增大,不同输入地震动情况下放大倍数不同,各个场点对频段为0.5～2.5 s的地震动有明显的放大作用,对地震动放大频域范围明显加大,这与纯基岩场地的有明显的不同,虽然各个场点的反应谱形状有一定的差别,但是反应谱的平台值和特征周期相差不大;由于河谷场地地形效应,河谷场地地表峰值加速度随着地形的变化放大倍数随之变化,阶地级数越高放大倍数越大,谷底放大倍数最小,随着输入地震动强度的增加,阶地级数越高反应谱的平台值越高,特征周期越大。     

多地貌单元复合场地非线性地震效应特征二维分析

针对由河漫滩、阶地、波状起伏的丘陵地带和残丘等组成的典型复合地形场地,基于ABAQUS软件的显式有限元并行计算集群平台,考虑土体的非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟切除的无限域对地震波动的影响,建立了大尺度复合地形真实场地的二维有限元模型,并将基岩地震动视为SH波,分析了不同地貌单元复合场地地震效应特征。结果表明：地形差异引起地表各测点峰值加速度(PGA)及峰值位移(PGD)不同;在相同地震波入射下,河漫滩区地表PGA大于Ⅰ级阶地区域,但其PGD明显小于Ⅰ级阶地区域,且河漫滩区的峰值位移差动较小;场地地表水平加速度反应谱呈双峰及多峰现象,加速度在0.4～1.2 Hz频段放大较多,且加速度反应谱特性与输入地震动相关;特定频段（0.5～1.75 Hz）地震动放大效应与聚集效应比较明显,频率小于0.2 Hz及大于2 Hz时,场地地震动放大特征不显著。低丘区的敏感频率段宽于河漫滩区;观测点的位置影响相应的水平加速度持时大小,局部地形变化将引起地震动持时差异,且持时和输入地震动特性相关。     

局部断层场地对P波的散射影响研究

采用间接边界元法,借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载格林函数,在频域内求解了局部断层场地对P波的散射,着重分析了破碎带较窄断层两侧围岩动力响应的基本规律,以及场地动力特性对散射的影响。研究表明,破碎带断层对入射P波有着显著的影响,即使破碎带很窄,也可对P波产生很大的放大作用;层状场地动力特性对放大作用有显著的影响。     

河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数

针对基岩明显起伏、土层非均匀分布的典型河口盆地场地,考虑土体非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟无限域对地震波动的影响,建立大尺度精细化二维有限元模型,分析了盆地地表地震动幅值、频谱、持时、传递函数特征,探讨了基岩起伏土层的地震动聚集效应及盆地边缘效应。结果表明：（1）盆地近地表土层表现出不同程度的地震动放大效应,且随土层深度增加呈非单调递减特征,基岩突变处地震动聚集效应明显,盆地两侧产生较为显著的边缘效应;场地中、长周期地震动的放大作用显著;（2）多遇地震、偶遇地震和罕遇地震水平时,场地卓越周期依次介于0.35～0.65 s、0.40～0.75 s和0.50～1.05 s之间;给出了盆地地表PGA（地表峰值加速度）、卓越周期均值等值线图及地表加速度反应谱放大因子建议值,地表设计地震动参数amax（地震影响系数）与Tg（特征周期）明显大于现行《建筑抗震设计规范》取值;（3）盆地特殊位置地表地震动持时得到不同幅度增长,且与输入地震动特性相关;（4）该盆地对0.5～2.0 Hz频段基岩地震动的放大效应比较显著,对小于0.2 Hz或大于2.5 Hz的基岩地震动,该盆地地震动放大效应不明显;（5）福州城区及其邻近区域地震动放大效应普遍较大。大尺度二维非线性分析一定程度上能合理反映微地形起伏、土层分布及土体非线性对地震波传播过程的影响。     

四川核电站的场地地震安全性评价问题探讨

在核电站安全性评价中,场地地震动反应分析是核安全评价中最重要的工作。拟建四川棱电站选址于沉积岩地层。沉积岩场地的共同特点是岩体的不均匀性,即成层性,有不同的倾角,各层有不同的物理力学特性,有不同的风化程度,有的位于盆地中,有的位于盆地边缘。这些特性,使场地地震动反应计算更加困难。因此,要准确评价场地条件对地震动反应的影响,就必须解决如下问题：场地软硬程度对地震加速度的放大特性;沉积岩场地的风化程度对场地地震波的放大特性;在盆地中的沉积岩场地的“盆地效应”对地震波的放大特性;地震波本身的随机性;沉积岩场地的地震动反应分析模型及工程分析计算软件研究。     

圆弧形沉积谷地对平面P波的三维散射解析解

采用大圆弧面来模拟半空间表面,利用波函数展开法在频域内给出了圆弧形沉积谷地形对平面P波三维散射的一个解析解,并以此解答为基础,进一步分析了入射波频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应的影响。数值结果表明,入射波的频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应有重要影响。     

考虑场地和震源机制的近断层地震动衰减特性的研究

在收集了世界范围内自由场地的近断层地震记录基础上 ,综合考虑台站场地和震源构造机制的差别 ,应用统计分析方法对近断层地震动的峰值加速度、峰值比、特征比值及特定周期处的反应谱的衰减关系进行了研究 ,并和集集地震得到的结果进行了比较 ,发现场地和震源机制的共同作用对近断层地震动的影响是很显著的 ,为抗震设计规范的研究提供了参考     

近断层地震动模拟现状

地震动是由3个物理过程（震源破裂过程、波传播过程、场地反应）组成的一种复杂系统的产物,地震动模拟均是围绕这3个物理过程的建模开展的。地震动模拟目前仍然是一门相对较新的科学,强震观测中不断发现的新情况、新问题及其深入研究进一步推动近断层地震学理论和实践的发展。减少建模中的不确定性,用基于观测物理学的统计特征逐渐取代基于现象的假设描述,以改善地震动模拟的精度。基于大量地震动模拟的研究文献和资料,归纳、评述了近断层地震动模拟方法的现状、3个物理过程的建模方法及其发展趋势。     

层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。在洞室边界各个单元上施加虚拟分布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和虚拟分布荷载产生的位移响应叠加起来,即得到问题的解答。比较了层状半空间和均匀半空间中洞室对入射平面SV波的放大作用。结果表明,层状半空间情况有可能导致较大的地表位移幅值,尤其是对于较低频率入射波。     

上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

不同形状三维凹陷地形场地对地震动影响比较分析

采用有限元离散模型、黏弹性人工边界和中心差分积分格式相结合的方法,开展三维凹陷地形场地地震反应计算,分析了P波和SV波入射下均匀弹性半空间三维棱锥形凹陷、半球凹陷和棱柱形凹陷地形场地对场地地震动的影响特征与差异。研究表明：（1）不同形状的凹陷地形对场地地震动的影响差异显著,即棱柱凹陷地形>半球凹陷地形>棱锥凹陷地形,但不同形状凹陷地形影响之间的差异更多地表现在中频范围内;（2）凹陷地形对地震波具有复杂的散射作用,无论是垂直入射的P波还是垂直入射的SV波（仅竖向或水平向地震动输入）,在凹陷区及附近均能产生两个方向很显著的地震动,且在SV波垂直入射下的凹陷散射更为强烈,其产生的竖向地震动幅值甚至超过水平向的;（3）凹陷地形可能会产生地震动的地形边缘效应,棱柱形凹陷边缘处地震动被显著地放大,而半球凹陷地形、棱锥形凹陷地形中这一效应相对较弱。研究揭示了凹陷边缘陡峭程度对场地地震动有显著的影响,而且凹陷地形边缘效应可能存在并与凹陷边缘陡峭程度密切相关。这一研究结果对实际工程问题分析给出了重要提示：建立凹陷地形的简化分析模型时需要特别关注凹陷边缘部位的合理处理。研究结果可应用于山区工程...     

近断层速度脉冲地震动引起的边坡永久位移预测模型

基于小波分析方法,从NGA数据库的3 551条地震记录中选取189条速度脉冲地震动,地震动均转换成发生最强脉冲的方向。基于Newmark方法,分析了近断层速度脉冲地震动作用引起的边坡永久位移值。结果表明：近断层速度脉冲地震动对边坡产生特殊的破坏作用,表现在滑动位移值大、滑动体破坏力强等方面;边坡永久位移值与速度脉冲地震动的峰值速度具有高度相关性,位移值较大时尤为明显。建立了基于单变量形式的峰值速度及双变量形式的峰值速度、峰值加速度两种边坡永久位移预测模型,模型简单实用,与回归数据具有很好的相关性,前者更适用于预测对实际工程影响较大的永久位移值,且离散性较小。提出的预测模型为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡永久位移值的概率地震灾害分析提供了基础。     

天津软土场地对地震动参数的影响

天津市区的场地条件为很厚而松软的第四纪沉积物,覆盖层较厚,地貌属海积—冲积平原,对地震动参数的影响很大。本文以海河东岸的天津嘉里中心工程场地为例,通过场地地震动效应分析,研究场地特征对地震动的影响。结果表明,土层地震反应分析得到的地震动峰值和反应谱与GB50011-2001《建筑抗震设计规范》的规定有明显的差别,抗震设计中的根据场地类别调整地震动的方法不足以完全描述场地地震反应特性,也难以反映天津厚软土场地的实际情况。可以认为,对于天津软土场地,采用经场地土层地震动效应分析所得地震动参数更为合理安全。     

场地土对基岩峰值加速度放大效应分析

通过实际土层地震反应结果的统计分析和强震加速度观测结果的对比, 讨论了不同场地条件对基岩峰值加速度的放大效应及其特点。该分析可为地震动参数区划图编制和地震安全性评价中场地效应的估计、由基岩地震动估算场地地面地震动提供参考。