汶川8.0级特大地震的断裂特性与强地面运动的关系

2008年汶川8级地震的发震构造是高角度铲形逆冲断层,伴随这种类型地震的远近场强地面运动在中国是第1次被记录到。综合汶川地震发震构造、破裂过程和强地面运动峰值加速度的资料,探讨高角度铲形逆冲断裂作用与强地面运动的关系。结果显示,龙门山断裂带内强地面运动峰值加速度明显大于断裂带外的台站,前者可达后者的2倍多。同时,该地震强地面运动具有很大的垂直分量,近断层垂直分量大于水平分量。结合远场资料,发现龙门山断裂带上盘峰值加速度垂直分量总体上大于下盘,上盘垂直分量的衰减比下盘慢。不考虑远场的高值异常,水平分量似乎也存在上盘效应,但目前无证据表明这些异常应该被剔除。另外,远场地面运动特征显示,相对于反方向,沿同震断层扩展方向(NNE)的峰值加速度水平分量衰减较慢,垂直分量的这种方向效应不明显。考虑到汶川地震破裂浅、断面陡和以垂直形变为主这3个显著的同震构造特性,近场和远场地面运动记录反映出位错类型和台站的实际断层距的控制作用。正因为汶川地震高角度铲形逆冲断裂结构的特殊性,导致其地面运动与普通逆断型地震强地面运动的同震效应在某些分量上相同,其他分量存在差异。     

基于伪谱和有限差分混合方法的兰州盆地强地面运动二维数值模拟

利用伪谱和有限差分混合方法对兰州盆地进行二维强地面运动模拟.假设3个不同的震源深度5、10、20 km的同一地震下,以一个5层的二维剖面作为模型,以此来研究地震波传播过程并分析复杂的二维非均质路径效应,以及局部地下速度构造对强地面运动振幅加乘的影响,从而了解路径效应对强地面运动最大峰值位移的影响程度.研究结果显示:伪谱和有限差分混合方法模拟地震波场结合了有限差分法和伪谱法的优点,弥补了二者的不足,能较好地处理介质不连续面的计算,同时保证了和伪谱法相当的计算精度.通过地震波场模拟可知沉积盆地的强地面运动较基岩相比具有放大效应,震源深度的不同对兰州盆地垂直分量地面最大峰值位移影响较大,在震源深度为5 km时最小,为0.06 cm;震源深度10 km时在水平剖面30～55 km范围内峰值位移最大,达到0.14 cm;但对水平分量的峰值位移影响较小.     

局部山体地形对强地面运动的影响研究

基于曲线网格有限差分方法研究了地震波在不同坡度的山体地形及水平地表模型中的传播,得到了各模型速度波形及地表峰值速度特征,从地形自身特征及震源特征两方面出发讨论了地形效应:一是相同的震源模型下地形坡度、形状对地震动的影响;二是同一山体模型下地震动对不同震源机制的点源以及相对复杂的有限断层的响应.主要结论如下:(1)一般情况下,地形放大效应在坡度较大的地方比较明显,并随着坡度的增加而增大,但在某些特定情况下,放大效应与坡度并不满足正相关,且这种情况的发生与震源性质无关,可能仅受地形形态自身的影响;(2)对于不同的震源机制,地面运动各分量受地形影响程度不同,总体上水平分量受地形影响程度更大;(3)震源机制和震源激发的波的频率会影响放大效应最大值出现的位置,放大效应最大值不一定出现在山顶处,有可能会出现在起伏地形的震源对侧,出现位置可能与波的相互作用有关;(4)有限断层模型下,地面运动特征相对更为复杂,地形效应不仅受断层模型几何特征的影响,同时断层破裂过程对其也有着重要的影响.     

盆地深度对盆地地表地震动及次生面波的影响

采用显式有限元与透射边界相结合的方法,以及一种同时考虑频率、视波速及极化特征的Rayleigh面波提取方法,研究了盆地深度d对盆地地面运动、盆地放大效应及次生面波的影响。结果表明:相比水平成层模型,紧邻盆地边缘区域的地震动被抑制,抑制区的范围随d的增加逐渐扩大。对水平分量,盆地地表位移峰值放大1.1～1.25倍,最大放大系数(AF)随d的增加而减小,其位置从盆地边缘向内部移动。对垂直分量,峰值可达一维模型水平分量的0.92倍,最大AF位于盆地边缘,且平均AF随盆地深度的增加而增大。随盆地深度的增加,水平和垂直分量的面波幅值均增大。面波幅值最大值出现于盆地中间区域,同时在盆地内有明显振荡。盆地深度较小时,基底多次反射体波引起多次面波生成,显著延长面波持时。水平分量的面波幅值与地震动峰值之比随盆地深度的增大而增加,最大比值0.7左右;垂直分量这一比值在盆地内部基本维持在0.65上下。     

三维地形对地震地面运动的影响

本文从行波观点研究了小尺度三维地形对地震地面运动的影响。在数值计算中应用了三维化二维的解法和人工进射边界的处理方法,以减少计算时间和算机存贮量。主要研究结果如下:当输入水平地面运动时,孤立小山包将发生整体摇动,这一摇动的周期正是山顶和自由场地面运动振幅谱之比的峰值所对应的周期T_0。当H/R=1/3-2/3时(H为山包高度,R为山底半径),T_0=3.2R/β(β为横波速度)。这一卓越周期的存在导致山顶运动较自由场地面放大100—400％。当输入竖向地面运动时,不再出现明显的山体整体振动,山顶竖向运动较自由场地面放大40—125％。地表凹陷对水平或垂直地面运动的影响远小于具有同一尺度山包的影响,在凹陷边沿附近,地面运动稍有放大(约25％),凹陷底部的运动一般减小。比较了三维理论结果和二维模式的类似研究结果。联系地震宏观现象时论了两者的差异。理论结果和在一个孤立山包的山顶和山底洞内取得的1975年海城地震的余震记录做了对比,结果表明两者合理地一致。最后,讨论了数值计算中遇到的几个主要问题。     

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。     

同一测点不同地震动分量空间相干性分析

利用SMART-1台阵的3次地震记录计算了同一测点三平动地震动分量问的相干值,并提出了相干函数模型。分析表明,同一测点各地震动分量间是低相干的,随频率衰减不明显;两水平分量问的相干性比水平分量与垂直分量间的相干性大。因此在工程计算中不计相干函数随频率的变化不会带来太大的误差。     

利用强震数据获取汶川地震近断层地面永久位移

利用汶川地震中得到的靠近映秀—北川主断裂的64个强震台站的三分量记录数据, 对加速度记录进行基线校正的基础上获取近断层地面运动的永久形变位移, 并将由强震记录获取到的地面位移结果与GPS观测到的同震位移进行对比分析, 研究汶川M_S8.0地震的近断层地面运动的位移特征. 结果表明: ① 在靠近映秀—北川主断层的上盘和下盘, 东西相向的地面运动非常剧烈. 下盘的51SFB, 51MZQ和51JYH台东西向位移均为负(即地面运动向西), 其中51SFB台位移量最大, 达到1.49 m; 上盘的51WCW台位移向东, 位移量为1.26 m. ② 地面运动的位移分布主要表现为以龙门山断裂带的映秀—北川断裂为核心的相向运动, 东西方向上的永久位移要大于南北方向. 从断层机制上来讲, 断层的错动以逆冲运动为主(即逆冲位移要大于走滑分量的位移), 这与震源机制反演及地质考察的结果一致. ③ 大的地面永久位移集中分布在以龙门山断裂带为中心的狭长范围内, 离开发震断裂地面位移的衰减很快. 相比而言, 在发震断层的下盘一侧(即四川盆地)的地面位移的衰减比上盘一侧明显要快.      

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。     

利用强震数据获取汶川地震近断层地面永久位移

利用汶川地震中得到的靠近映秀-北川主断裂的64个强震台站的三分量记录数据,对加速度记录进行基线校正的基础上获取近断层地面运动的永久形变位移,并将由强震记录获取到的地面位移结果与GPS观测到的同震位移进行对比分析,研究汶川Ms8.0地震的近断层地面运动的位移特征.结果表明:①在靠近映秀-北川主断层的上盘和下盘,东西相向的地面运动非常剧烈.下盘的51SFB,51MZQ和51JYH台东西向位移均为负(即地面运动向西),其中51SFB台位移量最大,达到1.49m;上盘的51WCW台位移向东,位移量为1.26 m.②地面运动的位移分布主要表现为以龙门山断裂带的映秀-北川断裂为核心的相向运动,东西方向上的永久位移要大于南北方向.从断层机制上来讲,断层的错动以逆冲运动为主(即逆冲位移要大于走滑分量的位移),这与震源机制反演及地质考察的结果一致.③大的地面永久位移集中分布在以龙门山断裂带为中心的狭长范围内,离开发震断裂地面位移的衰减很快.相比而言,在发震断层的下盘一侧(即四川盆地)的地面位移的衰减比上盘一侧明显要快.     

典型斜坡地形地震动特征分析

以云南鲁甸6.5级地震中房屋建筑破坏严重的龙头山集镇斜坡地形为例,通过地脉动测试分析得出斜坡及坡顶测点相对于坡脚参考点谱比峰值均＞1,顺坡向谱比峰值大于垂直坡向谱比峰值,且谱比峰值从斜坡坡脚到坡顶逐渐增大,坡顶处约为3;顺坡向谱比峰值对应的频率为4.57～5.39 Hz,垂直坡向谱比峰值对应的频率稍高,为5.42～5.96 Hz。通过结合黏弹性边界的时域动力有限元方法分析斜坡地形在垂直入射地震动作用下的响应,数值模拟结果表明,斜坡坡顶处的位移放大作用显著,坡脚处放大作用较小;介质剪切波速对斜坡地震动的影响较明显,尤其是坡顶点处不同介质剪切波速模型位移峰值差异较大。由于斜坡地形复杂的散射效应,在斜坡及附近测点均出现明显的转换面波,坡顶点处波形转换最显著。数值模拟结果进一步验证了龙头山集镇依坡而建的房屋建筑破坏严重是由局部地形地震动放大效应与地震动差动共同作用引起的。     

三维地形中地震动的频域特征——以芦山地区为例

地形条件对局部震害分布有重要影响。本文选择地形起伏剧烈的芦山地区,采用三维谱元法模拟地震波传播。研究了该地区地震动的频谱特征。计算了测线上位于山顶和山谷的台站傅里叶频谱,并研究了各自的谱值和谱值比特征。分析结果表明:山顶包含了较高的频谱;山谷包含了较低的频谱;山顶上的频谱值高于山谷的频谱值;并且地形对水平分量的影响更大。同时,进一步从频谱中提取了峰值放大比和峰值频率2个参数,分析了其在芦山地形中的分布特征。结果显示,山顶对应了较大的峰值放大比和峰值频率,而山谷则对应了较低的峰值放大比和峰值频率。     

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.     

凸起地形对地震动特性的影响

采用基于ABAQUS平台的显式有限元动力学分析方法,结合人工黏弹性边界理论,研究了局部凸起地形对地震动特性(包括反应谱、峰值加速度、峰值速度和峰值位移等)的影响,分析了台地宽度对地形放大效应的影响.结果表明:凸起地形平台段空间点地震动受地形效应影响较大,在零阻尼条件下,其谱比曲线呈双峰特点,.8—0.9s的中长周期段谱比达到一个较大值1.6,在0.08—0.09s的高频段谱比超过2.0,且最大值出现在平台中点;对于凸起地形斜坡段,在大部分周期点处,顶点的谱比高于其它斜坡点,而且在周期超过0.4s的频段,斜坡段观测点的谱比表现出较明显的规律性,即越靠近顶点的观测点,其谱比值越大;坡底段地表不同观测点的谱比基本在脚点与计算边界点(人工边界点)对应的谱比值之间变化,在不同的频段均表现出较明显的规律性.凸起地形平台段宽度对地震动高频成分的放大效应具有较大影响,但只局限在一定的宽度范围内,随着宽度的增大,其对地形放大效应的影响逐渐减弱. 此外,台地宽度的变化对地震动峰值加速度的放大效应有一定的影响,而对峰值速度、峰值位移的放大效应的影响则不明显.      

Effects of Impedance Contrast and Soil Thickness on Basin-Transduced Rayleigh Waves and Associated Differential Ground Motion

This paper presents the effects of impedance contrast (IC) across the basin edge, velocity contrast between the basin and underlying bedrock, Poisson’s ratio and soil thickness on the characteristics of basin-transduced Rayleigh (BTR) waves and associated differential ground motion (DGM). Analysis of simulated results for a two-dimensional (2D) basin revealed complex mode transformation of Rayleigh waves after entering the basin. Excellent correlation of frequencies corresponding to different spectral ratio peaks in ellipticity curves of BTR waves and spectral amplification peaks was obtained. However, such correlation was not observed between values of peaks in ellipticity curves and spectral amplification at the corresponding frequencies. An increase of spectral amplification with IC was obtained. The largest spectral amplification was more than twice the IC in the horizontal component and more than the IC in the vertical component in the case of large and same impedance contrast for P- and S-waves. It was concluded that the frequency corresponding to the largest spectral amplification was greater than the fundamental frequency of soil by around 14% and 44% in the vertical and horizontal components, respectively. Spectral amplification of the vertical component was negligible when soil thickness was less than around 15–20 times the S-wave wavelength in the basin. The largest values of peak ground displacement (PGD) and peak differential ground motion (PDGM) were obtained very near the basin edge, and their values with offset from the edge were strongly dependent on the IC across the basin edge, Poisson’s ratio, velocity contrast between the basin and underlying bedrock (dispersion), damping and soil thickness. The obtained value of PDGM for a span of 50 m in the horizontal and vertical components due to the BTR wave was of the order of 0.75 × 10^?3 and 1.32 × 10^?3 for unit amplitude (1.0 cm) in the horizontal component of the Rayleigh wave at rock very near the basin edge.     

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.     

近断层地震动作用下风机塔地震反应分析

为了研究近断层地震动速度脉冲及强竖向地震动对风机塔地震响应的影响,以某陆上风电场1.5 MW风机塔为研究对象开展了结构在水平向脉冲型地震动、水平向非脉冲型地震动、水平与竖向地震动组合3种地震输入工况的时程分析。通过3种工况下塔顶位移时程、加速度时程、塔底剪力、弯矩及轴力的对比分析发现:近断层速度脉冲对结构塔顶水平位移、塔顶水平加速度、塔底剪力与弯矩均影响显著;竖向地震动会加大结构的塔顶竖向加速度响应及塔底轴力响应;随着竖向与水平加速度峰值比增大,塔顶竖向加速度响应增大,最大轴力随着峰值比增大而增大,最小轴力随着峰值比增大而减小。此外,增量动力分析表明,采用自接触的有限元模型可以更真实地预测风机塔的失稳破坏机制。     

Behaviour of near-source vertical and horizontal response spectra at smart-1 array,Taiwan

Over 700 accelerograms recorded from 12 earthquakes in northeast Taiwan have been analysed for investigating the behaviour of the vertical and horizontal peak and spectral ground motion in the near-source region. Pseudo-relative spectral velocities (PSV), at 5 per cent critical damping for 23 frequencies in the range of engineering interest have been subjected to non-linear regression procedures in terms of magnitude and hypocentral distance. Predicted response spectra for several discrete distances and magnitudes are presented. The results show that the shape of response spectra for both vertical and horizontal components of ground motion is magnitude- as well as distance-dependent. The 2/3 ratio of vertical to horizontal ground motion, commonly used in engineering applications, appears unconservative in the very near field for high frequency ground motion. However, it falls below 1/2 at distances greater than 50 km. The same ratio for peak ground velocity (PGV) and peak ground displacement (PGD) tends to increase with distance—the latter at a faster rate.     

单体边坡地形的地震动力响应及其放大效应的数值分析

本文采用隐式动力有限单元法研究了不同的边坡角度和边坡高度对地形放大效应的影响,并以位移峰值放大系数为衡量地震动放大效应的标准,计算了不同边坡角度和边坡高度条件下的地震响应,在此基础上对模型关键监测点的输出波形以及位移峰值放大系数的变化趋势进行了分析,获得了不同监测点处的地震动时程曲线,揭示了坡角和坡高对单体边坡地震动放大效应的定量作用规律。数值结果表明,相同高度处坡面监测点的水平向位移峰值放大系数大于坡内监测点的,地形放大效应在水平方向具有趋表效应。由于坡面存在入射波和反射波的叠加,因此竖直向位移峰值放大系数的最大值出现在坡体内部。