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。     

SV波入射下峡谷地形对多支撑大跨桥梁地震反应影响分析

以二维河谷地形在SV波垂直入射和斜入射下的结果作为地震动输入,分析了地形因素导致的地震动差异对一座桥墩高差悬殊的连续刚构桥地震反应的影响,并与一致激励下的结果进行了对比。结果表明：与一致激励相比,考虑地形效应的多点激励作用下,刚构桥地震反应存在显著差异,难以找到规律性,不同的结构部位其最大内力的表现各不一样;多点激励使主梁遭受不利反应;斜入射对低墩和主梁有显著影响,使其内力显著增加或使结构各部位内力分布明显不均衡;与低墩相比,高柔的桥墩对多点激励相对不敏感;大跨度桥梁抗震分析与设计应考虑局部场地和入射波的入射方向和角度的影响     

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。     

黄土塬地震动响应特征分析

2008年汶川Ms8.0级强烈地震对远离震中的黄土塬地区造成了较为严重的破坏,局部场地的震害和地震动放大效应显著。以典型黄土塬场地为对象,应用地形台阵流动观测和有限元计算方法,系统开展强震动作用下黄土塬边坡场地动力响应特征研究;应用大型振动台模拟试验和数值计算方法,重点探讨黄土塬平台场地在汶川地震作用下地表加速度响应随覆盖层厚度、地震动强度的变化规律以及对建筑结构的潜在影响。结果表明：黄土塬边坡顶部存在低频但较高放大系数的现象,可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关;大角度（60°～70°）黄土塬边坡对地震动的放大效应十分显著,坡顶加速度峰值（PGA）放大可达2倍,反应谱卓越周期放大可达5倍;较厚黄土塬平台场地加速度放大可达2倍以上,地震烈度增加1度,对于场地上固有周期0.7～2.0 s和周期大于3.0 s的建筑物地震反应将显著增加。     

康定MS6.3级地震斜坡地震动响应监测分析

芦山MS7.0地震、鲁甸MS6.5地震诱发了大量的次生山地灾害,一些学者认为地形放大效应是其中的一个影响因素,但目前斜坡地震动响应研究仍然缺乏大量的实测数据支撑。通过在冷竹关两岸斜坡不同部位掘进平硐并放置强震监测仪器的方法,对沟谷两岸斜坡地震动响应特征进行研究,剖面较为完整地记录了康定地震两岸斜坡的地震动响应特征。监测数据揭示,(1)相对于康定姑咱参考站,位于右岸半岛状凸出山梁顶部1#监测点的水平和竖直向PGA放大系数分别达到了10.6～11.5、7.1,阿里亚斯强度最大,水平东西向比竖直向HVSR频比值达到11.1,卓越周期在低频部分;位于右岸山梁中部2#监测点水平和竖直向PGA放大系数分别达到了4.3～5.0、2.3;(2)左岸地形坡面起伏较小,记录的峰值加速度较小,仅在坡折部位5#监测点有明显的放大,水平与垂直峰值加速度放大系数分别为3.0～4.5、2.3,各监测点频比存在多个卓越周期,其放大效应在高频段更突出;(3)近直线型斜坡内(6#及7#监测点)放大效应相对较弱,且监测洞外侧放大系数大于水平深度较大的内侧。结果表明冷竹关两岸斜坡存在明显的地形放大效应,且右岸半岛状凸出山脊地形较左岸中高山斜坡地形放大效应显著。对比芦山地震该剖面放大系数,揭示了背坡面效应。     

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...     

基于复合方法的天水盆地宽频带地震动模拟

本文采用有限差分和随机振动合成结合的复合方法,模拟了当礼县—罗家堡断裂发生矩震级Mw7.7级大地震时,在天水盆地产生的宽频带地震动场,分析了在设定地震条件下盆地内的地震动分布特征,为该区黄土地震滑坡分析提供了地震动参数结果。结果显示:(1)有限差分法和随机振动合成法可以很好地互补,得到盆地内地表宽频带地震动;(2)地震在盆地区域产生了强烈地震动,PGA(峰值加速度)介于150~900 gal,离断层较近的区域东南角的PGA最大,随着断层距的增加,PGA逐渐减小。河谷南侧的PGA值相比北侧较大,具备诱发滑坡的强大动力条件;(3)盆地区域PGV(峰值速度)最大为120 cm/s。受第四系覆盖层放大效应和地形放大效应共同影响,水平向地震动在盆地区域东侧和中部具有较大PGV,而西侧PGV相对较小。竖向地震动在盆地区域东侧较弱,而在中部和西侧较强,特别是最西侧陡峭的山坡上,PGV达到了最大值。此外,竖向地震动明显受到覆盖层厚度的影响,譬如在盆地区域南侧的中间部位,也具有较大的PGV。     

川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

V形河谷场地能产生地震动放大效应,并加剧地震的破坏作用和灾害效应。基于高性能离散元软件MatDEM,对规则V形河谷以及真实河谷地形下的放大效应进行数值模拟研究。结果表明,对于规则V形河谷,在地震波水平入射的情况下,背波坡面产生明显的地震动加速度放大效应,并在临近谷底处最为强烈;随着河谷坡角的增大,放大效应增大。数值模拟结果和解析解具有一致的趋势和规律,并符合现场观测现象。将模型进一步应用于川藏铁路线日扎深切河谷的分析,发现地形微小的转折将会影响到波的传播,临近谷底处的加速度放大效应与规则地形较为一致。离散元法能有效地模拟河谷中地震波的传播、反射、散射等现象,可用于川藏铁路沿线复杂条件下的动力作用灾害效应分析。     

考虑地震动地形效应的边坡破坏概率——以金沙江下游新市镇附近边坡为例

边坡在地震作用下的破坏概率是地震边坡危险性评价的参数之一。在区域范围内计算地震边坡破坏概率一般采用实际地震滑坡和Newmark永久位移拟合得到的破坏概率公式进行计算。计算中所需的地震动峰值加速度数值大小受不规则地形的影响较大。为了较准确计算出区域地震边坡的破坏概率,本文利用公式分别计算了地震动峰值加速度地形效应系数和地震边坡滑坡概率,实现了地震动峰值加速度及滑坡概率的连续分布。在计算地表30 m平均剪切波速时,利用回归分析方法得出了Vs30与地形梯度G的连续性关系。这些方法充分考虑了地形在地震动峰值加速度中所起的作用,能够实现地震边坡破坏概率计算结果的连续性,如实反映了地震边坡破坏概率的实际状况,为更准确评价地震边坡滑坡危险性提供了新的思路。     

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。     

浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应研究

高山峡谷复杂地形是我国西部地区常见的地形和场地条件,大量的工程(桥梁、大坝等)修建在这类场地上.实际震害调查结果表明不规则地形对地震动具有明显的放大作用,对边坡的稳定性和建筑物的安全性构成不利的影响.因此研究高山峡谷复杂地形的地震动放大效应具有重要的工程价值.本文针对浅切割的高山峡谷复杂地形(山体顶和峡谷底的高差在10...     

A BEM investigation on the influence of underground cavities on the seismic response of canyons

Two-dimensional site effects caused by cavities under topographical functions can considerably impact the seismic reaction of the ground surface. Due to the complexity of scattering issues by topographical features above subterranean cavity, few studies have been done in this field. In the present study, the seismic response of semi-sine-shaped canyons above a subterranean cavity (hole) of different dimensions, depths and locations is examined. The medium is assumed to have a linear elastic constitutive behavior exposed to vertically propagating incident SV and P waves. All calculations are performed using the direct boundary element technique in the time domain. It is observed that a cavity below a canyon can considerably change the ground response of the surface in different periodic bands. The seismic interaction between canyon and cavity with respect to various geometrical parameters will lead to different amplification patterns in the center and edge of the canyon. One of the most important results is the increase in amplification of long periods compared with the case of a canyon without cavity. Moreover, parametric research shows the fact that the cavity detail and canyon height, the ratio of cavity to the canyon size and cavity location impact on the seismic amplification of the canyon surface. Finally, spectral amplification coefficients of the canyon surface led by the cavity are reported for different cases of the canyon–cavity interaction.     

基于间接边界元方法的SH波倾斜入射下边坡动力响应特征

地震作用下山体边坡的动力响应规律与地震波入射角度显著相关,本文基于间接边界元方法研究SH波倾斜入射下边坡的动力响应特征.基于间接边界元理论研发了用于边坡岩体动力响应分析的边界元程序,通过计算平直裂隙对弹性波的反射及散射波波场对程序进行验证,并详细探讨了不同类型的边坡在各种入射角度的应力波作用下的响应特性.SH波铅直向入射时,半圆形凹陷地形的谷肩位置地震动振幅最小,而半圆形凸起地形的最高点位置振幅最大,单面坡的坡肩位置地震动最大,楔形凸起地形的坡顶地震动最强烈;当SH波入射角增大,各类边坡的最大地震动力响应位置也有所偏移,地震放大系数亦随之变化;以樟木镇边坡为实例揭示了复杂形态边坡岩体中的局部凸起对地震动的放大作用.研究结果表明,边坡微地形特征对地震动力响应影响非常大,凸起山体坡顶的动力放大效应最为显著;同一边坡在不同入射角地震波作用下产生的动力放大系数以及发生的位置不同.本文的研究结果对评价坡体稳定性和边坡工程抗震防设等具有重要的指导意义.      

Incident P and SV wave scattering effects under different canyon topographic and geological conditions

A numerical model for wave scattering problems due to P and SV wave incidences is outlined in this paper. After verifying the present model, a general parametric study on the displacement patterns along the canyons of different shapes due to P and SV wave incidences is also performed. In order to investigate the effects of geologic conditions on ground motions, a weathered V-shaped canyon, which has different elastic moduli in the weathered layer, is also considered herein. The numerical results from this investigation demonstrated that (1) the present model is very suitable to simulate the problem of P and SV wave scattering along a natural canyon; (2) the shape of a canyon may have important effects on the displacement patterns along the canyon, so that a rectangular canyon is not appropriate to be a dam site due to its high amplification effects on incident waves; (3) the weathered layer on the surface of a canyon will significantly amplify the free field motion, especially for the case of softer weathered layer. Therefore, the excavation or grouting on a dam or a bridge abutment is not only necessary for static stability under static loads, but also beneficial to earthquake resistance because less amplification can be expected for sound rock abutments.     

沉积河谷-建筑群地震动力相互作用的二维IBEM模拟

众多城市坐落于沉积河谷之中,沉积河谷-密集建筑群间的地震动力相互作用规律尚不明确。采用间接边界元方法（IBEM）,对在平面SV波入射下,沉积河谷-建筑群之间的地震相互作用进行二维模拟计算和参数分析。研究结果表明：沉积河谷-建筑群间存在着显著而复杂的地震动力相互作用;较浅沉积河谷中建筑群地震响应呈现强弱交替变换特征;入射波角度、沉积河谷的材料、几何特征是影响沉积河谷-建筑群整体地震响应规律的关键因素。总体上看,建筑群对浅沉积河谷地震动响应有较大的降幅效应,特别是高频波入射下最大降幅近50%。实际河谷地震放大效应评估需考虑密集建筑群的影响,而位于地震波聚焦位置的建筑物需适当提高设防标准。     

高面板坝地震动非一致输入响应规律

在多点输入方法和等价黏弹性模型的基础上,采用半解析的波函数组合法实现了面板堆石坝在非一致输入下的动力计算。从频域散射角度对计算方法的合理性进行了验证。对比了非一致输入与一致输入下高面板堆石坝的动力响应,发现在采用基岩自由表面点的振动过程相同的对比标准下,非一致输入的整体动力响应较小;在面板坝防渗系统相对薄弱的止水结构附近,非一致输入的动拉应力最大值比一致输入的结果更大;非一致输入下大坝动力响应值的分布相比一致性输入呈现出中间小、周边大的特性。并基于波动理论进一步分析了不同种类地震波入射角度对高面板堆石坝动力响应的影响,揭示了P波、SV波和SH波入射下高面板堆石坝动力响应规律：随着入射角的增大,SH波入射时,高面板坝动力响应强度基本不变; SV波入射时,存在一个临界角,当入射角在临界角左右时高面板坝动力响应强度急剧增大和减小,之前基本不变,之后一直减小;P波入射时,存在一个特征角度,在入射角小于特征角度时高面板坝动力响应强度基本不变,大于特征角度时高面板坝动力响应强度减小。     

地下商场结构对地面运动影响的振动台试验研究

为了研究地下空间结构对场地地震反应的影响，以一个三层地下商场结构为原型，设计并开展了土?地下空间结构动力相互作用振动台模型试验，研究了在6条不同卓越频率输入地震波在不同峰值加速度下场地地震反应的变化规律。试验研究结果表明：（1）地表水平加速度放大系数以结构中轴线为对称轴呈对称分布，地下结构显著影响上方及邻近场地的地表水平加速度。同时，由于地下空间结构的局部场地效应影响，即使在水平地震输入下也将导致场地产生竖向振动，地表竖直加速度放大系数呈M形分布。地下空间结构的影响范围可达到其两侧各一倍宽度距离。（2）地表加速度放大系数受输入地震波卓越频率的影响明显，且随着输入地震波的峰值加速度（PGA）的增大而降低，但空间放大系数随着PGA的增大而增大。（3）地表加速度Fourier谱的峰值频率受输入地震波的卓越频率、场地水平方向的固有频率和竖向固有频率的综合影响。     

A three-dimensional oblique incidence method based on stress time-history functions of seismic body waves

This paper presents a three-dimensional oblique incidence method based on stress time-history functions of seismic body waves. This method realizes the three-dimensional oblique incidence of a single body wave phase or superposed multiple phases, which considers the earthquake action in the analysis of the slope seismic response. To implement this method, first, the spatial relationship between slope and incident seismic wave rays is described, and the direction of incident seismic waves is defined with two parameters: the azimuth angle \(\alpha\), which reflects the azimuth of epicenter; and the incident angle \(\theta\), which is a concentrated expression of the hypocentral depth and epicentral distance. Second, at the bottom boundary of the slope numerical model, the vibration starting time of each node excited by an oblique incident seismic wave is calculated. By considering vibration time sequence, the successive disturbance of rock and soil medium at the bottom of the slope is achieved. Then the stress time-history functions of six body wave phases are derived. Numerical simulation results of the x demonstrate the effectiveness, applicability and necessity of the proposed method.     

应力波斜入射对岩体节理端部的影响

岩体节理在受到应力波扰动时端部受力会发生不同程度的连续性变化,为具体分析这种动态变化与应力波入射角度之间的关系,引用岩石非线性法向本构关系与线性切向本构关系的组合模型以及相应的在P波斜入射节理的应力波传播方程,结合岩石断裂力学中Ⅰ、Ⅱ型裂纹尖端应力和位移场的相关理论,得出组合形式下的节理端部应力场和位移场随质点振速变化的计算公式。通过不同入射角的模拟脉冲信号作用对端部应力位移的变化分析：应力波斜入射节理导致节理端部上、下两侧应力与位移场非对称分布,随着入射波质点振速的增减变化,应力集中位置会出现变化;计算并整理模型中节理端部上、下两侧0.005 m位置的数据,节理法向刚度由入射波质点振速带来的变化直接影响到应力波的透射与反射,进而会导致端部的应力与位移出现滞后效应;节理端部横向位移值与入射角度并非单调变化,而竖向位移会随着入射角的增大呈现下降趋势。