局部地形下入射波散射效应对地震动影响解析解研究进展

局部地形条件对地震动放大有显著影响,解析法和数值法均可研究该问题,而解析法可以分析问题的物理本质和检验数值法的精度.将局部地形分为无盖层凹陷地形、有盖层凹陷地形(沉积谷地)、凸起地形和复合地形;分别综述了国内外关于各种局部地形对地震动影响的解析解研究成果.从以下4个方面分析和讨论当前研究成果:①研究方法;②计算介质模型;③各局部地形研究水平的不均衡;④研究存在不足之处.提出了未来发展方向:未来该领域应加强研究局部地形对Rayleigh波地震动响应规律,开展局部地形对多种波耦合入射下的地震动响应规律的研究,运用非线性波动理论研究局部地形对地震动的影响和开展三维非线性地震动数值模拟研究.     

场地地震动局部地形效应研究进展

本文对地震动地形效应的影响因素及其规律进行了阐述和分析.主要对局部地形几何形状,入射波的入射角度、频率,震源相对位置及震源深度等因素对地形效应影响的国内外研究现状进行了综述.同时,介绍了地震数值模拟在地震动地形效应研究中的应用,并对进一步研究提出了一些建议.     

河谷地形对地震动的影响分析

基于时域隐式动力有限元结合黏弹性人工边界的方法,实现了地震动垂直入射下三维河谷地形地震反应的数值模拟。在此基础上,针对河谷地形对地震动的影响,对峰值差异、质点运动轨迹等进行了分析,继而分析了地震动相干性及相位差等频域特性。结果表明:河谷地形对地震动强度具有显著影响,其与河谷特征及场点位置相关;河谷地形能产生明显的地震动转换,且坡度越大地震动转换越明显;河谷地形效应会减小地震动的相干性,表现为河谷两岸地震动之间相干性较好,而边坡下降会导致相干性的减小;河谷地形效应导致地震动产生相位差,相位差大小与场点位置相关,但河谷两岸地震动之间几乎不存在相位差,而斜坡及谷底相位差均较大。     

局部地形对出平面运动谱特性的影响分析

本文利用显式有限元有限差分方法进行了脉冲和实际地震动输入下的粘弹性场地地形影响的分析计算,研究了坡地地形在高宽比不同、体波入射角度不同时出平面运动谱特性的差异。结果显示:地形的特征尺寸和入射角度不仅对地震动的峰值有影响,而且对地震动的谱特性有较大的影响,其中入射角度的影响尤为显著。另外,研究还表明,基于脉冲输入研究粘弹性地形谱特性的影响仍不失为一种有效的方法。     

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.     

川滇区域高频地震动地形效应初探

历次强震表明:局域起伏地形对由高频地震动起决定作用的震害存在显著影响。忽略场地浅表土层的影响,凸起地形场地震害高于凹陷地形。然而,由于地形效应影响因素的复杂多样以及公认地形效应表征模型的缺失,已有的宽频带地震动模拟与预测方法并未考虑高频地震动地形效应,这可能导致对地震动时程及参数的错误估计。为此,本文利用当前较具代表性的地形效应量化表征模型,初步分析了川滇区域高频地震动的地形效应。首先,给出了基于量化表征模型的区域高频地震动地形效应计算分析方案;其次,完整地阐述了该方案在川滇地区的应用,并结合漾濞地震震害考察结果初步验证了川滇高频地震动地形效应分析结果的可靠性;最后,讨论了分析结果的局限并给出其应用于宽频带地震动模拟与预测方法中的初步建议。     

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.      

地震动的山体地形效应

地震动的山体地形效应问题属于局部场地条件对地震动的影响范畴。汶川地震之后,记录到了大量主、余震山体地震动记录,结合"明灯一号"人工爆破山体地形地震动记录以及汶川地震震后现场与地形效应相关的震害调查资料,本文对地震动的山体地形效应进行了详细     

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。     

强震动台站观测环境对地震动的影响分析

强震动观测记录是地震工程学和工程应用的基础,现今亦日益成为地震学研究不可或缺的数据,其不仅用于确定抗震设计参数、研究空间地震动变化规律、发展地震动衰减模型及确定结构抗震设计地震动输入,而且成为研究震源破裂过程、震源机制解、地震预警与速报的关键性资料。随着强震动台网建设发展,其台站观测环境的影响越来越突出,因此,研究强震动台站观测环境对地震动的影响对于提高强震动记录的质量,更好地发挥强震动记录的作用,具有重要的现实意义。论文围绕强震动台站观测环境对地震动的影响这一主线,以COSMOS强震动台站设计规范和我国强震动台站的设计规范为基础,概要介绍了强震动台站的选址现状,指出了强震动观测现存的主要问题。论文从强震动台站观测环境、基墩建设、地形影响和仪器一致性等台站建设中的关键环节进行分析,通过数值模拟、强震动观测及振动台试验,定量评价各环节对强震动观测质量的影响,为强震动观测台站建设技术标准或规范提供基础依据。论文主要的研究工作如下:(1)采用集中质量显式波动有限元方法,定量分析了回填土、基坑及置换方案建设的强震动台站对场地地震动的影响,探索了回填土的剪切波速和厚度、基坑尺寸及置换土层厚度等因素对地震动的影响规律。数值模拟结果表明,回填土、基坑及置换方案建设的强震动台均对地震动峰值和反应谱有一定的影响,这为回填土和重塑土场地上的强震动观测台站的自由场确定提供了参考依据。(2)分析了汶川地震中宜宾高场强震动台所获取的异常强震动记录,采用人工触发试验重复验证了宜宾高场台汶川地震记录的异常原因;以此台为数值模拟原型,构建了考虑仪器墩高和横截面尺寸的24个不同数值分析模型,研究了仪器墩高和横截面尺寸对地震动的影响。结果表明,宜宾高场强震动台记录中高频成分和非对称异常产生的原因是仪器墩未能和地基牢固接触,在强地面运动作用下仪器墩不能与地面产生相同的整体运动,从而形成了两者间的相对运动并造成了局部的接触碰撞效应;仪器墩高和横截面尺寸的大小对地震动幅值和反应谱有一定的影响,为减小这种影响,建议仪器墩高不超过0.8m、横截面尺寸不超过1.2m×1.2m。(3)分析了观测台站的地形环境对地震动的影响。通过地脉动谱分析了什邡八角强震动台站观测的地震动受河谷地形影响的范围,指出了不受河谷效应的影响、在远离河谷60m处的场地接近自由场地,并利用参考场地谱比法给出了什邡八角台站地震动受河谷地形影响的修正因子;同理,给出了江油含增强震动台站受通讯塔影响的修正因子。采用二维显式波动有限元方法,研究了不同波长与坡高比值的边坡地震响应特征及规律,并分别将地形边坡两侧自由场地的峰值位移作为基准,计算距坡脚和坡顶不同距离的峰值位移的比值,给出了自由场点距坡脚和坡顶的水平向距离,为边坡地形强震动台站选址参考使用。同时,场地的地形效应分析表明坡顶对地震动的影响较坡脚明显。此外,自由场点距坡脚和坡顶的水平向距离与地震动的卓越周期密切相关。(4)根据中国数字强震动台网中4种记录器和2种加速度计的5种组合,进行了不同地震波输入下的振动台试验,对在相同输入下不同组合强震仪的记录进行对比分析;为进一步验证振动台试验结果,利用上述两种组合的强震仪在汶川地震余震中捕获到的并址观测记录,进行了相关对比分析,检验了振动台试验结果。结果表明,5种不同组合的仪器记录加速度波形一致性较好。此外,对同一型号的Basalt型数字式强震仪和ES-T三分向力平衡式加速度计开展了技术参数测试和设备一致性实验测试,测试结果表明该类型设备工作可靠,一致性较好;并进一步开展了传感器安装偏转对强震动观测结果影响的实验测试工作,实验测试结果表明一定程度上安装偏转得到的数据和正确安装得到的结果差别不大。     

三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析

本文基于显式有限元法研究了地震波垂直入射时三维复杂山谷地形对地震地面运动的影响,在数值分析中应用了三维化二维的解法和黏弹性人工边界的处理方法,实现了地震波垂直输入下三维复杂场地地震动数值模拟,并验证了该方法的合理性.以四川桃坪地区一山谷地形作为研究对象,基于地表高程数据分别建立了二维和三维场地模型,对比研究表明:在复杂地形情况下考虑二、三维模型时具有明显差异,三维模型能更真实地反映地形变化对地震动的影响,复杂地形条件下有必要考虑三维实际场地模型.本文对边界自由场的处理方法也可用于处理三维复杂场地地震动斜入射问题,为三维复杂地形场地地震效应研究提供参考.     

基于有限元方法研究岫岩罗圈里陨石坑地形对地震反应的影响

基于有限元方法对岫岩罗圈里陨石坑地形对地震反应的影响进行了探索。结合文献资料、岩土勘察工作建立了岫岩罗圈里陨石坑二维有限元分析模型。选用粘弹性人工边界和等效节点力输入方法解决了有限元模拟半空间无限域时的边界问题和地震动输入问题。为了突出地形因素的影响,采用弹性材料介质进行数值模拟分析,并与水平场地模型的分析结果进行了对比。数值模拟结果和对比表明:罗圈里陨石坑地形对于陨石坑中部的地震动有显著的放大作用,远高于水平场地模型。此外,盆地中部短周期部分的反应谱也明显高于盆地边缘和水平一维场地模型,这是导致海城地震中盆地中部自振周期较短的单层房屋破坏明显严重的主要原因。     

地震动河谷场地效应研究

本文以梯形河谷场地为研究对象,采用二维显式有限差分和透射人工边界理论,根据设计的正交表建立计算模型,计算分析了梯形河谷场地对地震动的影响因素,对其影响程度进行了排名,并采用强震记录分析法对计算结果进行了初步验证。结果表明,4个因素对梯形河谷场地的地表地震动有重要的影响,但是其影响程度随着位置的变化表现也不同,不同位置的影响因素排名不同;距河谷谷坡40m以内的场地,各影响因素排位相同,首位是河谷坡角,其次是深宽比、覆盖层厚度,最后是输入地震动强度,因此,河谷场地距谷坡一定距离时各因素对地表地震动影响程度基本相同,该段场地河谷地形的几何参数对地震动影响起较大作用;随着场地距河谷谷坡越远,影响因素的排位也发生了变化,总体上是坡角排位后移,输入地震动和覆盖层厚度排位前移,河谷几何参数对地震动影响逐渐减弱,覆盖层厚度和输入地震强度2个因素的影响逐渐加大,该段场地对地震动影响与水平成层场地类似。对安宁河河谷场地强震记录分析验证的结果表明,河谷地形对地震动有显著的放大作用,同时也验证了本文的数值模拟结果是可信的。     

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.     

相邻地形对地震动特性的影响分析

基于采用透射人工边界的显式动力有限元方法,研究了相邻凸起地形对地震动反应谱特性的影响,分析了相邻凸起之间距离的变化对地形效应的影响。研究结果表明:1与单一凸起地形对地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地震动反应谱谱比曲线的形状影响不大,但对谱比的值具有较大影响,而且其影响程度的大小与地表观测点的位置有关;2相邻凸起地形的存在对凸起平台段中点地震动高频成分的放大效应影响较大,随着相邻凸起之间距离的增加,该影响逐渐减弱,多个相邻凸起构成的组合地形对地震动的放大效应逐渐接近单一凸起地形。     

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。     

山谷地形对入射SV波地震反应分析

基于黏弹性人工边界的显式动力有限元方法,研究了突出平台状山谷地形场地的地形效应,分析了山谷地形对地表地震动的影响.结果表明:(1)沿着地震动输入方向地表反应较其他方向上的反应强烈;(2)与单一凸起山体地形对地表地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地表地震动位移傅里叶谱谱比曲线的形状影响不大,但是对PGD有着较大的影响...     

基于震源-河谷波场数值模拟的坝址地震动参数确定方法

针对目前高坝坝址地震动参数确定方法的一些不足,本文尝试了一种基于地震学理论的坝址区三维地震动场生成方法.基本思路是将地震学和工程学结合,针对设定地震,建立震源-传播介质-坝址峡谷场地数值模型,通过超大规模的数值计算,模拟地震波从发震断层破裂开始到坝址场地的物理传播过程,生成坝址区的三维地震动参数.与传统基于衰减关系的地震动参数确定方法相比,这一方法可以考虑震源机制、传播介质和坝址峡谷场地效应等三大要素的影响.对于特定的坝址,可以生成符合实际地质构造、区域岩体动力特性以及坝址峡谷地质地形条件的地震动荷载分布,具有针对性,为重大高坝枢纽工程遭遇极端地震荷载作用时的抗震安全性提供了一种新的分析手段.     

相邻地形对地震动特性的影响分析

基于采用透射人工边界的显式动力有限元方法,研究了相邻凸起地形对地震动反应谱特性的影响,分析了相邻凸起之间距离的变化对地形效应的影响。研究结果表明：1）与单一凸起地形对地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地震动反应谱谱比曲线的形状影响不大,但是却对谱比的值具有较大影响,而且其影响程度的大小与地表观测点的位置有关;2）相邻凸起地形的存在对凸起平台段中点地震动高频成分的放大效应具有较大影响,随着相邻凸起之间距离的增大,该影响效应逐渐减弱,多个相邻凸起构成的组合地形对地震动的放大效应逐渐接近单一凸起地形。     

山地与平原地形对地震动影响的对比分析

山地和平原地形在破坏性地震中对震害和地震动有很大影响,不同地形对地震动有不同的地形效应。为研究山地和平原地形对地震动的影响规律,基于集集地震后续M L6.6余震的强震观测记录,对位于不同地形且与震中位于同一直线上的四个强震台记录处理计算,从波形特征、频谱分析、加速度反应谱计算、与规范谱比较等方面进行对比分析,完成长周期地震动反应谱分布的计算。研究表明,山地地形对地震动的高频成分有地形放大效应,沉积平原对地震动的低频长周期部分有放大作用,并且长周期反应谱的峰值区域始终位于沉积平原中部。平原上强震记录产生的长周期放大系数谱已超出规范谱,沉积平原上长周期建筑的抗震设防应引起重视。