逆断层地震作用下三维沉积盆地地震动谱元法模拟

近断层地震动对近场区域会造成严重的地震灾害,尤其区域内存在沉积地形时会进一步加重灾害。目前,针对释放能量更大、破坏力更强的逆冲断层地震作用下沉积盆地的地震动响应研究还未见报道。本文即采用谱元法,研究了动力学逆断层地震作用下的三维沉积盆地的动力响应。文中以椭球形沉积盆地为例,对其逆断层地震动响应特性进行了分析,并探讨了改变内外介质波速比和沉积厚度时沉积盆地内部观测点地震动时程和峰值变化规律。研究表明:①沉积内外介质波速比对沉积盆地的地震动影响显著,当沉积内部介质波速比降低时,盆地内部地表的峰值响应增大,地震动持续时间明显延长,尤其是位于盆地中心加速度峰值放大2.08倍,持时延长1.97倍;②沉积盆地厚度同样对其地震动响应产生影响,当沉积厚度增加时盆地中心位置地震动响应减小,加速度峰值缩小约0.64倍,而盆地边缘区域的地震动响应明显增大,峰值放大约1.35倍。      

近断层沉积盆地强地震动谱元模拟

近断层强地震动特性与远场地震动特性具有显著差别。关于近断层沉积盆地地震响应规律,目前尚未厘清。为此利用基于有限断层假定的动力学震源模型,采用谱元法,详细研究了不同沉积内外介质波速比、走滑断层倾角下近断层沉积盆地地表的地震动时程和峰值变化规律。计算结果表明:近断层沉积盆地对地震动幅值具有显著的放大作用,在盆地内部,地震动持时明显延长以及空间分布更为复杂,同时出现多次长周期速度脉冲。断层倾角变化对地震动有着显著影响,在30°~90°范围内,整体上看:随倾角增大,盆地内部峰值加速度和峰值速度逐渐减小,而位移峰值受倾角的影响相对要小。另外,随近断层沉积盆地内部介质波速降低,盆地内部地表的地震加速度和速度会明显增大。     

考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时-频放大特征

基于三维谱元法模拟了三维沉积盆地模型在点源作用下的地震动响应,通过分析地表速度峰值、放大系数以及特征频率处的谱比分布,研究了不同阻抗比(IR)下盆地的地震动放大特征。结果表明：1)地震动峰值并非随阻抗比的增加而单调递减,且最强烈地震动位置均随阻抗比的减小而向盆地内部移动。2)地震动放大系数与峰值分布总体一致,IR在0.08～0.44的范围内,盆地地表地震动幅值可达基岩半空间地震动幅值的3.68倍。但小阻抗比时三维盆地地震效应会引起某些分量上放大系数的显著不同的分布特征。3)最大放大频率随阻抗比而变化,IR=0.26～0.33时的主要放大频率为IR=0.08时的3倍。4)三维盆地地震效应、阻抗比和一维等效自振频率共同决定了盆地地震动的时-频域放大特征。比较而言,阻抗比较小时更应考虑三维盆地的地震效应。     

三维沉积盆地对地震动的放大效应间接边界元法模拟

基于一种高精度间接边界元法(IBEM), 实现了沉积盆地三维地震响应的频域、 时域精细求解, 并以半空间中椭球形沉积盆地对平面P波和SV波的散射为例, 着重探讨了入射角度、 入射波型、 入射频率、 盆地长宽比和深宽比对沉积盆地地震动放大效应的影响规律． 结果表明: 盆地形状对地震波的放大效应和空间分布状态具有显著影响, 且具体规律受控于入射波频段． ① 随着盆地深度增大, 盆地边缘面波发育更为充分, 在较宽频段内均会出现显著的地震动放大效应, 且深盆地的放大区域集中于盆地中部． ② 圆形盆地对地震波的汇聚效应最为显著, 而狭长盆地对地震波的汇聚作用相对较弱, 高频情况下可在盆地内部形成多个聚焦区域． ③ 不同波型入射下, 盆地对地震动放大效应的机制有所差异: P波入射下, 竖向位移放大主要是由于盆地边缘面波由四周向中部汇聚所致; SV波入射下, 边缘面波汇聚效应相对较弱, 而当盆地较深时, 底部透射体波和边缘面波易形成同相干涉从而显著放大地震动． 按盆地内外介质波速比为1/2, P波和SV波垂直入射下频域最大放大倍数分别为25和15, 时域放大倍数约为4.0和3.7(雷克子波)． ④ 低频波入射下, 位移从盆地中部向边缘逐渐减小, 且浅层沉积盆地对地表位移幅值的放大作用不明显． ⑤ P波和SV波的入射角度对盆地地震动放大幅值及空间分布特征也具有显著影响．      

SV波斜入射下成层盆地地震动时-频域放大特征研究

基于二维成层盆地模型,以盆地不同场点对应的一维等效土层模型的结果为参考,采用有限元法与人工透射边界相结合的方法,研究了SV波入射时入射角θ对盆地地表地震动放大特征的影响.结果表明入射角度和盆地分层构造对地表地震动放大特征均有显著影响:(1)盆地地表地震动峰值受θ影响显著,不同分量、不同区域(盆地边缘和内部区域)的位移峰...     

基于二维数值模拟的盆地地震动放大系数

盆地地震效应的研究已取得长足进展,但是地震动盆地放大效应与盆地特征参数之间的定量分析还尚不充分。文中利用盆地宽度、沉积层厚度、盆地边缘倾角和阻尼比等特征参数的不同组合建立的84个精细化二维盆地有限元模型,基于波动有限元数值模拟方法结合强震动观测记录定量评估了地震动盆地放大效应。结果表明:(1)地震动盆地放大效应明显依赖于周期和盆地内的位置;(2)地震动盆地放大效应主要集中于不超过1.4T_0(场地自振周期T_0)的周期范围内;(3)盆地边缘局部区域的地震动放大系数小于1.0,这可能与盆地边缘入射地震波(SV波)的折射导致部分体波向盆地内传播以及部分SV波转化为沿垂直分量传播的P波等有关;(4)T_03.0 s时盆地边缘放大效应最明显,放大系数为1.10～1.40,T_0≥3.0 s时盆地中部放大效应最明显,放大系数为1.30～1.79;(5)不考虑盆地内位置对地震动放大效应的影响时,盆地全局放大系数可取1.38～1.86,该放大系数高于我国现行《建筑抗震设计规范》中规定的不利地段地震影响系数的增大系数1.1～1.6。     

震源深度对二维盆地放大的影响研究

基于谱元法,采用4种不同倾角的盆地模型,研究了不同震源深度走滑地震非平面波入射时二维盆地放大规律,分析了盆地边缘放大的峰值及其位置与无量纲频率和盆地倾角的关系。结果表明：①随着震源深度的增大,水平方向上速度峰值比的最大值逐渐增大,在震源深度为10km时达到最大,随后减小,且水平向和竖直向速度峰值比的最大值位置逐渐偏向盆...     

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。      

二维梯形沉积盆地放大效应的数值模拟研究

盆地效应作为场地效应的一种特殊类型,其对地震动的影响仍在持续研究当中。建立二维梯形沉积盆地模型,模型边界采用透射人工边界,利用显式有限元法作为求解方法。根据Buckingham提出的π定理定义了多个影响盆地效应的无量纲参数,包括盆地深宽比、介质波速比、盆地深度与入射波长之比、盆地开口宽度与入射波长之比。以Ricker子波作为输入波,研究SH波垂直入射盆地模型时,以上无量纲参数对盆地放大效应的影响。研究发现盆地深宽比越大盆地诱发的聚焦效应越明显,盆地深宽比越小盆地边缘效应越明显。在盆地的深宽比和入射波确定时,随着盆地开口宽度与入射波长之比不断增大盆地的最值放大系数逐渐从盆地中心移向盆地边缘,表现出越来越明显的边缘放大效应。其中波速比差异对放大系数的影响最大,波速比差异越大介质的波阻抗比越大,放大效应越显著。通过将影响盆地放大效应的参数无量纲化,使梯形盆地对地震动放大效应的研究的结论更具有普遍意义。     

基于谱元法的三维盆地－子盆地共振初步研究

本文基于谱元法,模拟三种深度的点震源下,四种倾角的三维单一小盆地模型和盆地－子盆地模型的地震动,通过盆地模型和基岩半空间模型的傅氏谱比分析三维盆地－子盆地模型的共振频率和放大特性。结果表明:（1）盆地－子盆地模型下,外部大盆地的存在导致子盆地共振频率下降约5%,盆地倾角的增大导致子盆地的共振频率略微减小。三维子盆地的共振频率约为二维模型的1.5倍左右。（2）子盆地模型相对于基岩半空间的放大倍数随着盆地形状比降低而增加。形状比由0.88降低至0.5,子盆地的放大系数增大1.3－1.8倍左右。（3）盆地－子盆地模型相对于单一小盆地模型的放大随震源深度的增加而降低,震源深度由2 km增加到18 km,由2.3降至1.3。     

含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析

在沉积盆地中,由于地表河流和湖泊等的长期沉积作用,容易在盆地内形成新的沉积盆地,称为子盆地。子盆地土体物理性质和周围土体有显著差别,因此子盆地的存在会对整个盆地的地震响应产生显著的影响。本文基于ABAQUS有限元计算平台,以理想二维梯形沉积盆地为例,针对盆地-子盆地这一特殊场地,重点分析了盆地尺寸、盆地-子盆地相对位置、子盆地介质波速和外围盆地倾角等影响因素对盆地-子盆地地震反应的影响。结果表明：子盆地的存在显著影响了盆地内的地震动,子盆地位于盆地中央区域时,对地震动的放大效果最为显著,PGA最大可被放大2倍左右;此外,子盆地介质波速越小,对盆地地震反应的影响最显著,但子盆地介质波速的变化对远离子盆地区域的地震动影响不明显;随外围盆地边缘倾角的增大,子盆地区域PGA幅值随之减小并向左移动,沉积盆地中央区域PGA幅值也随之减小。     

SH波入射下圆弧状沉积盆地地震反应瞬态解析解计算

地震波散射问题的解析解是研究局部场地、地形、盆地等不规则地层结构对地震动参数放大效应影响的重要理论工具。现有解析解大部分在频域内给出，无法直接用于研究不规则地层结构对地震动峰值、反应谱等参数的放大效应。本文基于平面SH波入射下圆弧状沉积盆地动力响应宽频带稳态解析解，通过Fourier变换，获取瞬态响应解析解。基于此，研究El Centro波入射下，沉积盆地对地震动峰值加速度、峰值速度、峰值位移及不同周期反应谱的放大效应。研究结果表明，盆地宽度和深度、沉积介质波速、入射波角度等对盆地放大效应具有显著影响，地震动反应谱谱比最大值超过2.0，且宽度达10 km的较大型盆地对长周期地震动参数具有显著放大效应，对于位于该类盆地的超高层建筑、大型储液罐、大跨度桥梁等长周期结构，应充分考虑盆地对抗震设防参数的影响。     

柴达木盆地东部地震地面运动放大效应

柴达木盆地是青藏高原东北部大型断陷山间盆地,该地区的流动观测记录了2008年11月10日发生于大柴旦附近的M_W6.3地震。和附近的基岩上的记录相比,盆地内部的记录显示出非常显著的地面运动放大效应,表现为峰值速度的增大、持续时间的延长,其呈现出长持续时间的后续震相。傅里叶频谱分析表明盆地内部显著的后续震相的频率和直达波相比较低,地面质点运动轨迹图显示后续震相为面波运动特征。为了解释地面运动的差异,构建二维模型,通过交错网格高阶有限差分方法计算了地震波在盆地内部的传播过程,结果显示盆地内部低速层的存在造成直达波的放大以及多次反射与转换,盆地边缘结构造成的波的相干叠加产生了强烈的次生面波,其低频、大振幅、长持续时间的特征是盆地内部地面运动放大的主要原因。     

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.     

点震源作用下三维沉积盆地地震动谱元模拟

基于高精度谱元法(SEM),以半空间中椭球形沉积盆地为例,研究了点震源作用下三维沉积盆地的地震响应。研究结果表明:沉积盆地对地震动幅值有显著的放大效应,对地震持时有明显的增长效应,地震动空间分布规律受控于震源频率和近断层倾角等因素。主要体现为以下几点:(1)震源函数主频率较高时,沉积盆地内部出现多个波峰波谷,局部聚焦增强,放大效应显著,如震源频率为2Hz时在沉积盆地中心位置的加速度峰值可达1Hz时的5.6倍;(2)随着断层倾角的增大,断层上盘效应逐渐减弱,地表加速度的峰值在逐渐减小,30°倾角断层沉积盆地中心的加速度达1.96m/s^2,是90°倾角断层加速度值的5.2倍;(3)震源频率和断层倾角对位移的影响没有对加速度的显著。     

考虑土体非线性及倾角影响的盆地地震响应研究

基于二维沉积盆地模型,采用D-P弹塑性模型模拟盆地的非线性特征。利用显式有限元与黏弹性边界结合的方法,通过改变盆地边缘倾角,在时域和频域内分析盆地地表的地震动响应,对比线性与非线性盆地地震反应的差异。结果表明:(1)土体非线性对整个盆地范围内地震动的影响都较显著。考虑非线性时地震动放大系数明显降低,降低幅度在30%~50%。同时,考虑非线性和倾角影响时最强烈放大区域的范围和位置变化,且很小倾角下的分布特征显著不同。(2)两分量的放大系数都有随边缘倾角的增大而增强的趋势,但均是盆地边缘区域受非线性的影响最为显著。此外,真实地震波输入下显著放大区域的范围及线性与非线性结果的差异程度相对更大。(3)考虑非线性时,对于不同频率地震波的放大系数差别明显,但都表现出从低频到高频谱比分布越来越复杂的现象,同时盆地倾角的影响程度随频率的增大更加明显。(4)考虑土体非线性并未改变地震波传播的总体特征,但各震相强度相对降低。     

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.     

施甸盆地三维地震动研究

本文利用三维施甸盆地模型以及川滇地区的地壳速度结构,采用谱元法和并行计算技术,考虑地形的影响,模拟了盆地外围中等设定地震作用下施甸盆地地震波的传播,分析了面波的产生和传播,研究了该盆地不同位置剖面地震动的差异和原因.研究表明,小型盆地在中等地震的作用下盆地内部地震动空间差异很大,盆地中较深的小型凹陷更容易汇聚面波,形成更强的振动,位于覆盖层厚度剧烈变化区域的地震动强度也会很大,甚至大于覆盖层厚的区域.较基岩地震动,盆地内地震动持续时间明显增加,地震动的放大作用明显,这也是盆地震害严重的主要原因之一.     

地震动残差分析盆地附加放大效应:日本关东盆地为例

我国地震动预测及地震危险性分析通常仅考虑局部场地浅层岩土层对地震动的放大效应,不能考虑较大范围的地质条件影响,如沉积盆地厚沉积层对地震动的附加放大效应通常被忽略,造成盆地内地震动及地震危险性预测结果普遍被低估。本文以地震动观测记录数据充足的日本关东盆地为例,采用地震动残差分析方法评估盆地附加放大效应,分析覆盖层厚度、盆地内空间位置、震级、震源距对地震动放大效应的影响,建立关东盆地附加放大效应经验评估模型。分析表明:关东盆地附加放大效应与反应谱周期相关,整体上从短周期的1.0逐渐增大至周期为5s时的1.5,附加放大效应与覆盖层厚度相关性较小,主要受盆地空间位置和震源距的影响;盆地北部边缘及西北部地区附加放大效应更强烈,盆地南部附加放大效应较小,这可能与盆地边缘效应密切相关。本文建立的关东盆地附加放大效应经验模型略高于BSSA14和ASK14模型的放大效应预测。相关研究结果可用于我国地震动预测、下一代地震动区划图修订等。     

基于动力学震源模型的三维沉积盆地直下型断层地震动模拟

沉积盆地与近断层地震共同作用会增加地震破坏的风险水平,尤其是盆地下方直下型断层发震情况。采用动力学震源模型刻画断层破裂发震过程,开展沉积盆地直下型断层谱元法地震动模拟研究,探讨不同断层面初始剪应力和成核区位置下三维沉积盆地地表响应规律。研究结果表明,断层面应力降对盆地地表地震动的影响显著,在断层面强度一定的情况下,随着初始剪应力的增大,即应力降增大,盆地地表峰值响应增大,原因在于应力降的改变影响了断层破裂释放能量,进而引起断层破裂速度改变,最终导致盆地地表响应发生变化;改变断层面成核区位置会对盆地内部地震动分布规律产生影响,当成核区位置从断层中间向断层左侧移动时,盆地左侧地震动逐渐减小,而右侧地震动逐渐增大,最终表现为盆地右侧地震动显著高于盆地左侧,原因在于改变成核区位置后,导致近断层地震动的方向性效应发生变化。