基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明：层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。     

无破碎带断层场地对SH波的散射

在层状半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载动力格林函数的基础上建立间接边界元方法,在频域内求解无破碎带断层场地对入射平面SH波的散射。为方便求解,将总波场分解为自由波场和散射波场,自由波场由直接刚度法求得,断层两侧的散射波场通过在断层面上分别对两侧施加均布斜线荷载产生的动力响应来模拟,虚拟荷载的密度可通过引入断层表面的边界条件确定,最后叠加自由波场和散射波场求得总波场。以有落差断层和无落差断层模型为例进行数值计算,分析断层落差、断层倾角以及断层两侧介质的刚度比对散射效应的影响。研究表明,断层落差与波长相当时,断层对SH波的放大作用最大;地表位移幅值随着断层倾角的增大逐渐增大;若断层无落差且其两侧刚度不同时,一般刚度较小一侧地表位移幅值较大且振荡更为剧烈,波从刚度较小一侧入射时位移幅值放大尤为显著。     

P波入射下断层参数对地表地震动的影响

基于应用透射人工边界条件的显式有限元法计算断层破碎带宽度及力学参数变化、地震动入射角变化时二维断层场地模型P波入射下地表地震动场的分布。结果表明:(1)低速度破碎带的存在导致整个场地都有P波转换为SV波的分量,且在断层破碎带的区域出现断层陷波;(2)低速度破碎带的存在使输入场地恒定的能量向破碎带集聚放大,随着破碎带宽度增大或其介质波速降低集聚放大效应增大;(3)场地放大效应是频率相关的,宽度较宽或介质波速较低的断层破碎带对输入地震动中较低的频率成份放大显著;(4)竖向断层破碎带能阻隔斜入射地震P波,随着入射角增加隔震效应更显著。     

场地放大效应的估计

本利用唐山地区9个台站得到的13次近场地震记录分析了场地放大效应，其中一些站位于废弃的地下煤矿坑道内，最深的一个台站在地下822m处，首先检验确定了地面反射波对地下场地的入射波没有很大影响，在后利用地下基岩场地台站（－822m)作参考场地，用线性反演法来同时分离震源，传播途径和局部场地效应，结果发现：在1至10Hz的频段上S波品质因子Qs基本上与频率成正比；与以地面基岩场地作参考场地所得的结果相比较，地面基岩场地的反应并不是一常数，它在大于6Hz的高频段上有明显的放大作用，在本的研究事件中，在6至10Hz的频段上这个放大纱数约为2至4。这表明由于地面基岩场地本身的放大作用，将导致在作场地震动预测时会低估地震作用，最后采用一种新的非参考场地法，即遗传算法，用w^2震源模型来估计绝对场地效应。在本的研究结果中，对大多数台站场地来说，所得的绝对场地应应与以地下基岩台站作参考场地所得的相对场地效应十分一致。这表明这作场地震动分析时，当仔细考虑了反射波对入射波的影响后，地下或井下基岩场地是比地面基岩场地更合适的参考场地。     

含断层破碎带场地对平面SH波的放大作用

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,采用间接边界元法在频域内求解了含断层破碎带场地对SH波的放大作用,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及场地动力特性对散射的影响.结果表明,断层破碎带对SH波有显著的影响,即使破碎带很窄,也可对SH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.     

梯形山体地形效应及对周围场地地震反应的影响

利用数值方法对地震动的局部地形效应进行研究,主要以梯形山体为研究对象,重点考察了山体的存在对其周围场地的地震动产生的放大或衰减效果。对不同高宽比的山体输入不同频率的Gabor小波,研究输入波的频率和山体高宽比对山体顶点、山体脚点和周围场地动力反应的影响。输入波形简单的Ricker小波,通过散射波的走时分析并结合单频波的计算结果研究山体对周围场地地震反应的影响机制。实际地震波作用时的计算结果和单频波的结果都表明周围场地受山体影响会对地震动特定频率谱值产生明显的放大。突出地形的存在使周围场地的地震反应发生显著变化,具体表现为:(1)在单一频率的输入波作用下,虽然远距离场地的动力反应接近自由场,但高频波会引起距离山体较近的场地强烈的动力反应改变。低频波则不会造成周围场地动力反应的明显变化。(2)山体高宽比对地形效应有显著影响,更大高宽比的山体会造成更强烈的地震动地形效应。(3)周围场地不同位置因山体影响对地震动的不同频率的谱值放大可以达到1.5倍左右。     

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。     

黄土斜坡动力响应特征分析

斜坡动力响应特征与斜坡形态密切相关,若入射地震波主频接近斜坡卓越频率就会放大斜坡动力响应,甚至造成斜坡失稳。汶川地震对远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏,局部场地震害和地震动放大效应显著。选取汶川地震典型黄土斜坡场地,利用地形台阵流动观测和数值模拟计算相结合的方法,系统开展强震动作用下黄土斜坡场地动力响应特征研究。结果表明:坡顶卓越频率最小,其PGA放大系数甚至达到坡底的1.98,这种现象可能与斜坡高差和入射波波长之比密切相关,比值0.2时坡顶放大效应达到最大。随斜坡坡度增加,放大效应增强,坡顶反应谱卓越周期放大系数可达5,说明斜坡地形对强震地面运动有显著影响。数值计算结果与实际强震观测基本吻合,其结果对黄土地区建设工程抗震设防具有重要的科学与实际意义。     

浅层断层对场地地震动影响的有限元分析

应用动接触理论模拟断层的滑移问题，用有限元方法计算浅层断层对场地地震动的影响．计算结果表明，在地表断层出露的周围地区，断层下盘地表地震动放大效应较大，断层上盘地表地震动放大作用有明显的降低．这一结果说明，在有浅层断层的场地建设重大工程时需要考虑断层对地震动的影响．      

Rayleigh波入射情形下的断层效应

本文运用数值模拟方法对Rayle igh波入射情形下的断层效应进行分析,结果表明:断层对Ray-le igh面波具有隔震作用,随断层深度的增加其隔震效果更加明显,且水平向的隔震效果强于竖向。在入射波一侧,由于断层的作用使接触带附近的反应增强,随着断层破碎带宽度的增加,竖向反应变化特征明显不同于水平向反应变化特征。     

SV波全反射作用下地震动的合成及振动特性

越来越多的研究表明来自基岩的地震波并不是垂直地面向上传播的。地震波在斜入射与垂直入射时所产生的场地效应有很大不同,由于存在全反射现象,SV波在斜入射时产生的场地效应更为复杂。文章基于均匀弹性半空间地震波传播理论,分别推导得到SV波入射角在小于、大于等于临界角时地震动的计算表达式,通过模型算例研究SV波全反射作用下的地震动特性。研究发现：由SV波产生的地震动主要由入射波和反射波构成,滑行波作用可以忽略;地面运动轨迹具有面波旋转振动特点;随着入射角的增大,地面震动从以水平方向振动为主逐渐过渡到以垂直方向振动为主,两个方向的振动均小于入射波峰值的2倍。     

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．      

含峭壁V形峡谷对地震SH波散射的解析解

地表地形常引起地震动的局部放大,这是由于地震波传播至局部地形时产生了散射现象.本文利用波函数展开方法和区域匹配技术,提出了含峭壁V形峡谷对平面SH波散射问题的解析解,并进行了退化验证.通过频域内的参数分析,揭示了峭壁深度、入射波频率和角度等因素对峡谷场地地面运动的影响规律,发现上部峭壁会增强峡谷对地震动的地形放大效应....     

复杂场地条件下地震动空间效应研究

产生地震动空间效应的主要原因是地质构造的变化会极大地改变复杂场地条件下到达不同观测点的地震波,因此地震波振幅和相位发生明显变化。本文利用有限元和边界元耦合的方法,通过建立雷克子波入射时的非线性响应模型求解复杂场地条件下的波动积分方程,进行复杂近地表构造中地震波场数值模拟,旨在分析复杂场地条件下入射方向不同的地震波的动力响应规律。研究结果显示近地表会极大地改变地震波传播特征,导致地震波传播趋向不一致性的因素是由于复杂场地条件重建了地震波的传播路径,尤其须指出的是非一致性地表位移响应源于软土层中低频子波的传播。在地震响应分析中导致系统不同动力响应的其他原因是主频和地震波速度结构的改变,同时地震波入射角度的改变会引起到达观测点的时间滞后,地表位移响应随着入射角度的增大而增加,地震动的空间效应随着入射角度的减小而愈趋明显。     

地震体波斜入射下的断层台阶地震反应分析

应用显式有限元法对倾斜断层台阶在地震体波斜入射下的地震反应进行了数值模拟。模拟结果表明，P波入射时的竖向运动分量和SV波入射时的水平向运动分量在台阶上角点处存在极大值、在台阶下角点处存在极小值，同时在上下台面还出现由角点激发、向台阶外传播的转换体波与面波。这一结果说明，在断层台阶场地建设重大工程时应离开上角点一定距离，并考虑上下水平表面地面运动的差异性。     

含流体层的河谷场地对地震波散射的间接边界元法模拟

结合单相介质动力格林函数和流体域格林函数,将间接边界元方法拓展到含流体层河谷对地震波散射的求解,并结合具体算例进行大量参数分析。研究结果表明,含流体层河谷地形对平面P波、SV波入射时的地震响应受控于入射波频率、入射波角度及流体深度等多种因素。总体来看:① 在低频域内,含流体河谷底部及附近地表的频谱特性与不含流体的河谷反应基本一致;② P波入射时在水层体系共振频率处,河谷底部位移缩小效应显著,而此频率处流体表面位移达到最大;③ 流体层具有吸收地震波能量的作用,流体深度越大,河谷表面及附近地表的地震动位移越小。研究成果可在一定程度上为河谷地形附近地震动效应的评估及防震减灾工作提供理论依据。      

Scattering of obliquely incident seismic waves by a cylindrical valley in a layered half-space

Three-dimensional scattering of seismic waves by a cylindrical alluvial valley embedded in a layered half-space is investigated by using the combination of the boundary integral representation and the finite element method. The surface displacements due to incident plane harmonic body waves (P, SV and SH) propagating at an arbitrary angle to the axis of the cylindrical valley are evaluated numerically for two semi-elliptical alluvial valleys. The presence of the layer is found to have a strong effect on the amplification of the surface displacements in some cases. The three-dimensional motion seems to be quite critical and may cause large amplification. The surface ground motion becomes significant when compared with corresponding free-field motion as the wavelengths become comparable to the characteristic length of the valley. The maximum amplification always occurs atop the valley. Numerical results show that the amplitude and the amplification pattern of the surface displacement strongly depend upon the frequency, the angle and the type of the incident waves.     

The Effect Analysis of Topography on the Spectrum Properties of Anti-Plane Movement

An explicit finite difference method is performed to evaluate the significance of topography effects on the seismic response of viscoelastic sites. The real accelerograms and bell-shape impulse wavelets, slope angle of cliff and angle of incidence on the spectrum property of the incoming waves are all discussed in detail. The conclusions show that the presence of topographic factors and the direction of the incident waves not only significantly affect the peak ground acceleration of a site, but also affect the spectrum properties of the incoming waves, and the effect on the direction of the incident waves is especially remarkable. The study also finds that it is reasonable to analyse spectrum properties with the input of impulse wavelets in the finite element simulation of wave motion.