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。     

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。     

泉州盆地地震效应的二维非线性分析

基于ABAQUS显式有限元并行计算平台,采用大尺度二维精细化有限元非线性分析方法,研究泉州盆地地震效应特征.结果表明:(1)与基岩输入地震动相比,地表峰值加速度总体呈放大效应,且盆地不同位置的放大效应存在明显差异;(2)地表或基岩剧烈起伏及土层横向分布极不均匀处,地震动易产生局部聚集效应,相应地表地震动呈显著放大或缩小效应;地表加速度反应谱产生双峰甚至多峰现象.(3)在土层竖向、横向分布不均匀处,峰值加速度沿深度方向呈非单调递减,加速度反应谱沿深度存在较大差异.场地地震效应的二维非线性分析法能在一定程度上反映特殊场地条件对地震动效应的影响,该结果可为泉州盆地及类似盆地的场地设计地震动参数的确定提供参考依据.     

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。     

利用H/V谱比法研究长江中下游地区沉积层厚度

利用地脉动数据可以确定地震动对地表介质产生的响应,传统的H/V谱比法是针对于地脉动数据而发展起来的,本文将H/V谱比法应用于处理宽频带地震数据.本研究以长江中下游地区为研究对象,对68个宽频地震台站采集到的数据去除地震波形事件后的时间序列进行H/V谱比处理,得到了长江中下游不同区域的沉积厚度.河淮盆地的沉积层厚度大于3000 m.铜陵与安庆,庐棕三个矿区及其附近邻区其卓越频率位于0.05～0.1 Hz,沉积厚度3000 m左右,由西向东逐渐减薄为2000 m左右,且矿区沉积层横向变化大.江汉盆地的沉积层较厚,其边缘沉积层厚度可达3000 m.     

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。     

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。      

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。     

复杂场地对地震波传播的影响

本文基于两相介质动力学方程组，利用显式集中质量有限元结合透射人工边界，研究了复杂介质情况下盆地和凸起地形对地震波传播的影响。研究表明，控制波在盆地传播的主要因素有沉积层和基岩的剪切波速比、沉积层的厚度、饱和度。欠饱和土的基本共振频率小于单相土和饱和土的基本共振频率。凸起地形对地震动有放大作用，但是在山脚附近有抑制作用。饱水土的地形效应要比单相土的地形效应更加明显。山间峡谷的放大作用和两山间的距离有密切的关系。     

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。     

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.     

2020年7月12日唐山古冶5.1级地震揭示的北京城区地震动场地效应分析

局部场地条件对地震动特性影响显著,深厚的软弱覆盖层引起的地震动场地效应会显著放大中长周期反应谱。采用谱比法,对2020年7月12日唐山古冶5.1级地震中获得的部分强震动记录进行统计,发现在本次地震中北京城区的地震动场地效应显著,深厚覆盖层明显放大了加速度反应谱,在T=1.2 s左右反应谱放大倍数可达4.0,说明北京地区的场地和盆地效应使得远场地震动的中长周期成分显著放大。此外,发现参考基岩场地记录是否与土层场地处遭受的基岩地震动一致,仍然是制约统计结果可靠性的关键因素。      

邢台地区长周期地震动特征初步分析

沉积平原中存在地表低速沉积层是长周期地震动产生的关键因素,而长周期地震动会对长周期建筑物造成严重威胁和震害。本文基于邢台地震的历史地震震源模型和含地表沉积层的地壳速度模型,采用离散波数有限元法,对邢台地区进行了长周期地震动的计算分析。研究表明,邢台平原地区在大震中会产生长周期地震波,邢台地震中反应谱峰值区域位于宁晋南,与极震区基本重合。震中距小于55km区域内的周期1.5—4s的放大系数谱超过了抗震设计规范谱,反应谱放大系数值在周期2s附近达到峰值。因此,邢台地区因存在地表软弱沉积层,该区抗震设防可能对长周期地震动估计不足,建议应予以特别考虑。     

2012年唐山4.8级地震强震动记录特征及场地相关特性分析

2012年5月28日河北省唐山市古冶区与滦县交界发生4.8级地震, 国家强震动台网中心在河北、 天津和北京的94个强震动台站记录到了本次地震的加速度。 本文给出了获取记录的强震动台站分布及强震动记录结果, 统计了强震动记录数量随震中距的变化, 给出了3个较小震中距台站记录到的加速度时程; 绘制了空间地震动峰值加速度等值线图及周期0.2 s、 2.0 s加速度反应谱值的等值线, 发现峰值加速度等值线与长周期加速度反应谱等值线极值分布具有明显地域差异, 分析认为是由于厚沉积层对长周期地震动具有放大作用造成的。 通过强震动记录与适用于本区的三个衰减关系对比, 分析了此次地震的峰值加速度衰减特征, 同时研究了周期0.2 s、 2.0 s加速度反应谱值的衰减特征, 周期2.0 s反应谱值随震中距的衰减与衰减关系能较好地对应, 然而在震中距100～130 km沉积层较厚的集中地区, 表现出了实际记录较衰减关系值偏大的现象, 认为同样是由于厚沉积层对地震动加速度反应谱长周期的放大作用导致的。 研究了震中距差别不大的情况下, 场地类型与沉积层厚度对反应谱特征周期的影响, 对比基岩台站与软弱地基土层台站的强震动记录反应谱, 发现软弱土层台站的土层对地震动有一定的放大作用, 导致中长周期地震动被放大, 对比位于沉积层较薄的隆起区台站与位于沉积层较厚的凹陷区台站强震动记录反应谱, 发现厚的沉积层不仅对反应谱长周期有放大的作用, 同时也会使得反应谱特征周期值变大。     

基于谱元法的玉田震害异常研究

玉田低烈度异常区位于河北省玉田县的中北部地区,该区在1679年三河—平谷8.0级特大地震和1976年唐山7.8级大地震中都表现出了明显的低烈度异常现象,是典型的低烈度异常区。唐山大地震以后,国内外众多学者对其异常的原因进行了较为深入的研究,取得了丰富的研究成果。作为一种探索,本文在已有研究成果的基础上,采用谱元法对异常原因进行了更为深入的研究。谱元法属于广义有限元法,是一种新的地震动数值模拟方法,具有计算精度高、收敛快以及易于实现并行运算等优点,用其进行数值模拟计算能大大减少内存需求和计算时间。近年来,该法取得了较快的发展,目前已成为进行大尺度、复杂地质结构模型地震动数值模拟分析的重要工具。破坏性地震震害异常机理的探索是进行场地条件对地震动影响研究的核心问题之一。本文为震害异常机理的研究提供了一种新的方法,这一工作对促进震害异常机理以及场地条件对地震动影响的研究具有重要的理论和实际意义。本文在对震害异常产生原因和研究进展进行详细归纳和总结的基础上,通过对玉田低烈度异常区已有研究成果和收集资料的分析,重点从基岩地形和土层特性两个方面,对玉田地区3个计算剖面的地震动反应进行了谱元法模拟,研究了玉田低烈度异常区的异常机理,得到了若干有意义的结论。本文取得的主要研究成果如下:(1)建立了玉田地区105m深度内的土层波速结构模型。根据收集的68个钻孔数据,从钻孔深度、覆盖层厚度、土层剪切波速以及场地类别4个方面对玉田地区土层的波速特性进行了详细分析,拟合得到了黏性土、砂土和碎石土剪切波速随深度变化的经验公式,再结合不同土层的波速特征,以平均剪切波速作为分类指标对玉田地区的土体进行了分层统计,建立了该区105m深度内的土体波速结构模型。(2)研究了基岩地形特征对地表地震动强度的影响。在对简单基岩凸起模型理论分析的基础上,通过对简单基岩地形模型的谱元法分析,从多个方面探讨了基岩凹陷或凸起地形对地表地震动强度的影响。结果表明,基岩凹陷或凸起地形的存在改变了地震波的入射角度,在使其出现多次折射与反射现象的同时,也使传播至凹凸变化区域的地震波向内汇聚或向外发散,从而导致与该区域相对应地表处的地震动强度整体得到加强或减弱,形成地震动强度相对增强区或减弱区。地震动强度相对增强区的范围较基岩凹陷区小,两者的比值随着基岩凹陷地形陡度和覆盖层厚度的增大而逐渐减小。地震动强度相对减弱区的范围较基岩凸起区大,两者的比值随着基岩凸起地形陡度和覆盖层厚度的增大而逐渐增大。(3)研究了玉田地区基岩地形对震害异常的影响。通过对玉田地区3个剖面6个基岩地形模型的谱元法分析,探讨了各剖面中基岩地形的变化对地表地震动强度的影响。结果表明,玉田地区地表地震动的强度受基岩地形凹凸变化的影响,且这种影响在玉田地区的南北方向上表现得较为明显。玉田县城下基岩凸起地形的存在,降低了城区内大部分区域的地震动强度,形成了地震动强度相对减弱区;而县城以北区域下基岩槽形洼地的存在,则增大了该区的地震动强度,形成了地震动强度相对增强区。相对增强区内的地震动强度为相对减弱区的2倍左右。地震动强度相对减弱区与震害异常区相对应,且其范围较基岩凸起区大。(4)研究了玉田地区土体对震害异常的影响。通过对玉田低烈度异常区内外土体模型的谱元法分析,从地震动强度和频谱特性两个方面,探讨了同一地震作用下异常区内外土体地震动反应的异同。结果表明,在0~105m的深度范围内,玉田异常区内外土体的地震动强度相差不大,且都具有大致相同的频谱特性。异常区内外土体对较低频段(异常区内为0.67~3.17Hz,异常区外为0.67~2.94 Hz)地震波都具有明显的放大作用,而对高频段(6 Hz左右)地震波则都具有一定的吸收作用,并且这种放大、吸收作用在水平方向上表现得尤为明显。(5)研究了玉田地区基岩地形和土体对震害异常的共同影响。通过对玉田地区3个实际剖面的谱元法分析,综合分析了基岩地形和土体对震害异常的影响。结果表明,基岩地形与土体的共同作用,在增大地表地震动强度的同时,更显著地加强了基岩凸起(凹陷)地形对地震波的发散(汇聚)作用,表现出了明显的低烈度异常现象。低烈度异常区的范围较基岩凸起区大,但与震后现场调查得出的0.2等震害指数包线相比,其在南北向的范围较小,东西向则相差不大。综上所述,在合理考虑介质各向异性、地质构造背景以及场地条件等多种影响因素的前提下,建立正确的计算模型,利用谱元法进行震害异常机理研究是可行、有效的。玉田低烈度异常区的出现,是基岩地形与土体共同作用的结果。其中,玉田地区基岩地形的凹凸变化,在加强玉田县城以北区域地震动强度的同时,也降低了玉田县城内大部分地区的地震动强度,从而使县城内大部分地区的地震动强度相对更低;玉田地区深厚覆盖层的存在,导致土体的卓越频率主要位于较低频段,这与唐山地震时区内建(构)物自振频率较高的特点正好相反,避免了共振现象的产生,降低了玉田地区建(构)物的破坏程度。基岩地形和土体的共同作用,使玉田城区内大部分区域的震害程度相对更低,从而形成了典型的低烈度异常区。     

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.     

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...     

复杂地形条件对强地震动特征的影响

基于甘肃文县获得的汶川地震强余震记录分析和FLAC3D软件模拟场地地震反应的方法研究了地形条件对地震动的影响.首先结合文县流动地震台强余震记录,分析了文县山包场地的地震动分布特征;其次对该山包进行了地形测量、地震勘探和土样采取,根据实测资料建立了FLAC3D三维场地数值模型,采用实际基岩记录输入,研究了山包不同部位地震动的分布特征.研究表明:数值计算与观测的结果在一定频段范围内有较好一致性;其时域峰值加速度放大比接近,反应谱谱比结果放大趋势一致,1 ～10Hz的地震动放大最明显;FLAC3D软件能够有效地模拟三维场地的地震反应.     

渭河盆地中土层场地对地震动的放大作用

土层场地对地震动的影响较大,建(构)筑物的选址及其抗震设防必须考虑土层场地的放大作用,以避免或减轻其震害.汶川地震中,布设在渭河盆地中的数字强震动台网共有27个台站(包括2个基岩台站和25个土层台站)获得良好的主震加速度时程.利用这些加速度时程,选择汤峪台做为参考场地,基于考虑几何衰减的传统谱比法分析研究了25个土层场...     

基岩上均匀场地中透镜体对地震动的非线性放大作用

本文采用有限元方法研究基岩上均匀场地中透镜体对地震动的非线性放大作用,分析非线性放大作用和线性放大作用的差别,以及透镜体埋深、宽度、厚度以及输入地震波幅值和频谱等因素对非线性放大作用的影响.研究表明,透镜体的存在对地震动有显著的非线性放大作用,该放大作用可达30%;非线性放大作用一般小于线性放大作用;透镜体宽度对地表加速度反应谱的影响较大,埋深和厚度对地表加速度反应谱的影响较小;输入地震波幅值和频谱也有很大的影响.