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．      

圆弧型沉积盆地对平面SH波的散射

采用波函数展开方法给出圆弧型沉积盆地对面ＳＨ波二维散射问题的封闭级数解答。利用外域Ｇｒａｆ加法公式将解答归结为无穷代数方程组的求解。通过截断计算得到解答的数值结果，并通过连续条件的满足程度检验了截断计算的精度。将本文结果已有的近似解析解进行比较，指出了近似解答的误差来源和适用范围。给出一些典型算例说明盆地深度比对地震动的复杂作用。     

1994年加州北岭地震期间洛杉矶盆地非线性沉积场地反应的大小

由于难以很确切地将局部场地反应与其他较显著的效应区分开来,因此非线笥场地反应的研究存在着实际困难。我们在洛杉矶盆地选择了一个沉积层场地ＬＦ６,它具有如下特点：⑴与其他台站相比,它可利用最近的参考基岩场地,以对局部场计放大作用进行准确估计;⑵它可以揭示近地表处清晰的共振现象。我们认为：在确认可能的非线性方面,这种情况呈现出最小的不确切性。将北岭地震、１９８７年惠蒂尔纳罗斯地震和北岭余震期间的场地反应     

地层学的进展对盆地研究的意义

地层学是地质研究的基本问题.从传统地层学发展到地震地层学及层序地层学,地层学的研究发生了一个极大的飞跃.其重要意义可与板块学说的问世相比拟.地震记录仪器的更新换代,地震学和地震勘探技术的发展,是层序地层学得以诞生的基础之一.运用层序地层学理论和方法确切地识别沉积相、沉积环境,建立完整的沉积体系,预测油气的生储盖组合,更易追踪对比的目标层.因此,它对于盆地研究具有非常重要的意义.     

近表面裂纹对SH波散射问题的边界元解

本文采用边界元法研究了半空间中一近表面裂纹对SH波的散射问题,导出了以裂纹张开位移为未知函数的边界积分方程,针对边界积分方程高阶奇异性的特点,运用降低奇异性的方法,计算了裂纹边界面的裂纹张开位移、半空间表面的散射位移、裂纹尖端的动态应力强度因子。给出的算例表明,本文的方法不仅计算量小,而且有较好的精度。     

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。      

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。     

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。     

沉积盆地的几何形状对强震地面运动的与频率有关的持续时间的影响

本文描述强震地面运动持续时间的几个经验模型。我们将运动函数ｆ（ｔ）的持续时间定义和积分∫＾１０ｆ＾２（τ）ｄτ达到其最终数值的重要部分的时间间隔的总和。此外ｆ（ｔ）为加速速度、速度或位移。所有记录均通过１２个窄滤波器进行带通滤波，而强震地面运动的持续时间系在这些频带分别进行研究。除子震级、震中距等传统参数之外，还考虑其他三个参数，这些参描述围绕着记录台站的沉积盆地的几何形状。文中说明沉积物的存在怎     

用三维半解析边界元的子结构法分析凸起山包对地震波的散射

本文建立了一种三维半解析边界元子结构法。这种方法可在频域就三维轴对称凸起山包对地震波的散射进行分析。这种方法节省存储空间、计算工作量小。另外还叙述了拐角的处理方法。     

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。     

Amplification of in-plane seismic ground motion by group cavities in layered half-space (Ⅰ)

Amplification of in-plane seismic ground motion by underground group cavities in layered half-space is studied both in frequency domain and time domain by using indirect boundary element method (IBEM), and the effect of cavity interval and spectrum of incident waves on the amplification are studied by numerical examples. It is shown that there may be large interaction between cavities, and group cavities with certain intervals may have significant amplification to seismic ground motion. The amplification of PGA (peak ground acceleration) and its PRS (peak response spectrum) can be increased up to 45.2% and 84.4%, for an example site in Tianjin, under the excitation of Taft wave and El Centro wave; and group cavities may also affect the spectra of the seismic ground motion. It is suggested that the effect of underground group cavities on design seismic ground motion should be considered.     

Simulation of the Seismic Response of Sedimentary Basins with Vertical Constant-Gradient Velocity for Incident <Emphasis Type="Italic">SH</Emphasis> Waves

The simulation of the seismic response of heterogeneous sedimentary basins under incident plane waves is computed using the Indirect Boundary Element Method (IBEM). To deal with these kinds of basins we used approximate analytical expressions for the two-dimensional Greens functions of a medium with constant-gradient wave propagation velocity. On the other hand, for the homogeneous half space underlying the sedimentary basin, the full space Greens functions were used. The response of semi-circular heterogeneous basins under incident SH waves is explored by means of the displacements in the frequency-space diagrams and synthetic seismograms. Moreover, we compared these results with those obtained for other homogeneous semi-circular models. The principal differences among them are pointed out. This simulation provided interesting results that displayed a complex amplification pattern in a rich spectrum of frequencies and locations. The maximum amplitudes levels were found around the edges of the heterogeneous sedimentary basins. In time domain some features characterize the seismic response of the basin which include enhanced generation and trapping of surface waves inside the sediments, and the reduced emission of seismic energy to the hard rock. In the heterogeneous models the lateral reflections of surface waves greatly influence the total displacements at the free surface in comparison with the homogeneous models where the displacements have a shared influence among both vertical and lateral reflections.     

张北地震在北京市激发的二维强地面运动的模拟

张北县距离北京市约200多km,1998年1月的张北地震是近期北京周边地区发生的一次较强规模的地震,研究它在北京地区引起的强地面运动,有助于分析首都圈内的地震危害性,为地震减灾提供理论帮助.本文利用新的计算工具-局域离散波数法,模拟了张北地震激发的包括来自上地壳、moho面反射波、首播等在内的全波场在北京西部引起的2D强地面运动,分析了该区内第三纪、第四纪沉积地层对于地震的放大效应,得出的主要结论有,薄的第四纪沉积盖层的地点放大效应比厚的第三纪盖层的大很多,说明介质物性是决定地点放大效应的根本原因;不同物性的沉积盖层,在R、Z分量上的放大作用不一样,体现了地点放大效应的复杂性,值得在今后的研究中继续探讨.     

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.     

工程场地地震动相干函数的数值模拟

在确定性波动有限元分析基础上,结合随机振动分析的虚拟激励原理,可以形成工程场地随机波动分析方法。该方法将随机输入下的波动分析问题转换为多个虚拟激励下的确定性波动分析组合问题,从而可以方便地获得场地波动观测量之间的谱密度矩阵,进而计算给出工程场地的地震动相干函数。本文阐述了随机波动分析的基本原理,提出了该方法的正确性验证标准。将建议方法分别应用于具有一致随机激励与非一致随机激励的复杂工程场地的地震动相干函数分析之中,讨论了受局部场地条件影响的地震动相干函数的若干特征。     

Scattering of SH waves induced by a symmetrical V-shaped canyon: a unified analytical solution

This paper reports a series solution of wave functions for two-dimensional scattering and diffraction of plane SH waves induced by a symmetrical V-shaped canyon with different shape ratios. A half-space with a symmetrical V-shaped canyon is divided into two sub-regions by using a circular-arc auxiliary boundary. The two sub-regions are represented by global and local cylindrical coordinate systems, respectively. In each coordinate system, the wave field satisfying the Helmholtz equation is represented by the separation of variables method, in terms of the series of both Bessel functions and Hankel functions with unknown complex coefficients. Then, the two wave fields are described in the local coordinate system using the Graf addition theorem. Finally, the unknown coefficients are sought by satisfying the continuity conditions of the auxiliary boundary. To consider the phase characteristics of the wave scattering, a parametric analysis is carried out in the time domain by assuming an incident signal of the Ricker type. Surface and subsurface transient responses demonstrate the characteristics and mechanisms of wave propagating and scattering.     

风化半圆形河谷对柱面SH波的散射解析解

风化河谷地震效应对建在此类场地上工程结构(如大坝、桥梁)的动力稳定性具有潜在的威胁,为揭示河谷风化层对地面运动的影响,利用波函数展开法推导风化半圆形河谷对线源柱面SH波散射问题的解析解。计算不同震源位置条件下风化半圆形河谷的地表位移反应和地面运动放大因子,分析地面运动的幅值和形态,发现随着震源距离的增大,在河谷附近地震动的放大和衰减的交替更频繁。     

Influence of earthquake ground motion incoherency on multi-support structures

A linear response history analysis method is used to determine the influence of three factors: geometric incoherency, wave-passage, and local site characteristics on the response of multi-support structures subjected to differential ground motions. A one-span frame and a reduced model of a 24-span bridge, located in Las Vegas, Nevada are studied, in which the influence of each of the three factors and their combinations are analyzed. It is revealed that the incoherency of earthquake ground motion can have a dramatic influence on structural response by modifying the dynamics response to uniform excitation and inducing pseudo-static response, which does not exist in structures subjected to uniform excitation. The total response when all three sources of ground motion incoherency are included is generally larger than that of uniform excitation.