兴文M_S5.1地震震裂斜坡地震动响应特征_寇瑞斌.pdf

第 卷 第期 年月大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 ，收稿日期：项目来源：国家自然科学基金（）；国家重点研发计划（）。第一作者简介：寇瑞斌，硕士生，主要研究方向为地质工程与地质灾害，：。通讯作者：王运生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为地质工程与地质灾害，：。：文章编号：（）兴文 地震震裂斜坡地震动响应特征寇瑞斌，王运生，胡东雨，唐涛，詹明斌，向超，吴昊宸，赵方彬，成都理工大学环境与土木工程学院，成都市东三路号，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都市东三路号，摘要：通过对宜宾珙县震裂斜坡上的台地震动监测仪器记录到的 宜宾兴文 地震地震波传播数据进行滤波和基线校正，分析时程曲线、傅里叶频谱和加速度反应谱。结果表明：）本次地震持时短、幅度小，和监测点波持时较监测点长；）傅里叶频谱显示，水平方向低频衰减、中高频放大、频带变宽，垂直方向变化不明显；）以监测点为参考，和监测点峰值加速度（）放大系数为 ，阿里亚斯强度（）放大系数在 和 向为 ，监测点 向可达 ；）对比分析芦山仁家村（非震裂斜坡）监测剖面，认为珙县震裂斜坡存在放大效应。关键词：震裂斜坡；峰值加速度；阿里亚斯强度；放大效应中图分类号：；文献标识码：汶川大地震以及近年来发生的多起强震使得许多山体受到扰动，形成大量震裂斜坡。研究表明，不同微地貌单元对地质灾害发育具有明显影响，凸出地形、条形山体、单薄山脊、坡折部位、山嘴两侧地形放大效应显著，多有震害发生。部分学者设计振动台模型实验，研究微地貌放大效应以及地震动参数影响边坡的动力响应规律。对震裂斜坡力学形成机制的研究较多，取得了一系列成果 ，但对震裂斜坡地震动响应特征的研究较少，尤其缺乏实际监测数据。受 年长宁 级地震和 年珙县 级地震灾害的影响，珙县珙泉镇三江村鹰咀岩地裂缝发生变形，直接威胁当地居民生命财产安全。本研究在鹰咀岩安置台地震动监测仪器，分析震裂斜坡的地震动响应特征，以期对珙县防灾减灾提供参考。监测剖面概况四川盆地南缘构造变形较为简单，岩层倾角相对较小，但地应力复杂，主要有北西向和滇东黔西的挤压应力以及四川盆地的刚性基底阻力，为应力积累提供条件，易发生地震，兴文 地震即是正常的高地应力释放过程。本次地震震源深度 ，震中位置为 、，珙县地震监测台站距离震中约 ，震中位置及断裂展布见图。鹰咀岩不稳定斜坡前缘以公路内侧基覆界面为界，两侧均以微地貌小山脊为界，纵向长约 ，宽约 ，厚约，体积约 万。斜坡坡向约 ，平均坡度约 。斜坡中下部公路内侧局部可见基岩出露，岩性为灰褐色砂岩，产状为 ，岩层与斜坡倾向大体一致，为顺层斜坡。受 长 宁 县 级 地 震 以 及 珙县 级地震影响，斜坡体上出现条地裂缝 和（图）。地裂缝 可分为段，段走向约 ，长约，宽 ，深 ；段走向约 ，长约，宽 ，深 。地裂缝 走向约 ，长约，宽 ，深 。根据变形特征，斜坡中后部区域为强变形区，长约 ，宽约 。鹰咀岩地裂缝所处斜坡目前均处于欠稳定状态，若遇持续降雨、地震等不利工况条件，形成灾害的可能性较大。珙县鹰咀岩斜坡体上布置有个监测点（图），监测剖面见图。监测点高程 ，位于斜坡前缘村道旁基岩上，岩性为三叠系下统飞仙关第 卷第期寇瑞斌等：兴文 地震震裂斜坡地震动响应特征图震中位置及断裂展布 （）（）为地裂缝 ，（）（）为地裂缝 图地震裂缝 图监测点位分布 组（）砂岩，岩层近水平，产状 ，层厚 ，中风化至微风化。监测点接近谷底，且岩体较完整，可以忽略地形效应，作为斜坡中上部监测点的参考点。监测点位于震裂斜图鹰咀岩监测剖面 坡中部基岩上，高程 ，地形坡度较缓，约 ，表层覆盖物为粘土夹碎石，粘土为塑性，厚约 。监测点位于震裂斜坡地裂缝附近基岩上，高程 ，地形坡度 ，表层覆盖物为粘土夹碎石，粘土为塑性，厚约 大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 年月。和监测点表层有薄覆盖物，但传感器位于基岩上，可以忽略覆盖层影响，按照基岩场地进行分析。本研究使用 型结构与斜坡地震动响应监测仪，采样间隔为 。监测数据 时程曲线兴文 地震触发距离震中约 的鹰咀岩斜坡上的台地震动监测仪器，仪器记录到完整的地震波数据。使用 软件对数据进行基线校正和滤波处理，并分析时程曲线（图）。图地震动时程曲线 分析各监测点的地震动加速度时程曲线可知，本次地震持时短、幅度小，位于震裂斜坡上部的和监测点 波持时较斜坡前缘监测点长，这是因为在限定范围内，地震波到时与持时随震中距的增加而增加，而高程增加相当于震中距增加。、和监测点的最大峰值加速度（）分别为 、和 ，监测点三分量方向加速度小于和监测点，地裂缝附近监测点最大 大于和监测点，这是由高程放大效应和震裂斜坡地震波传播遇不连续介质（地裂缝）发生反射叠加所致。地震波传播时由于波与 波波速不同步，因此能在较短时间内记录双峰型时程曲线，地裂缝附近监测点相较于监测点 向加速度双峰特征更加明显，且第峰值大于第峰值，这是因为波速较快的 波遇震裂斜坡不连续介质（地裂缝）发生反射并与波速较慢的 波叠加，从而在较短时间内增 强 波能 量，提 高 第 波 峰（峰 值 加 速度）大小。在、和 方向上，各点均有不同程度的响应，大体上为 向最大，向次之，向最小，表明本次地震动优势方向为 向。傅里叶频谱地震波信号呈现正弦曲线，将其作傅里叶变换得到傅里叶频谱图（图），可反映场地不同频率范围的地震波能量强弱。图地震动傅里叶频谱图 从图可以看出，震裂斜坡场地对地震波频率（表）变化起到明显作用，监测点主频率较小，、和方向上分别为 、和 ；监测点三分量上主频率分别为 、和 ；监测点三分量上 主 频 率 分 别 为 、和 。表明该震裂斜坡对向和 向分量低频具有过滤吸收作用，对中高频具有放大增强作用，表现为低频衰减、中高频放大、频带变宽，这在地裂缝附近监测点更加显著；向变化不明显，可能与震中距和表层覆盖物有关，有待进一步研究。加速度反应谱加速度反应谱是指在相同阻尼条件下，地表质点系的最大响应与场地自振周期的关系，可理解为阻尼相同、周期不同的质点系在地震过程中的最大响应（位移、速度和加速度），反映了场地的地震动和共振特性，其本质是反映最大响应绝对值与自振周期的函数关系 。阻尼比指场地在受到地震力荷载作用下振动的衰减，本文分析加速度反应谱时，将阻尼比设置为、和（图）。从图可以看出，加速度幅值随着阻尼比增第 卷第期寇瑞斌等：兴文 地震震裂斜坡地震动响应特征图地震动加速度反应谱 大而减小，且下降明显，在 后逐渐减小趋近于。反应谱升降趋势不随阻尼比变化而发生显著改变，说明加速度反应谱可量化不同阻尼对地震波振幅的响应，而阻尼对震动过程的影响较小。在同一阻尼比条件下，地裂缝附近监测点的振幅值均大于和监测点，向反应谱显著大于 和 向。根据 建筑抗震设计规范，珙县为度 设 防 区，设 计 基 本 地 震 加 速 度 为 ，地震分组为第组，属于类场地，度和度水平地震影响系数最大值分别为 和 ，特征周期为 ，选择阻尼比的加速度，使用 程序绘制抗震设计反应谱。通过分析可知，监测点 向和监测点 向阻尼比反应谱峰值大于度设计谱，小于度设计谱；监测点 向阻尼比反应谱峰值接近度设计谱，阻尼比峰值超过度设计谱。通过调查发现，居民房屋墙壁出现裂缝（图（），道路内侧斜坡覆盖层有垮塌（图（），这与反应谱分析结果一致。图监测点附近房屋损坏和斜坡垮塌 放大效应一般使用 放大系数和阿里亚斯强度（）放大系数研究地震动的放大效应。是地表上单质点体系震动绝对值最大的加速度；是地表上单质点加速度在时间上的积累，可以用来表征地震烈度，二者结果可以相互印证。大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 年月 鹰咀岩震裂斜坡地震动放大效应根据各监测点地震动参数（表），通过对比 放大系数和 放大系数（图），分析鹰咀岩震裂斜坡的放大效应。表各监测点地震动参数 监测点编号 （）（）主频率 图各监测点放大系数 忽略地形效应，将接近谷底基岩的监测点作为基准，分析震裂斜坡上部和监测点的放大效应。监测点、和向的 放大系数分别为 、和 ，监测点、和 向的 放大系数分别为 、和 ，可见 放大系数 向向向。监测点、和向 放大系数 分 别 为 、和 ，监 测 点、和 向 放大系数分别为 、和 ，放大系数 向 向 向。放大系数和 放大系数均大于，表明和监测点均存在放大现象。放大系数大于 放大系数，表明 判定斜坡地震动响应更加合理、精细。放大系数和 放大系数的变化趋势相似，均为 向 向 向，表明 向在地震波作用下摇晃更强烈，为优势方向。此次震裂斜坡地震动响应表现出方向效应，原因为鹰咀岩斜坡位于长 、走向 的条形山体南坡，在地震波作用下，条形山体在近垂直其走向的方向（向）摇晃更加强烈。与芦山仁家村地震动监测剖面对比芦山县仁家村在 芦山 地震后布设了条监测剖面共个地震动监测台站（表）。台站监测到芦山地震 级余震，根据中国地震台网测定，震中位置为 、，震源深度 ，监测台站距震中约 。珙县鹰咀岩监测点和监测点高程差，与芦山仁家村监测剖面点位高程差（）相近，且个场地传感器均放置于基岩（砂岩）上，因此将个场地的放大效应进行对比（表），分析震裂斜坡的放大效应。表芦山仁家村监测剖面点位场地信息 ，监测点编号高程场地类型场地坐标 基岩（含砾砂岩）、基岩（含砾砂岩）、表芦山地震和兴文地震响应参数对比 监测方向芦山 地震（非震裂斜坡）兴文 地震（震裂斜坡）放大系数 放大系数 放大系数 放大系数 由表可知，芦山地震 放大系数为 ，放大系数为 ；兴文地震 放大系数为 ，放大系数为 。震裂斜坡的放大系数在 和 方向上明显大于非震裂斜坡，在 方向上则不明显，表明震裂斜坡对地震波存在放大现象。这是因为在震裂斜坡中，地震波传播遇到不连续介质（地裂缝）会发生反射，波速较快的波和先到达地表的波反射波与后续到达地表的波叠加，能量增强促使斜坡摇晃更加猛烈，发生震裂斜坡的放大响应。结语兴文 级地震触发位于珙县鹰咀岩震裂斜坡上的台地震监测仪器，完整记录到地震波的传播过程。通过研究时程曲线、傅里叶频谱和加速度反应谱，分析本次地震动响应特征，得到以下结论：）本次地震持时短、幅度小，、和监测点三分量方向最大峰值加速度分别为 第 卷第期寇瑞斌等：兴文 地震震裂斜坡地震动响应特征，和监测点波持时较监测点长。）分析傅里叶频谱可知，、和监测点、向主频率值分别为 、，、和 、，震裂斜坡对水平向分量具有低频过滤吸收、中高频放大增强作用，表现为低频衰减、中高频放大、频带变宽，在地裂缝附近监测点该变化更加显著，而个监测点垂直向主频率值分布在 ，变化不明显。）在同一阻尼比条件下，地裂缝附近监测点的振幅值大于和监测点，向加速度反应谱显著大于和向。对比规范设计谱可知，监测点 向加速度反应谱最大，阻尼比峰值接近度设计谱，阻尼比峰值超过度设计谱。）以监测点为参考，和监测点 放大系数为 ，放大系数在和向为 ，地裂缝附近监测点 向可达 。对比监测点，和监测点 放大系数和 放大系数均大于，且 向 向 向，向表现出明显的优势方向。这是 因 为 该 斜 坡 位 于 一 条 形 山 体（走 向 ）南侧，在地震波作用下，条形山体会在近垂直其走向的方向（向）摇晃更加剧烈。）对比芦山仁家村非震裂斜坡监测剖面可知，珙县鹰咀岩监测剖面的放大系数在水平方向更大，而在垂直方向不明显，表明震裂斜坡对地震波存在放大现象。这是因为地震波传播遇到不连续介质（地裂缝）会发生反射，波速较快的波和先到达地表的波反射波与后续到达地表的波叠加，能量增强促使斜坡摇晃更加剧烈，发生震裂斜坡的放大响应。致谢：感谢华地建设工程有限责任公司提供震后勘查成果。参考文献周兴涛，韩金良，施凤根，等地形地貌对地震波放大效应数值模拟研究工程地质学报，（）：（，（）：）王运生，明伟庭，刘江伟，等丘陵地貌区斜坡强震动响应特征：以四川省长宁县为例地球科学与环境学报，（）：（，（）：）李孝波，薄景山，王欣，等基岩地形对地震动影响研究岩土工程学报，（）：（，（）：）王运生，徐鸿彪，罗永红，等地震高位滑坡形成条件及抛射运 动 程 式 研 究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：（，（）：）许强，李为乐汶川地震诱发大型滑坡分布规律研究工程地 质 学 报，（）：（，（）：）贺建先，王运生，罗永红，等康定 级地震斜坡地震动响应监测分析工程地质学报，（）：（，（）：）刘勇，王运生，唐起，等复杂斜坡动力响应特征分析长江科学院院报，（）：（，（）：）徐光兴，姚令侃，高召宁，等边坡动力特性与动力响应的大型振动 台 模 型 试 验 研 究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：（，（）：）董金玉，杨国香，伍法权，等地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究岩土力学，（）：（，（）：）许强，刘汉香，邹威，等斜坡加速度动力响应特性的大型振动台试验研究岩石力学与工程学报，（）：（，（）：）冯文凯，黄润秋，许强，等震裂斜坡形成机理及变形破坏模式研究水文地质工程 地质，（）：（，大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 年月 ，（）：）侯伟龙，巨能攀，屈科，等厚层堆积层震裂斜坡变形特征及破坏机制 以小金县某震裂不稳定斜坡为例山地学报，（）：（，（）：）冯文凯，许强，黄润秋斜坡震裂变形力学机制初探岩石力学与工程学报，（增）：（，（）：）祁生文，伍法权，刘春玲，等地震边坡稳定性的工程地质分析岩石力学与工程学报，（）：（，（）：）张毫生，王世元，赵德军，等川南中强震地震构造环境分析：以四川兴文 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