考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时-频放大特征.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目()作者简介:吴烨钦()男硕士研究生主要从事场地地震效应研究:.通信作者:于彦彦()男博士副教授主要从事场地地震效应及近场波动数值模拟研究:.文章编号:():./.考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征吴烨钦于彦彦丁海平(苏州科技大学 江苏省结构工程重点实验室江苏 苏州)摘 要: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()下盆地的地震动放大特征 结果表明:)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)地震动放大系数与峰值分布总体一致 在.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.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)最大放大频率随阻抗比而变化.时的主要放大频率为.时的 倍)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关键词:谱元法三维盆地阻抗比时频域放大系数中图分类号:.文献标识码:():().世 界 地 震 工 程第 卷:引言国内外多次大地震的震害经验和相关研究表明:沉积盆地对其内部的地震动有显著的放大效应进而导致盆地内的震害更加严重 盆地对于地震动的放大作用已被大量的观测记录、震害调查及数值模拟结果所证实 研究表明:沉积盆地的边缘效应、聚焦效应和共振效应等会导致盆地内局部或整体地震动放大地面运动持续时间显著延长在盆地地震效应的研究方法中数值模拟方法以其简便、高效、可考察整个盆地范围等优点而成为主要手段 相较其他模拟方法谱元法兼具有限元法的几何适应性好以及伪谱法的高精度、低频散的优势因此得以广泛应用 于彦彦采用谱元方法结合并行计算技术研究了真实三维盆地在设定或真实地震作用下的响应特征分析了地震波在盆地内的传播过程、盆地内的地震动分布以及面波的形成与传播等基于谱元法模拟了智利盆地在地震破裂下的地面运动放大特征 等利用谱元法模拟了潜在大地震作用下印度恒河盆地的三维地震波放大效应需指出的是:以上三维盆地地震效应模拟研究多针对特定震源下特定盆地的地震响应以预测或解释盆地内的强烈地震动重点集中于盆地对地震动的影响之上而对于介质参数引起的阻抗比差异对盆地放大效应的影响关注不多 刘中宪等基于谱元法和动力学震源模型研究了盆地内外介质的波速比对地表地震动时程和峰值的影响李雪强和强生银建立了一系列具有不同介质阻抗比的理想盆地模型详细研究了平面波入射下盆地内外介质阻抗比对盆地内地震动及面波强度的影响 这些研究均表明盆地内外介质阻抗比对地震放大作用有较显著影响 不同的介质阻抗比会影响地震动的强度产生的地震动分布情况可能完全不同 但以往的阻抗比影响研究大多针对二维盆地模型有必要开展阻抗比对三维沉积盆地地震效应影响的研究本文拟基于设定盆地和震源模型采用谱元法模拟不同阻抗比下三维沉积盆地的地表地震动通过分析不同阻抗比模型的地面峰值速度()及时域和频域放大系数的分布研究阻抗比对三维盆地在时域和频域内的地震动放大效应的影响计算模型与计算方法建立如图 所示的计算模型模型尺寸为 .盆地形状为三维梯形 网格划分时对盆地基岩分界面进行了精确构建即采用标准倾斜平面构建介质分界面在此基础上进行单元划分 盆地长宽分别为 和 斜面倾角为 盆地深度为 取矩震级为 级的点震源(图 中黑色圆点所示)其位置坐标为()震源倾角 滑动角和走向均为 震源参数基于经验统计公式确定:地震矩为.上升时间为.震源时间函数如图 所示表 不同阻抗比模型的介质参数 盆地内(/)盆地内(/)阻抗比/.在盆地内和外地表处共布置 个观测点其中盆地内每隔 布置一个观测点共 个测点盆地外每隔 布置一个观测点共 个测点第 期吴烨钦等:考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征为了分析阻抗比对三维沉积盆地地震动的影响本文考虑了 组不同的阻抗比模型盆地覆盖层及其外部基岩介质的参数列于表 其中仅改变盆地内土层的剪切波速盆地外基岩的波速和密度恒定为:/盆地内土层的密度恒定为 /介质剪切波的品质因子由经验公式/确定其中:为介质剪切波速 表中:为根据盆地介质剪切波速及盆地的最大深度()算得的盆地最深处土层的一维自振频率图 三维沉积盆地模型示意图及谱元网格划分.图 震源滑动速率时间函数及其傅里叶振幅谱.本文采用四阶谱元法模拟三维沉积盆地的地震动插值函数采用 多项式单元节点即插值点取为 积分点(点)为了保证模拟精度确定网格时须满足以下条件:)一个最短波长内至少包含一个网格单元)观测点到震源之间必须包含两个或两个以上的网格单元因此盆地内部平均网格尺寸为 基岩最大网格为 计算模型单元 个时间步长为.模拟时长为 结果分析.不同阻抗比下三维沉积盆地的剖面时程选取横穿盆地长和短边的剖面 和(位置见图)的速度时程分析不同阻抗比下的波动传播特征 图 分别为剖面 和 的三分量的速度时程 图中同时给出了对应剖面的沉积层厚度以及 的分布从剖面 的速度时程来看:三分量时程中都可见明显的盆地次生面波震相且 波转换的次生面波(左右)强度显著大于直达 波引起的面波(左右)强度 此外面波强度总体上随阻抗比的增大而减小 随盆地内外阻抗比的增大波场由复杂变得相对简单 这是由于阻抗比较小时盆地内次生面波较为发育同时入射到盆地内的体波及盆地边缘的次生面波在松软的沉积层内衰减缓慢并在盆地基岩分界面发生多次反射不同波型的叠加干涉导致波场更为复杂 对 分量各阻抗比下均有明显的盆地边缘效应同时.到.对应的盆地中心区域的地震动强度也始终较大 对 分量如前所述由于震源辐射方式世 界 地 震 工 程第 卷的影响盆地中心点在该分量的直达体波的地震动幅值基本为 但阻抗比小于.的模型在该区域处均表现出较强烈地震动其中:.模型在该位置处由于地震波的叠加干涉而出现局部的强地震动区反映出三维盆地效应的影响 比较而言垂直分量的地震动时程最为复杂地震动强度整体随阻抗比增大而衰减图 剖面 的(左)、(中)和(右)分量的速度时程.第 期吴烨钦等:考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征图 剖面 的(左)、(中)和(右)分量的速度时程.剖面 横穿盆地长边其地震动主要受邻近的盆地边缘地震动的影响 在 和 以后 波和 波分别抵达盆地左侧边缘在盆地边缘衍生出相对复杂的面波面波与体波的叠加干涉显著放大了该区域的地震动 体波从左至右抵达盆地因此时程图中可见按恒定时差倾斜排列的体波震相 同时可以看出 波在传播过程中的衰减作用相比 波强烈 当体波到达盆地右侧边缘后同样有次生面波出现并向盆地内传播但在小阻抗比模型下由于更强的品质因子其传播距离相对更短世 界 地 震 工 程第 卷.不同阻抗比下三维沉积盆地地表峰值速度和放大系数分布特征基于上述盆地模型模拟得到的点源作用下地表峰值速度()的分布如图 所示其中:图()图()为.至.对应的结果(下同)图中最外侧线为盆地范围白色框线所示为盆地基底的地表投影图 不同阻抗比模型下、和 分量的 分布.第 期吴烨钦等:考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征对比图 中 分量的结果可以看出:阻抗比.时盆地模型左侧边缘区域的速度峰值明显大于其他区域并且紧靠基底地表迹线的内侧 在左侧两个角点处的地震动最为强烈其处于两斜边的交界位置受到体波和面波多次叠加因此在数值上明显高于其他区域 当阻抗比由.增加到.时盆地边缘区域的速度峰值急剧增大并且在角点向盆地中心区域延伸线上速度峰值也非常显著 随着阻抗比继续增大速度峰值较大区域向盆地中心位置继续发育但 大于.以后最强烈地震动又集中在盆地左侧边缘区域且速度峰值的最大值随 增大逐渐减小 此外从图中可以看出随着阻抗比的增加盆地边缘速度峰值较大区域逐渐向盆地中心移动从图 中 分量的结果来看:其速度峰值较大区域在盆地上下两侧呈带状分布 阻抗比.时盆地左侧边界处的速度峰值也明显高于盆地其他区域当阻抗比由.增加到.时地表地震动幅值增大为所有阻抗比模型中的最大值速度峰值较大区域在靠近上下两侧基底迹线附近出现这与 分量不同 随着阻抗比的继续增大地表速度峰值减小且速度峰值较大区域向前移动并逐渐靠近盆地长边中轴线对于垂直分量图 中()在阻抗比.时速度峰值强烈区域集中在盆地左侧边缘及基底地表迹线外侧 当阻抗比增大但小于.时地震动最强烈区域整体向盆地内部略微移动但总体集中在盆地左侧边缘至盆地基底短边迹线附近 随阻抗比的进一步增大最强烈地震动转移至盆地中心区域 垂直分量的速度峰值最大值出现于阻抗比.的模型达到了.随 增大该分量地震动峰值减小 此外无论是水平分量还是垂直分量都存在阻抗比较小时盆地内部的速度峰值分布较复杂的现象根据一维成层介质波动理论地震波由硬介质(基岩)传播至软介质(土层)时透射波的幅值 满足以下关系:式中:为入射波的幅值 为土层和基岩的波阻抗之比 显然由于土层相比基岩软弱因此 即波由基岩进入土层时幅值会变大 且随 增大 的值会相应减小 这可在一定程度上解释地震动幅值随阻抗比增大而减小的原因 但对于三维盆地模型其盆地内部还存在有次生面波面波与直达波或多次反射波的叠加干涉使得阻抗比对三维盆地内地震动幅值的影响规律更加复杂巴振宁等研究了逆断层作用下三维半椭球沉积盆地的地震动发现沉积内外介质波速比对盆地竖直向地震动的影响显著介质波速比降低时盆地内部地表峰值增大 本文垂直分量的结果与之一致 但考虑本文的盆地形状、断层形式及研究的阻抗比范围的不同水平分量的地震动峰值并非随阻抗比的减小而单调增加如对于本文模型水平分量上均是.时的速度峰值最大为进一步研究盆地内外阻抗比对盆地地震动放大效应的影响采用基岩均匀半空间模型为参考模型并定义放大系数为盆地模型与半空间模型地表峰值速度之比 图 给出了不同阻抗比下计算模型、和 三个分量的放大系数分布世 界 地 震 工 程第 卷图 不同阻抗比模型下、分量的放大系数分布.分析图 中 分量的放大系数分布放大系数的最大值达到了.左右可以看出放大效应强烈区域与 分布图中速度峰值较大区域基本一致不同的是盆地右侧区域也出现了放大效应强烈的区域(并可能是放大系数最大的区域)且随着阻抗比的增大从右侧上下角点区域向右侧中心区域汇聚图 中 分量的放大效应强烈区域位于盆地长边中线处呈现一狭长区域 同时相比其它两分量 分量的放大倍数相对要大得多 考虑采用的震源模型的辐射方式(基岩半空间模型在盆地长边中线处的地震动值基本为)这一放大效应归结于盆地的存在或三维盆地效应导致的长边中线处的明显地震动对于 分量其放大系数最大值达到了.且放大系数的分布与 的分布也较为一致 此外除.的模型外其余阻抗比下的放大系数均较大.不同阻抗比下三维沉积盆地频域放大系数分布特征图 给出了阻抗比变化时沉积盆地内部在.、.和.三个特征频率处的频域放大系数分布即地表观测点与均匀半空间对应观测点在以上特征频率处的时程谱比值可以看出:对 分量(图)在.时盆地的放大效应在阻抗比.时为最大(.)位于盆地左侧边缘区域随阻抗比的增大盆地内的放大效应迅速减小当阻抗比大于.时盆地内的放大作用已十分不明显在.时盆地内的放大效应在阻抗比.和.时为最大而阻抗比.对应的盆地放大效应有所减弱当 大于.时放大系数逐渐减小.时盆地放大效应最大值出现于阻抗比.所对应的盆地模型 随阻抗比的减小或增大放大系数都相应减小第 期吴烨钦等:考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征图 不同阻抗比模型下 分量的频域放大系数分布.图 给出了 分量的结果 盆地的放大效应在.和.时分别在阻抗比.与.世 界 地 震 工 程第 卷时达到最大值分别为.与.对于大多数情况 分量的放大效应位于盆地上下两侧区域在短边中线附近的狭长的区域内其放大效应相比盆地其他位置要小很多 但.下 .的结果(图)除外其放大系数整体上显著大于其他阻抗比的情况结合盆地中心土层的自振频率推测该频率等于盆地自振频率因此地震动被强烈放大导致其在整个盆地内的显著放大效应图 不同阻抗比模型下 分量的频域放大系数分布.第 期吴烨钦等:考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征观察图 中 分量的结果垂直分量在不同阻抗比下的最大放大系数对应的频率仍与盆地的一维自振频率有一定关系如.时.模型对应的放大系数最大但这一相关性相比两个水平分量要低得多如.时在 分量上出现的显著放大效应此时并未出现最强烈放大效应出现于.模型此外不同频率下放大系数的分布特征也与水平分量显著不同比如.时.模型的最大放大系数出现于盆地右侧区域图 不同阻抗比模型下 分量的频域放大系数分布.世 界 地 震 工 程第 卷以上结果表明:同一阻抗比下不同频率的某分量地震动具有不同的放大倍数这与 等基于台北盆地的观测记录采用谱比法对盆地效应的研究结论一致 等的研究表明:盆地基岩的波阻抗差异越大时域内盆地地震动的放大作用越强烈 等指出盆地内地震动最大放大系数还随盆地形状和频率而改变但其针对的是半椭球形盆地和平面波入射的情况 本文基于三维梯形盆地的结果(图)与以上研究结论总体一致尤其是对于.的长周期地震动但放大系数分布更加复杂 本文结果还表明阻抗比同时影响频域放大系数的分布及特定频率下最强烈放大系数的位置结论本文考虑震源破裂下阻抗比对三维沉积盆地地震效应的影响建立了三维盆地模型利用谱元法结合并行计算技术模拟了不同阻抗比()下盆地的地表峰值速度和放大系数分布特征以及特征频率下的放大系数特征得到主要结论如下:)水平和垂直分量最强烈地震动的位置不同前者位于基底迹线内后者靠近邻近震源一侧的盆地边界 三分量的强地震动分布特征如最强烈地震动的位置均受阻抗比的显著影响)放大系数的分布特征与强地震动的分布总体一致 为.时盆地地表地震动幅值相比基岩半空间地表幅值可放大.倍 但三维盆地地震效应会导致某些分量上地震动放大特征的显著改变尤其对于相对低阻抗比模型在研究中须加以注意)随阻抗比增大盆地主要放大的地震动频率也相应增加 .时的主要放大频率为 .时的 倍 且主要放大频率非恒等于盆地最深处一维土层的自振频率放大系数的分布特征还受三维盆地效应的影响 同时垂直分量在相对高频段的放大特征与水平分量显著不同参考文献:.():.:.():.郭恩 周锡元.汶川地震盆地效应的思考与建议.防灾减灾工程学报 ():.():.()刘启方.年鲁甸地震龙头山镇盆地共振效应研究.地震工程与工程振动 ():.():.()./:.章小龙 李小军 周正华 等.武都盆地效应三维有限元数值模拟.振动工程学报 ():.():.().():.:.:():.():.:.():.():./:.于彦彦.三维沉积盆地地震效应研究.哈尔滨:中国地震局工程力学研究所.:第 期吴烨钦等:考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时频放大特征 .().():.:.刘中宪 刘明珍 韩建斌.近断层沉积盆地强地震动谱元模拟.世界地震工程 ():.():.()李雪强.沉积盆地地震效应研究.哈尔滨:中国地震局工程力学研究所.:.()强生银.二维盆地地震反应影响因素的研究.哈尔滨:中国地震局工程力学研究所.:.().:.():.():.():.廖树超.基于谱元法网格划分对模拟精度的影响.苏州:苏州科技大学.:.()廖振鹏.工程波动理论导论.北京:科学出版社.:.()巴振宁 赵靖轩 吴孟桃 等.逆断层地震作用下三维沉积盆地地震动谱元法模拟.地震科学进展 ():.():.().():.():.:/.():.