含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析.pdf
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1、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()作者简介:陈树培()男博士研究生主要从事岩土地震工程研究:.通信作者:温卫平()男教授博士主要从事工程结构抗震方面研究.:.文章编号:():./.含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析陈树培温卫平翟长海白克生(.哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江 哈尔滨.哈尔滨工业大学 土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室黑龙江 哈尔滨)摘 要:在沉积盆地中由于地表河流和湖泊等的长期沉积作用容易在盆地内形成新的沉积盆地称为子盆地 子盆地土体物理性质和周围土体有显著差别因此子盆地的存
2、在会对整个盆地的地震响应产生显著的影响 本文基于 有限元计算平台以理想二维梯形沉积盆地为例针对盆地子盆地这一特殊场地重点分析了盆地尺寸、盆地子盆地相对位置、子盆地介质波速和外围盆地倾角等影响因素对盆地子盆地地震反应的影响 结果表明:子盆地的存在显著影响了盆地内的地震动子盆地位于盆地中央区域时对地震动的放大效果最为显著 最大可被放大 倍左右此外子盆地介质波速越小对盆地地震反应的影响最显著但子盆地介质波速的变化对远离子盆地区域的地震动影响不明显随外围盆地边缘倾角的增大子盆地区域 幅值随之减小并向左移动沉积盆地中央区域 幅值也随之减小关键词:盆地效应子盆地地震反应有限元数值模型中图分类号:文献标识码
3、:(.):.第 期陈树培等:含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析 .:引言沉积盆地内部地势平坦自然条件良好如成都等许多重要城市均建立在盆地内部 然而地震作用下沉积盆地会表现出明显的盆地效应加重地震破坏 因此研究沉积盆地地震反应对这些城市抗震设防具有重要意义 盆地效应主要表现为边缘效应、聚焦效应及共振效应相比于水平成层场地上述效应的综合作用导致盆地地形产生了额外的放大作用 因此盆地效应受到了研究者的广泛关注 然而当前研究多专注于未包含子盆地的普通盆地在沉积盆地中由于地表河流和湖泊等的长期沉积作用容易在盆地内形成新的沉积盆地 子盆地形成年代较晚其土体物理性质和周围土体有很大差别 等基于数值模拟
4、方法研究了 年墨西哥地震中墨西哥城的强地面运动特征并指出子盆地结构是墨西哥城地震动“强幅值和长持时”特征的重要原因之一 等通过分析含子盆地结构的 盆地地震反应支撑了这一观点基于三维数值模型研究了洛杉矶盆地的地震反应结果表明盆地子盆地的组合模型能更好地解释洛杉矶盆地的地震反应子盆地的影响不可忽略 等研究了二维盆地子盆地地震反应讨论了外围大盆地对子盆地共振模式的影响研究表明:外围大盆地降低了子盆地的基频子盆地依旧出现了共振现象刘昇等采用谱元法研究了盆地形状比对盆地子盆地模型共振效应及盆地放大系数的影响 上述研究表明:盆地子盆地这容易特殊地质构造对地震动有放大作用采用单一的盆地构造进行场地反映分析将
5、低估地表地震反应 然而现有研究多针对特定的盆地子盆地构造子盆地尺寸、介质波速、子盆地与盆地相对位置等因素对盆地子盆地地震反应的影响尚不清晰 为综合评估子盆地与外围大盆地间的相互作用对沉积盆地地震反应的影响本文基于有限元数值方法综合考虑子盆地的尺寸、盆地子盆地相对位置、子盆地介质波速以及盆地倾角等因素的影响研究了盆地子盆地地震反应特征及其对地震动的影响数值模拟方法.有限元模型本文采用理想化的二维梯形盆地模型模型长 深 梯形盆地表面宽 深度 倾角为 盆地与左右两侧边界距离取为 由于子盆地尺寸较小用梯形模拟具有较大的误差本文参考文献的子盆地形状采用曲边的椭圆形状建立子盆地模型 此外本文中子盆地深度固
6、定为子盆地形状比变化由改变子盆地宽度表征 模型示意图如图 所示图 计算模型示意图.计算完成后选取盆地表面共 个节点的水平分量速度时程(本文所有结果速度和加速度均取水平分量)作为观测结果进行分析研究由于盆地外围基岩处计算结果接近仅在盆地左右两侧取包含盆地表面与基岩交界点的两个观测点重点分析盆地内部的地震反应差异 盆地内部观测点间距为 选取共 个节点的水平分量速度时程(本文所有结果速度和加速度均取水平分量)作为观测结果进行分析研究 其中:盆地中心处观测点编号为 由于篇幅限制图 并未列出所有观测点的位置仅列举了盆地左侧部分观测点观测点分布如图 所示世 界 地 震 工 程第 卷图 盆地表面左半侧观测点
7、分布.图 子盆地及其附近网格划分.本文沉积盆地和其内的子盆地采用弹塑性模型模拟沉积盆地外的基岩采用线弹性模型模拟盆地介质塑性部分采用线性 模型土层分布情况与数值模型网格如图 所示 表 给出了本文中选用的岩土物理参数 其中:子盆地介质波速 为不同工况下的取值 表中:为介质密度 为剪切模量 为泊松比为剪切波速和 为 模型中的模拟参数 为与土的内摩擦角相关的参数为土的单轴抗压强度为阻尼比 模型边界采用无限元人工边界以降低边界处的地震波反射 该方法可有效降低边界反射波对计算结果的影响 模型网格划分采用 中四结点双线性平面应变四边形单元即 单元 为使网格大小相近分布均匀采用结构化网格划分技术以避免三角形
8、单元出现 数值模拟中为保证模拟精度网格尺寸应小于地震波最小波长的/本文地震动的模拟精度设定为 综合参考表 中各介质剪切波速本文盆地部分软弱土和其上的覆盖层土体网格尺寸为 盆地部分其他区域网格尺寸取为 基岩部分网格尺寸取为 可满足 精度的要求表 岩土物理参数表 岩土体/(/)/(/)/()/子盆地介质.子盆地介质.子盆地介质.子盆地介质.盆地介质.未风化基岩.地震动输入本文地震动输入采用垂直基底入射的 波截取其 烈度段(即其重要持时)段作为最终的输入处理后的输入地震动时程及频谱信息如所图 所示 地震动输入时采用波动法将输入地震动速度时程换算为等效节点力施加于边界节点上图 输入地震动时程与傅里叶谱
9、.第 期陈树培等:含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析.工况设定本文针对沉积盆地中子盆地的尺寸、子盆地在盆地中的位置、子盆地沉积物的剪切波速以及盆地倾角对盆地地震反应的影响包括不含子盆地的一个工况共设置了 种工况详见表 本文各工况以 的格式命名 其中:表示子盆地宽度 表示外围盆地倾角表示子盆地介质波速 表示子盆地在盆地中的位置为子盆地左侧边缘距沉积盆地左侧边缘距离 在本文子盆地深度取为 不变通过改变子盆地表面宽度来表征子盆地尺寸变化宽度分别取、和 盆地倾角分别取、和 子盆地介质波速分别取、/当研究子盆地在沉积盆地中不同位置的影响时保持盆地倾角和子盆地表面宽度 不变以子盆地左侧边缘距沉积盆地
10、左侧边缘、和 设定子盆地位置 此外由于盆地倾角不同引起的盆地边缘长度变化盆地倾角为 时 当倾角为 时 当倾角为 时 表 子盆地计算工况表 编号工况命名盆地宽度/盆地倾角/()子盆地波速/(/)子盆地位置/注:子盆地表面宽度 盆地倾角子盆地介质剪切波速 子盆地左侧边缘距沉积盆地左侧边缘距离当倾角为 时 当倾角为 时 当倾角为 时 模拟结果分析.子盆地对盆地地震动场分布的影响为了能更加直观和清晰的观察子盆地的存在对沉积盆地的地震动场分布的影响规律本节选取 为典型工况对比不含子盆地的工况研究盆地地震动场分布时空差异性 其速度波场与 分布见图 此处应当说明:由于沉积盆地外围基岩的地震反应几乎一致因此图
11、 中仅给出了观测点 处的结果即距盆地中心 范围内的计算结果由图()可以看出:盆地边缘产生了较为明显的次生面波并从盆地两侧边缘向中间传播传播过程清晰可见子盆地的存在对面波在盆地表面的传播产生了很大的影响 首先经过子盆地的面波相比没有子盆地存在的一侧有明显的迟滞使得从两侧向中心传播的面波相遇发生干涉的位置向含子盆地的一侧偏移经过子盆地后的面波幅值有所下降由于子盆地和周围土体的波速相差较大故到达子盆地的体波在子盆地边缘同样产生了次生面波使得盆地表面面波的传播变得更加复杂 在盆地的中央区域可以清晰的看到在盆地基底与表面之间的多次反射波以及从盆地两侧边缘传递来的次生面波在盆地中央相遇发生相长干涉而形成的
12、波动使得速度时程出现一个较大的起伏从图()盆地表面 的分布图可以看出在无子盆地的边缘区域存在明显的边缘效应而另一侧边缘处存在的子盆地对从基底传递到盆地表面的体波有明显的聚焦作用使得子盆地中心(观测点)的地震反应出现了剧烈增强其 幅值明显大于无子盆地模型同时由于子盆地的存在对地震波的散射作用在子盆地左右外侧附近的地震反应有一定的削弱此外子盆地还将“捕获”一部分传播至子盆地中的次生面世 界 地 震 工 程第 卷波使其难以向盆地中心继续传播也将一定程度上削弱子盆地附近的地震动随着向盆地中心靠近子盆地模型地表 逐渐趋于盆地模型子盆地对地震动的影响逐渐降低图 工况 与 的速度波场和 分布.与.图 盆地中
13、心处与子盆地中心处传递函数.图 给出了盆地中心处与子盆地中心处的传递函数 由图()可知:工况 中心处共振频率约为.左右接近于对应的一维土层自振频率/.此外工况 中心在 处也出现了共振但子盆地的存在削弱了该共振峰的峰值 该现象表明:盆地边缘产生的次生面波引发了新的盆地共振模式且子盆地的存在将削弱往盆地中心传播的面波进而削弱该共振模式 图()给出了子盆地中心处(观测点)工况 与 的传递函数 由图可见:子盆地的聚焦效应放大了.、与 处的地震反应但子盆地区域对应的一维土层自振频率/.这表明工况的共振模式以盆地的二维共振为主.子盆地尺寸对盆地地震反应的影响本节重点关注盆地地表 分布情况对比分析子盆地的尺
14、寸对盆地地震反应的影响 为了分析子盆地的存在对盆地地震动响应的影响用不含子盆地的 做归一化处理即定义 放大系数为含子盆地第 期陈树培等:含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析图 工况、和 的沉积盆地地表 放大系数分布.的地表 与对应观测点不含子盆地 的比值下文中的 放大系数与此相同 当放大系数大于 时说明子盆地的存在对盆地地表地震动有放大作用反之则具有削弱作用 本节重点分析包括不含子盆地工况在内的 个工况详细计算参数见表 各工况 放大系数分布见图 由图 可见:)子盆地中的 放大系数几乎是整个盆地中最大的这是由于子盆地聚焦效应导致了地震动的剧烈增强在观测点 处子盆地宽度为 时 被放大了近.倍随
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