考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时-频放大特征.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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、 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
10、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
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