点震源作用下三维沉积盆地地震动谱元模拟

基于高精度谱元法(SEM),以半空间中椭球形沉积盆地为例,研究了点震源作用下三维沉积盆地的地震响应。研究结果表明:沉积盆地对地震动幅值有显著的放大效应,对地震持时有明显的增长效应,地震动空间分布规律受控于震源频率和近断层倾角等因素。主要体现为以下几点:(1)震源函数主频率较高时,沉积盆地内部出现多个波峰波谷,局部聚焦增强,放大效应显著,如震源频率为2Hz时在沉积盆地中心位置的加速度峰值可达1Hz时的5.6倍;(2)随着断层倾角的增大,断层上盘效应逐渐减弱,地表加速度的峰值在逐渐减小,30°倾角断层沉积盆地中心的加速度达1.96m/s^2,是90°倾角断层加速度值的5.2倍;(3)震源频率和断层倾角对位移的影响没有对加速度的显著。

逆断层地震作用下三维沉积盆地地震动谱元法模拟

近断层地震动对近场区域会造成严重的地震灾害,尤其区域内存在沉积地形时会进一步加重灾害。目前,针对释放能量更大、破坏力更强的逆冲断层地震作用下沉积盆地的地震动响应研究还未见报道。本文即采用谱元法,研究了动力学逆断层地震作用下的三维沉积盆地的动力响应。文中以椭球形沉积盆地为例,对其逆断层地震动响应特性进行了分析,并探讨了改变内外介质波速比和沉积厚度时沉积盆地内部观测点地震动时程和峰值变化规律。研究表明:①沉积内外介质波速比对沉积盆地的地震动影响显著,当沉积内部介质波速比降低时,盆地内部地表的峰值响应增大,地震动持续时间明显延长,尤其是位于盆地中心加速度峰值放大2.08倍,持时延长1.97倍;②沉积盆地厚度同样对其地震动响应产生影响,当沉积厚度增加时盆地中心位置地震动响应减小,加速度峰值缩小约0.64倍,而盆地边缘区域的地震动响应明显增大,峰值放大约1.35倍。

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。

基于Davidenkov本构模型的三维沉积盆地非线性地震动谱元法模拟

为研究三维沉积盆地内低波速土体非线性反应对近断层地震动的影响,实现基于物理的全过程(震源破裂-地震波传播-复杂场地效应-近地表土体非线性反应)三维复杂场地地震动模拟,在谱元SPECFEM3D程序中进行二次开发,采用目前具有丰富工程应用且适用于不同土类的三参数Martin-Seed-Davidenkov本构模型,结合已有的不规则加卸载准则,通过在程序中修改每个显式时间步下的应力增量,实现了土体剪切模量的实时更新和加卸载拐点的有效识别,将土体的非线性特性纳入到三维复杂场地地震动模拟中。首先将建立的三维模型通过施加合理边界退化至一维,与一维非线性动力分析软件DEEPSOIL的结果进行了对比,验证了开发的正确性;进而将开发的程序应用于中国滇西南地区施甸盆地的非线性地震动模拟,并与相应的线性结果进行了对比。结果显示,受土体非线性的影响,施甸地区PGA和PGV较线性结果峰值均降低,且非线性土体对PGV的影响更加明显,较线性结果最大降低约30%;沉积非线性使沉积内部观测点的速度及其反应谱幅值降低,且特征频率向长周期方向移动。

基于快速多极子间接边界元法的城市区域沉积盆地三维地震响应宽频模拟

针对城市区域沉积盆地三维地震动模拟问题,发挥边界元法处理无限域波动问题的独特优势和快速多极算法(FMM)处理大规模问题的特性,形成适用于宽频、高自由度模型的快速多极子间接边界元法(FMM-IBEM)。通过精度对比和效率验证发现,FMM-IBEM可精确高效地实现三维复杂场地地震动宽频模拟,同时大幅度降低存储量和计算量。采用该方法对某含起伏基岩面的三维复杂形状沉积盆地进行频域和时域分析,结果表明:入射频率、盆地形状和盆地内部的位置点对沉积盆地地表位移放大作用均有不同程度的影响;总体上低频域的放大作用高于高频域;频谱曲线呈现多个共振频段;沉积盆地中部和边缘处地表位移放大效应差别显著。重要工程选址宜避开沉积盆地中地震能量积聚区域。

沉积介质各向异性参数对三维沉积盆地地震动的影响

沉积风化作用使得天然土体表现出成层性和横观各向同性(TI),而基于TI层状介质模型的复杂场地地震效应研究尚处于起步阶段.本文将间接边界元方法(IBEM)模拟层状半无限域地震波场的优势进一步拓展到TI介质情况,结合"分区契合"技术研究了半空间中TI三维沉积盆地对地震波的散射问题.首先建立TI层状场地的精确动力刚度矩阵,然后推导TI层状半空间中均布斜面荷载动力格林函数,接着以格林函数为基本解建立相应的IBEM.通过与已有文献对比验证了方法的正确性,并以基岩上单一土层中半球形TI沉积盆地为例,探讨了沉积介质各向异性参数对沉积盆地地震动的影响.研究表明:TI场地地震响应与等效的各向同性场地地震响应存在显著差异;TI参数对三维沉积盆地对地震波散射的影响受入射波型、入射角度和入射频率的影响;TI参数的改变使得场地动力特性发生变化,显著影响了沉积盆地与层状半空间的动力相互作用机制.