基于谱元法的玉田震害异常研究

【摘要】玉田低烈度异常区位于河北省玉田县的中、北部地区，该区在1679年三河–平谷8.0级特大地震和1976年唐山7.8级大地震中都表现出了明显的低烈度异常现象，是典型的低烈度异常区。唐山大地震以后，国内外众多学者对其异常的原因进行了较为深入的研究，取得了丰富的研究成果。作为一种探索，本文在已有研究成果的基础上，采用谱元法对异常原因进行了更为深入的研究。谱元法属于广义有限元法，是一种新的地震动数值模拟方法，具有计算精度高、收敛快以及易于实现并行运算等优点，用其进行数值模拟计算能大大减少内存需求和计算时间。近年来，该法取得了较快的发展，目前已成为进行大尺度、复杂地质结构模型地震动数值模拟分析的重要工具。破坏性地震震害异常机理的探索是进行场地条件对地震动影响研究的核心问题之一。本文为震害异常机理的研究提供了一种新的方法，这一工作对促进震害异常机理以及场地条件对地震动影响的研究具有重要的理论和实际意义。本文在对震害异常产生原因和研究进展进行详细归纳和总结的基础上，通过对玉田低烈度异常区已有研究成果和收集资料的分析，重点从基岩地形和土层特性两个方面，对玉田地区3个计算剖面的地震动反应进行了谱元法模拟，研究了玉田低烈度异常区的异常机理，得到了若干有意义的结论。本文取得的主要研究成果如下：（1）建立了玉田地区105m深度内的土层波速结构模型。根据收集的68个钻孔数据，从钻孔深度、覆盖层厚度、土层剪切波速以及场地类别4个方面对玉田地区土层的波速特性进行了详细分析，拟合得到了黏性土、砂土和碎石土剪切波速随深度变化的经验公式，再结合不同土层的波速特征，以平均剪切波速做为分类指标对玉田地区的土体进行了分层统计，建立了该区105m深度内的土体波速结构模型。（2）研究了基岩地形特征对地表地震动强度的影响。在对简单基岩凸起模型理论分析的基础上，通过对简单基岩地形模型的谱元法分析，从多个方面探讨了基岩凹陷或凸起地形对地表地震动强度的影响。结果表明，基岩凹陷或凸起地形的存在改变了地震波的入射角度，在使其出现多次折射与反射现象的同时，也使传播至凹凸变化区域的地震波向内汇聚或向外发散，从而导致与该区域相对应地表处的地震动强度整体得到加强或减弱，形成地震动强度相对增强区或减弱区。地震动强度相对增强区的范围较基岩凹陷区小，两者的比值随着基岩凹陷地形陡度和覆盖层厚度的增大而逐渐减小。地震动强度相对减弱区的范围较基岩凸起区大，两者的比值随着基岩凸起地形陡度和覆盖层厚度的增大而逐渐增大。（3）研究了玉田地区基岩地形对震害异常的影响。通过对玉田地区3个剖面6个基岩地形模型的谱元法分析，探讨了各剖面中基岩地形的变化对地表地震动强度的影响。结果表明，玉田地区地表地震动的强度受基岩地形凹凸变化的影响，且这种影响在玉田地区的南北方向上表现得较为明显。玉田县城下基岩凸起地形的存在，降低了城区内大部分区域的地震动强度，形成了地震动强度相对减弱区；而县城以北区域下基岩槽形洼地的存在，则增大了该区的地震动强度，形成了地震动强度相对增强区。相对增强区内的地震动强度为相对减弱区的2倍左右。地震动强度相对减弱区与震害异常区相对应，且其范围较基岩凸起区大。（4）研究了玉田地区土体对震害异常的影响。通过对玉田低烈度异常区内外土体模型的谱元法分析，从地震动强度和频谱特性两个方面，探讨了同一地震作用下异常区内外土体地震动反应的异同。结果表明，在0～105m的深度范围内，玉田异常区内外土体的地震动强度相差不大，且都具有大致相同的频谱特性。异常区内外土体对较低频段（异常区内为0.67～3.17Hz，异常区外为0.67～2.94Hz）地震波都具有明显的放大作用，而对高频段（6Hz左右）地震波则都具有一定的吸收作用，并且这种放大、吸收作用在水平方向上表现的尤为明显。（5）研究了玉田地区基岩地形和土体对震害异常的共同影响。通过对玉田地区3个实际剖面的谱元法分析，综合分析了基岩地形和土体对震害异常的影响。结果表明，基岩地形与土体的共同作用，在增大地表地震动强度的同时，更显著地加强了基岩凸起（凹陷）地形对地震波的发散（汇聚）作用，表现出了明显的低烈度异常现象。低烈度异常区的范围，较基岩凸起区大，但与震后现场调查得出的0.2等震害指数包线相比，其在南北向的范围较小，东西向则相差不大。综上所述，在合理考虑介质各向异性、地质构造背景以及场地条件等多种影响因素的前提下，建立正确的计算模型，利用谱元法进行震害异常机理研究是可行、有效的。玉田低烈度异常区的出现，是基岩地形与土体共同作用的结果。其中，玉田地区基岩地形的凹凸变化，在加强玉田县城以北区域地震动强度的同时，也降低了玉田县城内大部分地区的地震动强度，从而使县城内大部分地区的地震动强度相对更低；玉田地区深厚覆盖层的存在，导致土体的卓越频率主要位于较低频段，这与唐山地震时区内建（构）物自振频率较高的特点正好相反，避免了共振现象的产生，降低了玉田地区建（构）物的破坏程度。基岩地形和土体的共同作用，使玉田城区内大部分区域的震害程度相对更低，从而形成了典型的低烈度异常区。
【作者】李孝波；
【导师】薄景山；
【作者基本信息】中国地震局工程力学研究所，岩土工程，2014，博士
【关键词】唐山地震；玉田；震害异常；谱元法；场地条件；异常机理；

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