基巖地形對地震動影響研究

李孝波薄景山萬 衛(wèi)王 欣防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 0652012）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

基巖地形對地震動影響研究

李孝波1）薄景山1,2）萬 衛(wèi)1）王 欣1）
1）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201
2）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

已有研究成果表明，地震動反應(yīng)分析中，除輸入地震動特征對其有直接影響以外，地表下基巖地形的影響也不容忽視。因?yàn)樗缮⒏采w土層與基巖介質(zhì)的動力特性相差懸殊，基巖地形的變化很容易導(dǎo)致局部場地條件的差異，從而致使同一地震動作用下建（構(gòu)）筑物震害程度的顯著不同?，F(xiàn)階段研究基巖地形對地震動影響的方法主要有數(shù)值法和物理模擬法。早在1970年Dezfulian等就用有限單元法研究過基巖凹陷地形對地震動的影響，此后眾多學(xué)者也對其進(jìn)行了較為深入的研究，得到若干有意義的結(jié)論。然而，這些結(jié)論多為定性分析成果，定量計(jì)算與討論較少，缺乏一定的理論價值。

譜元法（Spectral Element Method，SEM）屬于廣義有限元法，是建立在波動方程的變分或弱形式理論基礎(chǔ)上，求解偏微分方程的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法。該法最早由Patera在求解Navier-Stokes方程數(shù)值解時提出。此后，科研工作者在此基礎(chǔ)上開展了大量的研究工作，使譜元法不僅能用于非均勻、各向異性以及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域二維或三維地震動場模擬，還能用于全球地震波傳播模擬，并認(rèn)為在達(dá)到同等精度的前提下，該法能夠通過采用較稀疏單元劃分，很好解決有限元法因單元內(nèi)高階插值帶來的Runge現(xiàn)象。因此，在已有研究成果基礎(chǔ)上，將譜元法應(yīng)用于基巖地形對地震動影響的研究，不僅有利于研究基巖地形作用下地震動的變化特征和分布規(guī)律，還具有較高的理論意義和實(shí)用價值。主要開展了3個方面的研究工作：通過對簡單基巖地形模型的理論分析，探討了基巖面產(chǎn)狀、地震波入射方向?qū)鶐r面地震動強(qiáng)度的影響規(guī)律；根據(jù)對基巖地形模型的譜元法分析，從加速度時程、PGA值以及PGA比值等多個方面，分析歸納了基巖地形存在下地表面地震動強(qiáng)度的變化特征；通過改變基巖地形陡度和覆蓋層厚度的大小，定量研究了地表面地震動強(qiáng)度變化區(qū)的分布范圍和規(guī)律，更加科學(xué)、合理地解釋了基巖地形對地震動的影響作用。

研究結(jié)果表明：①基巖面上地震動強(qiáng)度的大小與基巖面產(chǎn)狀、地震波入射方向等因素相關(guān)。地震波入射方向越接近基巖面切線方向，基巖面上地震動強(qiáng)度越??；越接近基巖面法線方向，基巖面上地震動強(qiáng)度越大。②基巖凸起地形的存在，導(dǎo)致與凸起區(qū)域相對應(yīng)地表處的地震動強(qiáng)度減弱，形成地震動強(qiáng)度相對減弱區(qū)。相對減弱區(qū)與其鄰近區(qū)內(nèi)地震動強(qiáng)度的比值在水平、垂直向上分別為0.77，0.7；基巖凹陷地形的存在，導(dǎo)致與凹陷區(qū)域相對應(yīng)地表處的地震動強(qiáng)度增強(qiáng)，形成地震動強(qiáng)度相對增強(qiáng)區(qū)。相對增強(qiáng)區(qū)與其鄰近區(qū)內(nèi)地震動強(qiáng)度的比值在水平、垂直向上分別為2.63，1.45。③基巖地形陡度不同，地震動強(qiáng)度相對變化區(qū)的范圍不同?；鶐r凸起地形作用下，地震動強(qiáng)度相對減弱區(qū)的范圍較基巖凸起區(qū)域大，兩者的比值一般在1.13～1.69之間，且具有隨陡度增大而逐漸增大的趨勢；基巖凹陷地形作用下，地震動強(qiáng)度相對增強(qiáng)區(qū)的范圍較基巖凹陷區(qū)域小，兩者的比值一般在1～0.5之間，且具有隨陡度增大而逐漸減小的趨勢。④覆蓋層厚度不同，地震動強(qiáng)度相對變化區(qū)的范圍也不同。基巖凸起地形作用下，地震動強(qiáng)度相對減弱區(qū)與基巖凸起區(qū)的比值一般在1.31～1.63之間，具有隨覆蓋層厚度增大而逐漸增大的趨勢；基巖凹陷地形作用下，地震動強(qiáng)度相對增強(qiáng)區(qū)與基巖凹陷區(qū)比值一般在1～0.5之間，具有隨覆蓋層厚度增大而逐漸減小的趨勢。