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《中国地震局工程力学研究所》 2016年
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考虑区域特征的递增型土层剪切波速反演

陈拓  
【摘要】:土层剪切波速是计算场地动力响应,判定建筑抗震场地类别的重要参数。准确、快速获取剪切波速结构是地震工程的重要研究课题之一。近年来,基于小型地脉动观测台阵记录提取土层基阶频散曲线,进而采用反演方法得到剪切波速结构已成为钻孔勘探之外的一种经济、便捷的有效手段,逐渐被工程人员采纳。然这一反演问题本身存在多解性,即剪切波速结构迥异的土层所对应的频散曲线较为一致。为此如何有效地规避这一问题,确保反演结果的可靠性是推广这一手段在工程中应用的难点。本文针对基于脉动台阵观测记录获取递增型土层剪切波速这一问题,通过在反演过程中引入基于统计得到的土层剪切波速结构的一般特征,在建立频散曲线反演的逐分量自适蒙特卡洛法(MSCAMH)基础上,建立了获取概率意义上最接近实际土层结构的剪切波速反演方法,实测结果表明,该方法具有较好的精度,同时能较好地规避频散曲线多解这一问题,有效提高了反演结果的可靠性。具体研究工作包括:1.通过提取黑龙江省内地震危险性评定报告中的钻孔资料,统计分析了该区域内递增型土层剪切波速结构的基本特征。在此基础上,讨论了典型土层的基阶瑞利频散曲线特征:频散曲线对表层及深部土层参数变化的敏感性大于其对中间土层参数变化的敏感性。最后计算出典型土层对应的频率—波长变化曲线。2.基于理论算例,深入分析MSCAMH算法的性能。详细分析了初始模型设置,目标函数选取,建议分布方差和建议分布函数对算法精度、收敛性的影响。结果表明,合理的初始模型能有效提高算法的精度和收敛速度。因此有必要在应用该方法反演瑞利频散曲线过程中,引入土层剪切波速结构的区域性特征。针对基于地脉动台阵观测提取所得瑞利频散曲线在低频与高频段的失真问题,建议了一种新的目标函数,在新的函数中提高了中低频带段目标与模拟频散曲线之间残差所占的权重。在上述改进的基础上,构建了结果较为稳定土层剪切波速反演方法。3.选取了区域内存在钻孔资料的某一场地,布设了多个地脉动观测台阵,基于适用于灵活台阵布设的扩展空间自相关法获得了土层的基阶瑞利波频散曲线,进而基于本文建立的剪切波速反演方法得到了该区域的递增型土层结构。通过对比分析反演结果与钻孔资料,结果表明反演所得剪切波速结构与这一区域的平均剪切波速结构接近,进而验证了本文所构建的基于地脉动台阵观测获取递增型土层剪切波速结构这一手段的可靠性。
【关键词】:瑞利波频散曲线 剪切波速 MSCAMH算法 反演
【学位授予单位】:中国地震局工程力学研究所
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU435
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 绪论10-16
  • 1.1 研究课题的背景和目的10-11
  • 1.2 国内外研究发展和现状11-14
  • 1.3 论文的主要内容和章节安排14-16
  • 第二章 黑龙江省区域频散曲线特征16-36
  • 2.1 引言16
  • 2.2 递增型土层频散曲线特征研究16-20
  • 2.2.1 土层厚度变化对频散曲线的影响17-18
  • 2.2.2 剪切波速变化对频散曲线的影响18-20
  • 2.3 典型土层模型频散曲线特征验证20-23
  • 2.4 黑龙江省典型土层频散曲线及其敏感性分析23-31
  • 2.4.1 黑龙江省地区瑞利波频散曲线24-27
  • 2.4.2 典型土层瑞利波频散曲线敏感性27-31
  • 2.5 瑞利波频率—波长曲线31-33
  • 2.6 本章小结33-36
  • 第三章 改进的逐分量自适应蒙特卡洛算法36-60
  • 3.1 引言36-37
  • 3.2 统计反演方法的概念和原理37-38
  • 3.2.1 贝叶斯定理37-38
  • 3.2.2 蒙特卡洛法38
  • 3.2.3 马尔可夫链38
  • 3.3 参数后验联合概率分布的确定38-40
  • 3.3.1 先验联合概率分布的确定39
  • 3.3.2 似然函数的确定39-40
  • 3.3.3 后验联合概率分布的确定40
  • 3.4 改进的逐分量自适应蒙特卡洛反演方法40-58
  • 3.4.1 基本原理40-41
  • 3.4.2 算法基本流程41-43
  • 3.4.3 算法性能研究43-58
  • 3.4.3.1 MSCAMH算法与SCAM算法性能对比43-45
  • 3.4.3.2 初值对运算的影响45-49
  • 3.4.3.3 建议分布方差对运算的影响49-53
  • 3.4.3.4 建议分布概率密度函数形式对运算的影响53-58
  • 3.5 本章小结58-60
  • 第四章 MSCAMH算法可行性研究60-88
  • 4.1 引言60
  • 4.2 应用MSCAMH算法处理反演问题60-70
  • 4.2.1 关于先验分布的几点说明63-65
  • 4.2.2 似然函数方差设置65-67
  • 4.2.3 算法参数设置67-70
  • 4.3 数值模拟算例70-85
  • 4.3.1 理论模型模拟算例71-84
  • 4.3.1.1 五层模型反演理想算例72-75
  • 4.3.1.2 参数下限值对算法的影响75-76
  • 4.3.1.3 参数上限值对算法的影响76-77
  • 4.3.1.4 递增型模型剪切波速梯度对算法的影响77
  • 4.3.1.5 频率点对算法的影响77-78
  • 4.3.1.6 建议分布标准差固定值对算法的影响78-79
  • 4.3.1.7 似然函数方差截止残差数量级对算法的影响79-81
  • 4.3.1.8 只反演剪切波速参数对算法的影响81
  • 4.3.1.9 六层模型反演算例81-83
  • 4.3.1.10 七层模型反演算例83-84
  • 4.3.2 典型土层频散曲线反演算例84-85
  • 4.4 本章小结85-88
  • 第五章 实测数据反演88-104
  • 5.1 引言88
  • 5.2 前期准备工作88-90
  • 5.2.1 场地概况与处理88-89
  • 5.2.2 仪器与工具89-90
  • 5.3 实测地脉动数据90-92
  • 5.3.1 台阵选取90-91
  • 5.3.2 实测步骤91-92
  • 5.4 地脉动记录处理92-97
  • 5.5 提取频散曲线97-100
  • 5.6 频散曲线反演100-102
  • 5.7 本章小结102-104
  • 第六章 结语与展望104-108
  • 6.1 本文的主要工作104
  • 6.2 本文的主要结论104-106
  • 6.3 研究展望106-108
  • 参考文献108-112
  • 致谢112-113
  • 作者简介113-114
  • 攻读硕士期间参与的科研项目114

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