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地震动的山体地形效应

王伟  
【摘要】:地震动的山体地形效应问题属于局部场地条件对地震动的影响范畴。汶川地震之后,记录到了大量主、余震山体地震动记录,结合“明灯一号”人工爆破山体地形地震动记录以及汶川地震震后现场与地形效应相关的震害调查资料,本文对地震动的山体地形效应进行了详细分析研究,取得了一些认识和结论。 通过对山体地形效应地震动记录的处理分析,得到了山体地震动的加速度、均方根加速度、90%持时以及频谱的基本特点。针对观测记录中相当数量山顶的地震动反应水平低于山底的异常现象,本文分析了山底水平自由地表覆盖土层、输入地震动频谱特性以及山体卓越频率特性对山底和山顶地震动反应的影响,发现当水平自由地表场点有覆盖土层时,在低水平地震动输入下,覆盖土层未进入强烈非线性状态,因此对地震动输入中不同频段范围的频率成分产生不同程度的放大作用,从而对水平自由地表覆盖土层地震动反应产生放大,而山体由于其振动特性的缘故,对高于其卓越频率的地震动频率成分产生明显的滤波作用,从而导致山体的地震动反应水平低于水平自由地表。 山体地震动反应水平与地震动输入中的频率成分有直接关系,当频率成分与山体卓越频率相近时则容易引起山体共振,从而对输入地震动产生放大效应;当频率成分高于山体卓越频率时,山体对地震动中的高频成分产生明显的滤波效应,从而对地震动产生抑制作用;山体对地震动中低于其卓越频率的频率成分没有明显的影响。 针对传统傅氏谱谱比在确定山体地形效应影响方面的缺点,通过对地震动反应谱谱比进行分析,本文基于能量谱的概念提出了均方根反应谱谱比的方法。结果表明,该方法消除了传统傅氏谱谱比方法基于某一频率点的放大幅值来确定山体地形效应的随机性和不合理性,可以作为一个合理的方法来确定山体地形对输入地震动中某一频段范围内地震动能量的放大效应。 山体地震动的偏振效应与山体的几何形状有很大关系,孤立的圆形山包很难发生偏振,而狭长的山梁则容易发生偏振。通过将地形效应观测台阵的两水平向加速度记录按照山体走向和横向进行分解,对山体走向、横向地震动的幅值、90%持时和频谱进行分析,得到了山体偏振效应的基本特点。对输入地震动频谱特性和山体走向、横向的振动特性进行分析发现,山体发生偏振效应与输入地震动中的频率成分有很大关系,山体的横向地震动反应水平并不总是大于走向。例如窦圌山,在大震作用下山体横向偏振大于走向,而在近场小震作用下,则是走向偏振大于横向,其原因是在大震作用下,输入地震动的中低频和中高频含量都很丰富,由于山体横向的卓越频率偏向中低频,因此大震容易引发山体横向共振,而近场小震中的高频含量非常丰富,中低频含量很少,因此不容易引起横向共振,而且山体横向会对小震高频成分产生滤波作用,从而导致山体横向地震动反应变弱,而山体走向的卓越频率偏向中高频,在小震作用下,山体走向更容易发生共振效应,从而对输入地震动产生放大效应。另外,山体振动的偏振效应与不同频率成分的地震动能量大小也有关系。 通过对陡坎、山梁两种典型地形进行二维数值模拟计算,讨论了P波和SV波垂直入射以及斜入射条件下不同坡度地形模型的地震动反应特征,并分析了地形模型自由地表覆盖土层对地震动反应的影响。结果表明,地形对自由地表的地震动反应影响明显。 对于陡坎模型,在水平方向上,斜坡坡脚对地震动反应有明显的抑制作用,坡角越大,抑制作用越强。斜坡上的地震动水平随着高程的增加而变大;陡坎地形顶部前缘对地震动有明显的放大作用,坡角越小,放大作用越明显,而随着与坡顶距离的变大,放大作用逐渐减弱,在远离陡坎斜坡的两侧,地震动反应逐渐接近水平自由地表反应。 对于山梁模型,在山体两侧斜坡上,决定其地震动反应水平大小的是入射波传播方向与斜坡坡面的夹角,夹角越大,山体在水平方向上的地震动反应水平越高,而在竖直方向上的地震动反应水平越低。通过对地震波斜入射条件下不同位置的地震动反应时程进行对比,发现由斜入射产生的水平自由地表行波效应明显。通过对在SV波垂直入射条件下,两种地形不同位置上覆土层对自由地表地震动反应的影响进行分析发现,水平自由地表覆盖土层的地震动反应水平有可能高于地形与其上覆土层综合作用下的地震动反应。上覆土层的地形斜坡地震动反应相对于无覆盖土层的岩石斜坡地震动反应并没有明显的放大,其原因是由于覆盖土层位于倾斜的斜坡,入射地震动的传播方向相对于土层为斜入射,在这种情况下,土层对入射的地震动放大系数与入射角度有很大关系,对于SV波,土层的放大系数随着入射角度的增加而变小,在临界入射角度处达到最小值。


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