地裂缝场地地脉动响应特征初探——以西安F6地裂缝为例

地裂缝灾害是西安市主要的环境地质灾害问题,严重地制约着城市建设用地的有效利用和规划。为研究地裂缝对场地动力响应的影响,本文以西安F₆地裂缝场地为研究对象,基于现场地脉动测试及其频谱分析,分析了地裂缝场地地脉动响应的加速度幅值、卓越频率、放大效应等动力响应特征。研究表明,测试场地卓越频率大小与测点位置无明显关系,其中傅里叶谱卓越频率为2.79Hz左右,反应谱卓越频率为4.17Hz左右;靠近地裂缝区域,场地动力响应具有明显放大效应,上下盘影响范围基本一致,约为15m左右;地裂缝上盘放大倍数大于下盘,其中傅里叶谱峰值放大倍数分别为1.92和1.81,反应谱峰值放大倍数分别为1.68和1.63。     

河北平原典型地裂缝场地动力响应特征研究

河北平原地裂缝分布广泛、致灾严重,给当地工程建设和人民生活造成了严重影响。目前对于河北平原地裂缝的研究主要是发育特征、成因机理以及分布等方面,对该区域场地动力特性的研究不足。为讨论河北平原地裂缝对场地动力响应的影响,分别选取该地区具有代表性的地裂缝(高丽营地裂缝和隆尧地裂缝(构造成因)、大名地裂缝(古河道成因)、唐山地裂缝(地震成因))进行野外地脉动测试,并通过傅里叶谱分析、反应谱分析和Arias烈度分析,揭示了不同类型地裂缝场地的动力响应特征。结果表明,地裂缝对场地卓越频率和卓越周期的影响较小,但对场地动力响应强度的影响较大。在地裂缝附近区域具有放大效应,上盘放大倍数达到2.2~2.7,下盘放大倍数达到1.7~2.4,并随着与地裂缝距离的增大逐渐衰减,一定距离后趋于平稳,且活动性更强的上盘的放大效应更明显。不同类型地裂缝对场地动力响应的影响趋势基本一致,但影响范围不同:构造地裂缝场地的放大效应影响范围最大,约24 m,地震地裂缝次之,约22 m,古河道地裂缝最小,约20 m。综合考虑河北平原地裂缝对场地影响范围:上盘约24 m,下盘约20 m。场地放大效应及其影响范围可以为河北平原地裂缝场地工程结构的合理抗震设防提供依据。      

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f_4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明:地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出“上、下盘效应”,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。其研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f_4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明:地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出“上、下盘效应”,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。其研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明：地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出上、下盘效应,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上、下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。该研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

地裂缝场地地铁隧道地震动力响应的振动台试验研究

以西安轨道交通3号线地铁隧道近距离通过地裂缝场地为工程背景,采用几何比1:30的大型振动台模型试验,研究不同地震波作用下通过地裂缝带上盘场地地铁隧道的地震动力响应。试验结果表明:地裂缝场地上盘加速度响应表现出明显的放大效应;浅埋地铁隧道对地震波在土层中的传播具有一定阻碍作用,而隧道两侧拱腰位置围岩土层加速度放大效应最强;隧道特征部位PGA放大系数拱腰最大,拱底次之,拱顶最小,其中靠近地裂缝侧拱腰的PGA放大系数大于远离一侧;地裂缝附近动土压力增量明显增加,而靠近隧道附近,动土压力增量明显降低;地震作用下隧道通过地裂缝场地上下盘出现差异沉降,地表出现多条与地裂缝近似平行和正交的裂缝;隧道环向受剪切作用在靠近地裂缝一侧的拱肩部位环向应变最大,而隧道轴向受挤压作用在左右拱腰处应变出现最大值。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道结构抗震设计与防灾减灾提供重要科学参考与借鉴。      

汶川地震远场黄土场地地震动场地放大效应机制研究

通过汶川地震震后科学考察发现,汶川地震局部场地的震害和地震动放大效应明显,地震对甘肃省境内远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏。在此基础上,结合钻孔波速测试,运用二维等价线性时程响应动分析法对甘肃省平凉市典型黄土塬进行了地震动力响应计算,分析了该地区局部场地条件对地震动放大效应的影响。研究发现,黄土塬具有地震动放大效应,随着塬高的增加,加速度、速度、位移均出现放大效应;随着地震动在黄土覆盖层中的传递,卓越频率向低频移动,高频成分被吸收,加速度反应谱中长周期分量逐渐增大。数值计算结果与实际震害基本吻合,其结果对黄土地区进行合理的抗震设防具有一定的科学意义。     

高铁路基正交跨越地裂缝带动力响应数值分析

本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15 m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10 m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。     

西安地裂缝场地地震效应分析

地裂缝是由内、外营力以及人类活动等因素的作用引致发生的一种地面破坏现象。在这种不良的地质条件下,必然会对场地的地震响应带来一定程度的影响。针对地裂缝场地地震效应研究和工程评价的不足,采用有限元法研究了地震荷载作用下,地裂缝对场地地震动效应的影响问题。分析得出了地裂缝对场地地表水平峰值加速度及反应谱的影响特征和影响范围,为地裂缝场地工程结构的抗震设防和地裂缝灾害避让提供了新的参考。     

华北盆地Lg波衰减及台站场地响应特征

华北盆地是中国大陆地震活跃区之一,通过地震波衰减及场地响应参数研究该区构造介质属性及台基属性对地震预测预报、灾害评估具有重要意义.基于Lg波谱比的联合反演方法是获得地震波衰减参数及场地响应的有效方法,通过随机重采样方法可以检验解的稳定性.使用华北盆地68个台站记录的2004—2008年的149次地震,震级M_L为1.7~5.3的震中距为100~600 km,按信噪比大于2的标准挑选有效垂向记录1 000多条,地震射线较好地覆盖了华北盆地38°N~41°N、114°E~120°E区域.采用2.60~3.65 km/s的速度窗截取Lg波形并转化为频谱,研究频率范围为1~7 Hz,频率间隔0.2 Hz.计算得到的地震波衰减品质因子Q(f)与频率f的关系可表示为Q(f)=125±4.4f0.86±0.03,研究区为低Q₀(对应频率1 Hz),高频率依赖性的构造活跃区.基岩台站对地震波没有表现出明显放大作用,黄土沉积台站低频端比高频端明显放大;场地响应波动较大台站其解的标准偏差也大,说明场地响应的不稳定性体现了台基属性的非稳定性特征.      

黄土塬地震动响应特征分析

2008年汶川Ms8.0级强烈地震对远离震中的黄土塬地区造成了较为严重的破坏,局部场地的震害和地震动放大效应显著。以典型黄土塬场地为对象,应用地形台阵流动观测和有限元计算方法,系统开展强震动作用下黄土塬边坡场地动力响应特征研究;应用大型振动台模拟试验和数值计算方法,重点探讨黄土塬平台场地在汶川地震作用下地表加速度响应随覆盖层厚度、地震动强度的变化规律以及对建筑结构的潜在影响。结果表明：黄土塬边坡顶部存在低频但较高放大系数的现象,可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关;大角度（60°～70°）黄土塬边坡对地震动的放大效应十分显著,坡顶加速度峰值（PGA）放大可达2倍,反应谱卓越周期放大可达5倍;较厚黄土塬平台场地加速度放大可达2倍以上,地震烈度增加1度,对于场地上固有周期0.7～2.0 s和周期大于3.0 s的建筑物地震反应将显著增加。     

北京延庆新城规划区场地动力响应数值模拟

在地震多发的中国内陆环境下,场地稳定性评价越来越引起重视。为了研究北京延庆新城规划区大型场地动力响应特征,在分析延庆新城规划区第四纪覆盖层和断裂的空间分布规律基础上,基于数值模拟方法,运用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立了规划区三维仿真模型,并对新城规划区场地动力响应进行了仿真,最后通过定义场地速度响应系数来刻画场地动力响应特征。结果表明：对于“土岩组合”的典型场地,在低频剪切波的激励下,第四纪覆盖层的厚度将引起不同程度的场地速度响应,第四纪覆盖层越厚,场地速度响应系数越大,动力放大程度越高;对于下伏断裂的复杂场地,剪切波传播路径变得极其复杂,断裂对地表速度响应系数有放大作用,放大程度与断裂分布形式和发展规模有关。     

单井抽水加剧地裂缝上下盘差异沉降机理

西安地裂缝两盘的差异沉降是地裂缝活动主要方式之一,抽取承压水是加剧地裂缝两盘差异沉降活动的重要因素,但其具体作用机理尚不十分明晰。本文通过分析水平微元的受力条件和土体-地裂缝协调变形特征,并利用数值法,解释了地裂缝上、下盘的变形差异机理;然后采用数值法,得到了不同抽水条件、地裂缝透水条件下的地面沉降特征。研究表明：地裂缝较小的剪切模量导致近地裂缝处上盘单元所受上覆荷载及下侧反力较大,下盘单元恰好相反,从而使得相较于下盘,上盘沉降较大;抽水条件和地裂缝透水性通过影响抽水引起的力学扰动,放大了两盘的变形差异;当抽水井位于上盘时,地表出现明显的沉降差异,且地裂缝透水性越差,这种差异越显著。     

河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数

针对基岩明显起伏、土层非均匀分布的典型河口盆地场地,考虑土体非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟无限域对地震波动的影响,建立大尺度精细化二维有限元模型,分析了盆地地表地震动幅值、频谱、持时、传递函数特征,探讨了基岩起伏土层的地震动聚集效应及盆地边缘效应。结果表明：（1）盆地近地表土层表现出不同程度的地震动放大效应,且随土层深度增加呈非单调递减特征,基岩突变处地震动聚集效应明显,盆地两侧产生较为显著的边缘效应;场地中、长周期地震动的放大作用显著;（2）多遇地震、偶遇地震和罕遇地震水平时,场地卓越周期依次介于0.35～0.65 s、0.40～0.75 s和0.50～1.05 s之间;给出了盆地地表PGA（地表峰值加速度）、卓越周期均值等值线图及地表加速度反应谱放大因子建议值,地表设计地震动参数amax（地震影响系数）与Tg（特征周期）明显大于现行《建筑抗震设计规范》取值;（3）盆地特殊位置地表地震动持时得到不同幅度增长,且与输入地震动特性相关;（4）该盆地对0.5～2.0 Hz频段基岩地震动的放大效应比较显著,对小于0.2 Hz或大于2.5 Hz的基岩地震动,该盆地地震动放大效应不明显;（5）福州城区及其邻近区域地震动放大效应普遍较大。大尺度二维非线性分析一定程度上能合理反映微地形起伏、土层分布及土体非线性对地震波传播过程的影响。     

临潼—长安断裂带内地裂缝特征

简述了临潼—长安断裂带的特征及与地裂缝的关系,根据临潼—长安断裂带内两场地地层勘探剖面,证实了临潼—长安断裂带内地裂缝的存在,表明其与发育在临潼—长安断裂带上盘的西安地裂缝具有相同的性质和特征。同时通过地裂缝两侧地层的错断及厚度变化分析了地裂缝的特点及其地质历史活动规律,表明临潼—长安断裂带内的地裂缝活动受断裂活动影响也表现为东强西弱的特征。     

基于离心机振动台试验的梯形河谷场地地震动效应研究

研究河谷场地地震效应对场地选址和抗震设计具有重要的指导意义。基于离心机振动台试验分析,研究了梯形河谷场地地震动响应规律。结果表明:基岩河谷场地对地震动有一定的放大效应,放大效应随着地形的变化而变化,但放大效应不显著,场地不同位置对反应谱的影响较小;基岩-土模型基岩面地震动放大倍数明显增大,不同输入地震动情况下放大倍数不同,各个场点对频段为0.5～2.5 s的地震动有明显的放大作用,对地震动放大频域范围明显加大,这与纯基岩场地的有明显的不同,虽然各个场点的反应谱形状有一定的差别,但是反应谱的平台值和特征周期相差不大;由于河谷场地地形效应,河谷场地地表峰值加速度随着地形的变化放大倍数随之变化,阶地级数越高放大倍数越大,谷底放大倍数最小,随着输入地震动强度的增加,阶地级数越高反应谱的平台值越高,特征周期越大。     

地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究

为了探讨地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响,以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,对西安人工地震波、El Centro波和Kobe波三种不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降问题进行了研究。结果表明:地震作用下,隧道顶部一定范围内的地层沉降量显著大于其周围地层,形成宽度约9~16 m的沉降凹槽;El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m;隧道上覆地层沉降凹槽的沉降规律符合peck公式;隧道顶部约20 m范围内场地地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,沉降最大。      

典型黄土阶地三类场地的隐伏地裂缝识别探讨

西安地裂缝因过量开采地下水、产生不均匀沉降而发育。其中,三类场地属于隐伏地裂缝发育区域。通过地质调查、工程地质钻探等手段,对典型黄土地层三类场地隐伏地裂缝进行调查及识别,确定了地裂缝的位置和走向。结果表明该段地裂缝与西安地区已探明的F3地裂缝高度拟合,建议工程建设中合理选择避让距离。研究可为西安地区典型黄土三类场地地裂缝勘察提供借鉴。     

断层穿越斜坡场地效应分析:以绵竹九龙镇山前斜坡为例

2008年汶川MS8.0强震中频繁出现断层穿越的地震滑坡,除发震断层的地震特性外,其自身场地效应也会影响斜坡动力响应,甚至加剧斜坡失稳。本文以汶川极震区绵竹九龙镇山前斜坡为典型实例,根据余震作用下斜坡不同高程实测地震记录及地脉动测试结果,通过单点谱比法(H/V),获得斜坡地震动加速度随高程的放大系数和地脉动的频谱特征曲线,通过曲线对比分析发现: 1)斜坡两次典型余震PGA放大系数随高程先减小后增大,呈明显的凹形特征,凹形部位位于断层位置,其PGA放大系数约为斜坡底部测点0.4~1.0,坡顶测点的PGA放大系数则达到1.0~2.0倍。由于PGA放大系数是在断层位置出现的明显拐点,从地质上表明了断层场地效应明显; (2)各点NS/UD谱比普遍大于EW/UD谱比。断裂区域卓越频率为低频1Hz,小于其他测点的频率,对应谱比最大值高达3.0~4.0,高于其他测点谱比最大值。说明地表破裂处岩土体松散破碎,导致断层处的卓越频率较低,近场余震传播过来的高频地震波被断层隔断,地震加速度放大系数在该处发生了衰减,场地效应显著。本研究有助于增强断层场地对斜坡动力响应影响的认识。     

地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究

以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。