近断层山体地形三维地震动放大效应谱元法模拟

冯广军; 刘中宪; 陈頔; 黄磊; 李程程; 刘国瑞

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20201218001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

近断层山体地形三维地震动放大效应谱元法模拟

论文 | 更新时间：2025-09-25

- 近断层山体地形三维地震动放大效应谱元法模拟
- Analysis on the 3‑D Ground Motion Amplification of Mountain Topography near the Fault Using SEM
- 防灾减灾工程学报 2022年42卷第4期页码：778-787
- 作者机构：
  
  1.天津城建大学, 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津 300384
  2.中国能源建设集团天津电力设计院有限公司,天津 300372
- 作者简介：
  
  刘中宪（1982—），男，教授，博导，博士。主要从事地震工程、工程防护等研究。E‑mail: zhongxian1212@163.com
  刘国瑞(1981—),男，副教授，博士。主要从事并行计算和机器学习等研究。E‑mail: lgr＠tcu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51878434);天津市杰出青年基金项目(19JCJQJC62900);天津市科技重大专项与工程(18ZXAQSF00110)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20201218001
  中图分类号： O347.41
- 收稿：2020-12-18，
  
  修回：2021-02-20，
  
  纸质出版：2022-08-28
- 稿件说明：
移动端阅览
冯广军,刘中宪,陈頔等.近断层山体地形三维地震动放大效应谱元法模拟[J].防灾减灾工程学报,2022,42(04):778-787.

FENG Guangjun,LIU Zhongxian,CHEN Di,et al.Analysis on the 3‑D Ground Motion Amplification of Mountain Topography near the Fault Using SEM[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(04):778-787.
冯广军,刘中宪,陈頔等.近断层山体地形三维地震动放大效应谱元法模拟[J].防灾减灾工程学报,2022,42(04):778-787. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20201218001.

FENG Guangjun,LIU Zhongxian,CHEN Di,et al.Analysis on the 3‑D Ground Motion Amplification of Mountain Topography near the Fault Using SEM[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(04):778-787. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20201218001.

摘要

采用勒让德（Legendre）谱元法，结合动力学有限断层破裂理论，对一邻近隐伏发震断层的山体进行三维地震动模拟分析，获得山体表面加速度、速度、位移响应时程和加速度反应谱。结果表明：（1）加速度方面，60°倾角倾滑逆断层作用下，山体背向断层一侧的

PGA

明显大于迎向断层一侧；对90°直立型断层情况，山体背向断层一侧的水平向

PGA

同样明显大于迎向断层一侧，但对于竖向

PGA

分布，该现象不明显；倾滑断层作用下最大

PGA

一般均出现于山顶附近，60°倾角逆断层情况下山顶

PGA

可达山脚平坦位置的5倍左右，而垂直断层情况下则放大2~3倍，同时山体表面多处产生竖向峰值大于水平向峰值的现象；加速度反应谱显示场地山顶处卓越周期明显长于其他位置。（2）速度方面，山体表面各观察点位在时程上表现出单向和双向长周期大脉冲特性，反映出明显的方向性效应。

Abstract

By using Legendre spectral element method （SEM） and combining finite fault theory， seismic response of a mountain near a buried seismogenic fault was analyzed. The response time-history and acceleration response spectrum of acceleration， velocity， displacement at observation points on the mountain were obtained. For the spatial position relationship of the fault and mountain in the presented example， the results show that under the action of 60° dip-slip thrust faults， the peak ground acceleration （

PGA

） on the side of the mountain which is far from the fault is obviously larger than that near the fault. And under the action of 90° vertical faults， the horizontal

PGA

distribution is similar to that in the former case， but for the vertical

PGA

distribution， this phenomenon is not obvious. Under the action of dip-slip faults， the maximum

PGA

usually occurs near the top of the mountain. For 60° dip-slip thrust faults， the maximum

PGA

that appears at the top of the mountain can reach about 5 times that at the foot of the mountain， while under the action of vertical faults， the maximum PGA can be magnified 2-3 times. Meanwhile， there are several places where the vertical peak value is larger than the horizontal peak value. And the acceleration response spectrum shows that the predominant period at top of the mountain is obviously longer than that at other places. In terms of velocity， the time histories at the observation points on the mountain show the characteristics of unidirectional and bidirectional long-period large pulses， reflecting an obvious directivity effect.

关键词

Keywords

references

刘启方，袁一凡，金星，等 . 近断层地震动的基本特征［J］. 地震工程与工程振动， 2006 ， 26 （ 1 ）： 1 ‑ 10 .

Liu Q F ， Yuan Y F ， Jin X ， et al . Basic characteristics of nearfault ground motion ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 2006 ， 26 （ 1 ）： 1 ‑ 10 . （in Chinese）

罗全波，陈学良，高孟潭，等 . 近断层速度脉冲与震源机制的关系浅析［J］. 震灾防御技术， 2018 ， 13 （ 3 ）： 646 ‑ 661 .

Luo Q B ， Chen X L ， Gao M T ， et al . Analysis of the relationship between nearfault velocity pulse and focal mechanism ［J］. Technology for Earthquake Disaster Prevention ， 2018 ， 13 （ 3 ）： 646 ‑ 661 . （in Chinese）

于生生，张熙胤，陈兴冲，等 . 场地地震反应分析研究现状及展望［J］. 防灾减灾工程学报， 2021 ， 41 （ 1 ）： 181 ‑ 192 .

Yu S S ， Zhang X Y ， Chen X C ， et al . Research status and prospect of seismic response analysis on site ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2021 ， 41 （ 1 ）： 181 ‑ 192 . （in Chinese）

陈宇龙，黄栋 . 正断层与逆断层错动引起的上覆黏土变形特性离心试验［J］. 岩土力学， 2017 ， 38 （增1 ）： 189 ‑ 194 .

Chen Y L ， Huang D . Centrifuge test of deformation characteristics of overburden clay subjected to normal and reverse fault rupture ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2017 ， 38 （ Sup1 ）： 189 ‑ 194 . （in Chinese）

杨泽，盛俭，金显廷，等 . 精河 M S 6.6地震近断层地震动模拟［J］. 防灾减灾工程学报， 2020 ， 40 （ 6 ）： 1024 ‑ 1036，1052 .

Yang Z ， Sheng J ， Jin X T ， et al . Simulation of near‑fault ground motion of Jinghe M S 6.6 Earthquake ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2020 ， 40 （ 6 ）： 1024 ‑ 1036，1052 . （in Chinese）

赵由佳，张国宏，单新建，等 . 考虑地形起伏和障碍体破裂的汶川地震强地面运动数值模拟［J］. 地球物理学报， 2018 ， 61 （ 5 ）： 1853 ‑ 1862 .

Zhao Y J ， Zhang G H ， Shan X J ， et al . Numerical simulation of the strong ground motion of the 2008 Wehchuan Earthquake incorporated with topography and barrier rupture model ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2018 ， 61 （ 5 ）： 1853 ‑ 1862 . （in Chinese）

刘启方，李家祥，温瑞智 . SV波入射下斜坡地形对上覆土层地震动放大的影响研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2022 ， 42 （ 1 ）： 92 ‑ 99 .

Liu Q F ， Li J X ， Wen R Z . Study on the effect of ground motion amplification of slope topography to overlying soil layer under incident SV waves ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2022 ， 42 （ 1 ）： 92 ‑ 99 . （in Chinese）

于彦彦，丁海平，陈澎军，等 . 断层埋深对近断层 PGV 的影响［J］. 世界地震工程， 2013 ， 29 （ 3 ）： 83 ‑ 89 .

Yu Y Y ， Ding H P ， Chen P J ， et al . Effect of fault depth on near‑fault PGV ［J］. World Earthquake Engineering ， 2013 ， 29 （ 3 ）： 83 ‑ 89 . （in Chinese）

刘中宪，刘佳乔，黄磊 . 近断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射［J］. 防灾减灾工程学报， 2020 ， 40 （ 4 ）： 556 ‑ 565，605 .

Liu Z X ， Liu J Q ， Huang L . Scattering of plane SH wave by lining tunnel in near fault site ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2020 ， 40 （ 4 ）： 556 ‑ 565，605 . （in Chinese）

李孝波，薄景山，齐文浩，等 . 地震动模拟中的谱元法［J］. 地球物理学进展， 2014 ， 29 （ 5 ）： 2029 ‑ 2039 .

Li X B ， Bo J S ， Qi W H ， et al . Spectral element method in seismic ground motion simulation ［J］. Progress in Geophysics ， 2014 ， 29 （ 5 ）： 2029 ‑ 2039 . （in Chinese）

苏欣，杨笑梅 . 谱元法模拟地裂缝场地地表地震波传播［J］. 地震工程与工程振动， 2014 ， 34 （增1 ）： 206 ‑ 211 .

Su X ， Yang X M . The numerical simulation for surface seismic wave propagation near the crack in fault site using the spectral element method ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 2014 ， 34 （ Sup1 ）： 206 ‑ 211 . （in Chinese）

丁志华，周红，蒋涵 . 三维台阶地形地震动效应研究［J］. 地震学报， 2014 ， 36 （ 2 ）： 184 ‑ 199 .

Ding Z H ， Zhou H ， Jiang H . Effect of 3‑D step topography on ground motion ［J］. Acta Seismologica Sinica ， 2014 ， 36 （ 2 ）： 184 ‑ 199 . （in Chinese）

贺春晖，王进廷，张楚汉 . 基于震源‑河谷波场数值模拟的坝址地震动参数确定方法［J］. 地球物理学报， 2017 ， 60 （ 2 ）： 585 ‑ 592 .

He C H ， Wang J Y ， Zhang C H . Determination of seismic parameters for dam sites by numerical simulation of the rupture‑canyon wave field ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2017 ， 60 （ 2 ）： 585 ‑ 592 . （in Chinese）

刘中宪，刘明珍，韩建斌 . 近断层沉积盆地强地震动谱元模拟［J］. 世界地震工程， 2017 ， 33 （ 4 ）： 76 ‑ 86 .

Liu Z X ， Liu M Z ， Han J B . Spectral element simulation of strong ground motion in the near‑fault alluvial basin ［J］. World Earthquake Engineering ， 2017 ， 33 （ 4 ）： 76 ‑ 86 . （in Chinese）

Magnoni F ， Casarotti E . Kinematic finite fault and 3D seismic wave propagation of the 24 August，2016， M w 6.0 central Italy earthquake ［J］. Annals of Geophysics ， 2016 ， 59 （ 5 ）： 1 ‑ 7 .

Galvez P ， Ampuero J P ， Dalguer L A ， et al . Dynamic earthquake rupture modelled with an unstructured 3‑D spectral element method applied to the 2011 M 9 Tohoku earthquake ［J］. Geophysical Journal International ， 2014 ， 198 （ 2 ）： 1222 ‑ 1240 .

Wang X ， Cai M . Numerical analysis of ground motion in a South African mine using SPECFEM3D ［C］ ∥ First International Conference on Underground Mining Technology . Sudbury ：［s.n.］， 2017 ： 255 ‑ 268 .

巴振宁，赵靖轩，吴孟桃，等 . 逆断层地震作用下三维沉积盆地地震动谱元法模拟［J］. 地震科学进展， 2020 ， 50 （ 10 ）： 15 ‑ 24 .

Ba Z N ， Zhao J X ， Wu M T ， et al . Seismic simulation of three‑dimensional sedimentary basin under reverse fault earthquake by spectral element method ［J］. Progress in Earthquake Sciences ， 2020 ， 50 （ 10 ）： 15 ‑ 24 . （in Chinese）

万子轩 . 基于谱元法的地震动放大效应研究——以青川县斜坡为例［J］. 四川地震， 2020 （ 1 ）： 10 ‑ 15 .

Wan Z X . Amplification effect of ground motion based on spectral element method： a case study of Qingchuan slope ［J］. Earthquake Research in Sichuan ， 2020 （ 1 ）： 10 ‑ 15 . （in Chinese）

高严，于彦彦 . SV波垂直入射盆山耦合场地对地面运动的影响［J］. 防灾减灾工程学报， 2022 ， 42 （ 1 ）： 100 ‑ 110 .

Gao Y ， Yu Y Y . Effects of coupled basin‑mountain terrain on seismic ground motion under vertical incident SV waves ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2022 ， 42 （ 1 ）： 100 ‑ 110 . （in Chinese）

Komatitsch D ， Vilotte J P . The spectral element method：an efficient tool to simulate the seismic response of 2D and 3D geological structures ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 1998 ， 88 （ 2 ）： 368 ‑ 392 .

刘启方 . 基于运动学和动力学震源模型的近断层地震动研究［D］. 哈尔滨：中国地震局工程力学研究所， 2005 .

Liu Q F . Study on near‑fault ground motion based on kinematics and dynamics source model ［D］. Harbin ： Institute of Engineering Mechanics， China Earthquake Administration ， 2005 . （in Chinese）

廖树超 . 基于谱元法网格划分对模拟精度的影响［D］. 苏州：苏州科技大学， 2018 .

Liao S C . Influence of mesh division based on spectrum element method on simulation accuracy ［D］. Suzhou ： Suzhou University of Science and Technology ， 2018 . （in Chinese）

王加锐，李鸿晶，孙广俊 . SH波入射下阶跃基岩覆盖土层场地地面运动特征分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2017 ， 37 （ 5 ）： 712 ‑ 717 .

Wang J R ， Li H J ， Sun G J . Analysis of ground motion characteristics of bedrock overburden soil under SH wave incidence ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2017 ， 37 （ 5 ）： 712 ‑ 717 . （in Chinese）

陈学良，高孟潭，孙为国，等 . 龙祠地震台毗邻的麦圪岭小山地形对背景噪声的影响［J］. 应用基础与工程科学学报， 2015 ， 23 （ 2 ）： 331 ‑ 348 .

Chen X L ， Gao M T ， Sun W G ， et al . The influence of the hill topography on the background noise in Maichuang Ridge adjacent to the Longci seismostation ［J］. Journal of Basic Science and Engineering ， 2015 ， 23 （ 2 ）： 331 ‑ 348 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

参数对地震动随机模拟结果的影响分析^*

边坡地震响应数值模拟中最优边界范围研究

深厚第四纪沉积土非线性性能对地表地震动特性的影响

断层错动和地震动共同作用下跨断层隧道的损伤分析∗