断层破碎带对非发震断层场地地震动的影响

添加人：admin 发布时间：2015/11/5 14:21:32 来源：中国破碎机网

　　场地条件对于地震动影响效应非常显著，许多学者在这方面做了大量的工作，在现在的工程实际应用中也非常重视场地条件的分类。非发震断层场地作为特殊场地条件的一种，其对于地震动的影响也很早就受到了关注。上个世纪60年代以前，受到一些前苏联学者的影响，工程界普遍将断层场地作为不利场地，强调在工程建设时要避开断层，或者提高抗震设防烈度。上世纪70年代，胡聿贤院士等一批优秀地震工作者结合通海地震等地震实地资料，总结了一整套研究场地土、断层、局部地形等场地因素对震害与地震动的影响的科学研究方法，得出了与断层提高烈度的观点截然不同的结论111.对于断层场地的研究，目前有三种方式：对真实断层在地震作用下的地面动力响应的观察研究、对各种形式断层模型的实验分析以及针对断层的各种数值模拟的研究。数值模拟作为一种方便而可靠的方法，已经在各领域广泛应用。本文将用一种有效的动接触单元与有限元结合，对非发震断层场地进行数值模拟研究。
　　非发震断层场地条件是个复杂的综合体其中的断层破碎带是影响场地效应的一个不可忽略的因素，特别是一些张性断层破碎带厚度较大，因而有必要考虑这个特殊带的影响。本文也将针对不同断层破碎带的性质，研究这一因素对于场地地震动的影响。
　　1动接触理论1.1动接触基本原理及其发展动接触问题的控制方程采用固体动力学的基本方程：运动方程、几何方程和本构方程。接触物体的场变量除了要满足基本方程、边界条件和初始条件外，还要满足接触面上的接触条件。一般视接触条件为特殊的边界条件，可分为接触位移条件和接触力条件。根据位移协调关系、力的平衡关系在接触的法向及切向建立方程。运用这些方程时有一个至关重要的前提，即接触状态明确。接触状态有三种形态：分离状态、粘结接触状态和滑动接触状态。不同的接触状态，所有的方程条件不能同时满足，每个状态有它相应的特定求解方程关系。在动接触问题中，随着运动状态的变化，接触状态往往不是事先已知的，因而在数值计算的每一步荷载中都要对接触状态进行判断。只有准确地判断接触状态才能正确地确定接触条件，因而在计算中接触状态的判别至关重要。
　　对于一般动力学问题，设在边界又上给定面力给定位移边界S，在时段上，系统*：2004-07基金项目：国家自然科学基金（50378071）资助课题。
　　l遇者简介：5任（1980），男，上海奉贤人硕士W争ft从事s地震工研究e工作llrightsreserved.h邱://www.cnki.城任春等：断层破碎带对非发震断层场地地震动的影响总势能可表示为：其中A（e.j）为应变能密度。Hamilton原理可表述为能使上述泛函取驻值，即U=的位移场，同时满足位移边界条件、初始位移条件和域内几何方程，必为真实位移场。对于动接触问题，需采用修正的Hamilton原理12，即真实位移使下边的泛函取驻值：脱开时接触单元i刚度矩阵为：数值动接触单元已经应用于大坝裂缝14、机械中轮齿的接触分析151、土相互作用161等领域。
　　非发震断层的物理形态决定了运用动接触问题模拟的可行性，国内有些学者开始运用动接触单元来研究断层场地，笔者也将动接触单元用于非发震断层场地的研究，并考虑断层破碎带对场地地震动的影响。
　　2.1模型的建立由于笔者研究的是非发震断层场地效应的一般规律，有必要对场地土特性以及地震动输入等做出模型化的假定。本研究涉及的场地比较简单，分为0~-80m和-80 200m两层，土质特性取为：岩层V=800m/sE=4010MPav=0.424f=2210kgm3.场地土假定为线弹性，土体材料阻尼比为0.1上下盘摩擦假设为刚性摩擦，系数=0.2地震动输入采用T= 1s荷载时间步长At=0 02s幅值为1m /s2的正弦波。输入位置在-200m的基岩处，方向为水平向。
　　对于场地人工边界效应的处理，现在已经有很多的处理方法。特别是随着计算机技术的发展，人工边界的处理可以逐渐摆脱以前一些常用的数值处理方法，如多次入射法、傍轴近似法、高吸收区法和人工透射边界法等1781.本文采用中增加计算区域的方法，将场地模型的宽度取为厚度的10倍即2 000m，计算结果将取距断层两侧边界效应影响可以忽略的400m范围内的地面加速度解。
　　本文所建有限元场地模型见，其中原点O°模型中离散单地震研究28卷元的尺度：上层土单元为10mX5m；下层土单元10m.模型中的接触单兀用点一面接触单元，由于断层两边土的性质相同，采用对称化处理，即上、下盘的面同时为接触面和目标面，允许一个面上的点在另一个面上滑移。
　　有限元场地模型2.2使用动接触单元的模型分析使用动接触单元对非发震断层进行模拟，分别模拟两种工况：不计入摩擦和计入摩擦，并与无断层模型计算结果比较，比较的结果见三种工况（无断层、有断层无摩擦、有断层且有摩擦）的地表地震动比较由计算结果可知，当不计入两盘相对摩擦时，断层附近地表上盘加速度为13.2m/2而且在距离断层200m范围内地表加速度比无断层时要大；计入相对摩擦作用后地表加速度峰值骤降至5m /s2且距断层大于50m区域的地表加速度较无断层时小。由此可以推断，非发震断层场地在地震动作用下，断层的存在以及上下两盘的相对运动摩擦对于非发震断层附近的地表加速度有很大的影响，特别是上盘在距离断层200m范围内，主要受到三个因素影响，即地震波在上盘顶部尖锐区域边界的折射和反射引起的地震动突变、下盘对于上盘的法向以及切向作用。从距离断层200m左右处到断层位置这一区域内，由于受到的影响因素复杂，地震动由1.8m/s2增大到5m/s2，变化幅度较大。特别是离断层50m范围内，断层上盘类似于鞭梢效应的放大作用大于模型中的断层上下盘的摩擦耗能效应，加速度放大至5m/s2，大于无断层场地的地表加速度3m/s2.下盘相对于上盘而言，地表加速度比较平稳，不管有无摩擦作用，下盘地表地震动都比无断层场地略小。由计算结果分析比较可知，动接触单元能较合理地模拟非发震断层的运动状态。
　　3考虑断层破碎带不同性质的地表加速度计算非发震断层场地地震动的影响因素很多，比如断层产状、断层倾斜角度、断层埋深、断层破碎带等。断层破碎带包括断层泥、透镜体构造带和节理密集带等，这一区域中含有大量粘土成分而属于场地中的软弱带。它是在断层形成及地质运动演变过程中形成的，多数断层的这一区域从几米至十几米不等。由于破碎带的客观存在，在分析非断层场地效应时不能忽略这一因素。有学者从概念上分析，认为断层软弱带虽然有一定的消震作用，它同时也是一个软弱结构面，软弱结构面对抗震的不利远大于它的消震作用和中关于非发震断层场地分析的结论，没有考虑断层破碎带及其它因素的综合影响，直接得出非发震断层场地具有地震动放大作用的结论，其合理性还有待探讨。
　　考虑到这一区域的土的特殊性，在建模中考虑的破碎带的一些参数为：V=300m/sE=200MPav=0.480P=2000kg/m3.在模型的基础上增加这一个特殊带，所建模型见在该模型中，分别在断层破碎带的两边加点一面接触单元，并在破碎带与接触土体之间设置摩擦力。
　　>lishingHous考虑断层破碎带的场地模型任春等：断层破碎带对非发震断层场地地震动的影响3.1破碎带厚度对于场地地震动的影响本文中研究了断层破碎带厚度的变化对于场地地表地震动的影响。断层破碎带的厚度分别为0m，2m，4m，8m计算结果比较见的质量，而破碎带作为一个相对狭小带，其运动时的惯性力对两盘的影响很小。
　　不同破碎带平均密度对地表加速度影响的比较在上盘主要有三个因素需要考虑：断层中的摩擦、上盘的类似于鞭梢效应的放大作用以及破碎软弱带的隔震缓解作用。从中的计算结果可知，是否考虑破碎带厚度，对上盘距离断层150m左右范围内的地表地震动影响很大。当断层破碎带厚度为0m时，没有破碎带隔震效应，所以很明显比其它三种工况地表加速度大。考虑断层破碎带后，在上盘距断层150m范围内，三种工况的地表加速度差别不是很大，但随着断层厚度的增加，地表地震动呈减小趋势。
　　在下盘地表，考虑断层厚度的三种工况时，地表的加速度值很接近，但相对于无断层时的场地地表加速度3m /S略小，可见在下盘受到的隔震效应微弱，而断层结构的不连续性造成的地震动突变此时起了主导作用，但是远没有上盘明显。不考虑断层破碎带厚度时，地表加速度值比其它三种工况略微小一些，这主要是因为当不考虑断层破碎带时，上下盘的接触刚度比较大，上下盘在法向相互作用时下盘受到上盘较大的制约，即上盘对下盘的应变和位移有较大的约束，在这个过程中下盘受到与地表加速度反方向的冲击力较大。
　　3.2考虑破碎带土的平均密度对场地地震动的影响在断层破碎带厚度为8m的模型中，考虑了该带土的不同平均密度对地表地震动的影响（）。计算结果表明，破碎带的不同密度对上下盘的地表加速度影响很小。在距离断层100m范围内，当取不同平均密度时，上盘的地表加速度差异微小/S量级），下盘较上盘差异明显，下盘地表加速度随着破碎带密度递增而微小增加（增3.3考虑破碎带土的平均弹模对场地地震动的影响在断层破碎带厚度为8m的模型中，还考虑了该带不同的平均弹性模量对断层附近地表加速度的影响（）。由计算结果可知，破碎带的软硬程度对断层附近地表的加速度值有一定影响，特别当破碎带比较坚硬（弹性模量较大时），在上盘出现明显的加速度峰值。下盘在不同的弹性模量状态下都相对比较稳定。
　　不同破碎带平均弹性模量对地表加速度影响的比较4结论本文运用动接触单元和有限单元结合对非发震断层场地进行了数值模拟分析，考虑了断层破碎带对于断层附近场地地震动的影响，结合相关，可得出如下结论：（1）接触单元能方便地和有限元结合，有效地模拟非发震断层的运动状态。但是，接触单元需要更合理的优化，比如，摩擦单元与两边接触面的摩擦形式还有待改进。
　　量在a1m/s量级）。密度的不同主要影响破碎带3lishingH⑵断层破碎带对非发震断层场地效应有影地震研究28卷响，特别是破碎带的规模（厚度）及破碎带的软硬程度（弹性模量）对于场地效应的影响较大。非发震断层的上盘是个不稳定区，工程取址时不能忽略非发震断层的存在。
　　（3）本文对土体的模拟、基岩地震动的输入及破碎带产状和它的微结构等的假设比较简单。考虑土的弹塑性、地震波的斜入射和地震波的行波效应以及更复杂的破碎带微结构和产状等因素，对具体某个非发震断层场地进行分析应是更合理的方法。
　　（4）当前，研究非发震断层的单一因素对场地地震动的影响是必要的。非发震断层场地条件是个多因素的综合条件，但由于非发震断层场地的复杂性，很难做到模拟的全面性。研究单一因素的影响，诸如断层产状、断层倾角、断层埋深以及破碎带等因素，并且加以归纳整合，有利于对复杂场地的综合研究。如何根据实地调查的场地各因素，运用一定法则将各因素进行合理组合来分析具体非发震断层场地效应是有待于进一步解决的一项有意义的工作。