王偉

1)中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080

2)防災(zāi)科技學院，燕郊065201

地震動的山體地形效應(yīng)

王偉1，2)

1)中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080

2)防災(zāi)科技學院，燕郊065201

地震動的山體地形效應(yīng)問題屬于局部場地條件對地震動的影響范疇。汶川地震之后，記錄到了大量主、余震山體地震動記錄，結(jié)合“明燈一號”人工爆破山體地形地震動記錄以及汶川地震震后現(xiàn)場與地形效應(yīng)相關(guān)的震害調(diào)查資料，本文對地震動的山體地形效應(yīng)進行了詳細的分析研究，取得了一些認識和結(jié)論。

通過對山體地形效應(yīng)地震動記錄的處理分析，得到了山體地震動的加速度、均方根加速度、90%持時以及頻譜的基本特點。針對觀測記錄中相當數(shù)量山頂?shù)牡卣饎臃磻?yīng)水平低于山底的異常現(xiàn)象，本文分析了山底水平自由地表覆蓋土層、輸入地震動頻譜特性以及山體卓越頻率特性對山底和山頂?shù)卣饎臃磻?yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)當水平自由地表場點有覆蓋土層時，在低水平地震動輸入下，覆蓋土層未進入強烈非線性狀態(tài)，因此對地震動輸入中不同頻段范圍的頻率成分產(chǎn)生不同程度的放大作用，從而對水平自由地表覆蓋土層地震動反應(yīng)產(chǎn)生放大，而山體由于其振動特性的緣故，對高于其卓越頻率的地震動頻率成分產(chǎn)生明顯的濾波作用，從而導(dǎo)致山體的地震動反應(yīng)水平低于水平自由地表。

山體地震動反應(yīng)水平與地震動輸入中的頻率成分有直接關(guān)系，當頻率成分與山體卓越頻率相近時則容易引起山體共振，從而對輸入地震動產(chǎn)生放大效應(yīng);當頻率成分高于山體卓越頻率時，山體對地震動中的高頻成分產(chǎn)生明顯的濾波效應(yīng)，從而對地震動產(chǎn)生抑制作用;山體對地震動中低于其卓越頻率的頻率成分沒有明顯的影響。

針對傳統(tǒng)傅氏譜譜比在確定山體地形效應(yīng)影響方面的缺點，通過對地震動反應(yīng)譜譜比進行分析，本文基于能量譜的概念提出了均方根反應(yīng)譜譜比的方法。結(jié)果表明，該方法消除了傳統(tǒng)傅氏譜譜比方法基于某一頻率點的放大幅值來確定山體地形效應(yīng)的隨機性和不合理性，可以作為一個合理的方法來確定山體地形對輸入地震動中某一頻段范圍內(nèi)地震動能量的放大效應(yīng)。

山體地震動的偏振效應(yīng)與山體的幾何形狀有很大關(guān)系，孤立的圓形山包很難發(fā)生偏振，而狹長的山梁則容易發(fā)生偏振。通過將地形效應(yīng)觀測臺陣的兩水平向加速度記錄按照山體走向和橫向進行分解，對山體走向、橫向地震動的幅值、90%持時和頻譜進行分析，得到了山體偏振效應(yīng)的基本特點。對輸入地震動頻譜特性和山體走向、橫向的振動特性進行分析發(fā)現(xiàn)，山體發(fā)生偏振效應(yīng)與輸入地震動中的頻率成分有很大關(guān)系，山體的橫向地震動反應(yīng)水平并不總是大于走向。例如竇圌山，在大震作用下山體橫向偏振大于走向，而在近場小震作用下，則是走向偏振大于橫向，其原因是在大震作用下，輸入地震動的中低頻和中高頻含量都很豐富，由于山體橫向的卓越頻率偏向中低頻，因此大震容易引發(fā)山體橫向共振，而近場小震中的高頻含量非常豐富，中低頻含量很少，因此不容易引起橫向共振，而且山體橫向會對小震高頻成分產(chǎn)生濾波作用，從而導(dǎo)致山體橫向地震動反應(yīng)變?nèi)?，而山體走向的卓越頻率偏向中高頻，在小震作用下，山體走向更容易發(fā)生共振效應(yīng)，從而對輸入地震動產(chǎn)生放大效應(yīng)。另外，山體振動的偏振效應(yīng)與不同頻率成分的地震動能量大小也有關(guān)系。

通過對陡坎、山梁兩種典型地形進行二維數(shù)值模擬計算，討論了P波和SV波垂直入射以及斜入射條件下不同坡度地形模型的地震動反應(yīng)特征，并分析了地形模型自由地表覆蓋土層對地震動反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，地形對自由地表的地震動反應(yīng)影響明顯。

對于陡坎模型，在水平方向上，斜坡坡腳對地震動反應(yīng)有明顯的抑制作用，坡角越大，抑制作用越強。斜坡上的地震動水平隨著高程的增加而變大;陡坎地形頂部前緣對地震動有明顯的放大作用，坡角越小，放大作用越明顯，而隨著與坡頂距離的變大，放大作用逐漸減弱，在遠離陡坎斜坡的兩側(cè)，地震動反應(yīng)逐漸接近水平自由地表反應(yīng)。

對于山梁模型，在山體兩側(cè)斜坡上，決定其地震動反應(yīng)水平大小的是入射波傳播方向與斜坡坡面的夾角，夾角越大，山體在水平方向上的地震動反應(yīng)水平越高，而在豎直方向上的地震動反應(yīng)水平越低。通過對地震波斜入射條件下不同位置的地震動反應(yīng)時程進行對比，發(fā)現(xiàn)由斜入射產(chǎn)生的水平自由地表行波效應(yīng)明顯。

通過對在SV波垂直入射條件下，兩種地形不同位置上覆土層對自由地表地震動反應(yīng)的影響進行分析發(fā)現(xiàn)，水平自由地表覆蓋土層的地震動反應(yīng)水平有可能高于地形與其上覆土層綜合作用下的地震動反應(yīng)。上覆土層的地形斜坡地震動反應(yīng)相對于無覆蓋土層的巖石斜坡地震動反應(yīng)并沒有明顯的放大，其原因是覆蓋土層位于傾斜的斜坡，入射地震動的傳播方向相對于土層為斜入射，在這種情況下，土層對入射的地震動放大系數(shù)與入射角度有很大關(guān)系，對于SV波，土層的放大系數(shù)隨著入射角度的增加而變小，在臨界入射角度處達到最小值。

(作者電子信箱，王偉:wwwiem@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.008

山體地形效應(yīng);覆蓋土層;均方根反應(yīng)譜譜比方法;地震影響系數(shù);偏振效應(yīng);斜入射