馬 棟屈 曼侯曉真張 肖陳建國河北省地震局，石家莊 050021易縣地震臺，河北易縣 074211

載荷對地形變觀測干擾的數(shù)值模擬研究

馬 棟1）屈 曼1）侯曉真1）張 肖2）陳建國1）
1）河北省地震局，石家莊 050021
2）易縣地震臺，河北易縣 074211

現(xiàn)有異常核實過程中，在排除載荷對地形變觀測干擾方面，主要采用載荷變化時間與地形變異常時間對比分析等定性研究方法；目前很多臺站周圍環(huán)境受到工程建設(shè)影響加劇，在異常核實工作中對載荷干擾的定量分析的需求尤為突出；因此，在地形變異常分析和判定過程中，采用數(shù)值模擬方法進行載荷對地形變觀測影響分析，從定量方面研究地形變的異常變化是否為載荷干擾所致。

以懷來臺伸縮儀為例，采用有限元數(shù)值模擬方法，計算形變山洞附近磚廠挖土造成的載荷變化對伸縮儀觀測的影響。懷來臺伸縮儀觀測自2010年開始出現(xiàn)明顯的年變形態(tài)改變，由往年的W型年變形態(tài)轉(zhuǎn)為V型。對懷來形變山洞附近的挖土范圍進行測量，得到挖土區(qū)以及形變山洞位置經(jīng)緯度和高程，通過坐標轉(zhuǎn)換計算出相對坐標用于有限元數(shù)值模擬建模。西南側(cè)挖土區(qū)（挖土區(qū)邊界距形變山洞30 m），面積為1.904×104m2，挖土平均深度12 m，挖土量約為2.28×105m3；西北側(cè)挖土區(qū)（挖土區(qū)邊界距形變山洞40 m），面積為2.71×103km2，挖土平均深度12 m，挖土量約為3.25×104m3。

采用有限元數(shù)值模擬軟件Ansys中的Solid45單元進行建模，該單元用于建立三維實體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，由8個節(jié)點組成，每個節(jié)點有X，Y，Z三個方向的自由度；懷來臺巖性為花崗片麻巖，彈性模量E=5.2×104MPa，泊松比μ=0.17，比重ρ=2.8×103g/m3。建模范圍500 m×500 m，深度80 m；采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長度10 m；在模型底部和側(cè)面施加位移約束；按照挖土區(qū)的范圍施加面載荷。

對模型進行求解計算，計算出挖土區(qū)載荷變化對整個建模區(qū)域等效應(yīng)變的三維等值線，懷來臺伸縮儀所在位置的應(yīng)變變化量已經(jīng)達到10-7（圖1）。為直觀地分析挖土區(qū)對應(yīng)變的影響程度，沿懷來臺伸縮儀EW分量的布設(shè)方位，對三維等值線進行剖分，得到剖面處的二維的應(yīng)變等值線（圖2），分析認為在伸縮儀觀測的位置，挖土的影響約為3.3×10-7。依據(jù)現(xiàn)場異常核實結(jié)果，懷來臺附近挖土時間段主要為2010—2012年，而2010—2012年懷來伸縮儀的年變與往年的年變有明顯的區(qū)別，往年年變形態(tài)為W型，該時段年變形態(tài)在谷底位置的倒V型已經(jīng)消失，統(tǒng)計EW分量消失的年變形態(tài)的幅度為4.2×10-7、NS分量消失的年變形態(tài)的幅度為2.5×10-7；由于挖土對懷來臺伸縮儀所在位置應(yīng)變影響的數(shù)值模擬結(jié)果與懷來臺伸縮儀年變消失的幅度基本接近，挖土時間與資料異常時段也較為一致，并且2013年磚廠停止挖土之后懷來臺伸縮儀年變形態(tài)逐步恢復(fù)。因此，懷來臺伸縮儀2010—2012年年變形態(tài)的改變主要是由于懷來臺附近磚廠大規(guī)模挖土造成的干擾。

圖1　挖土區(qū)對建模區(qū)域影響的應(yīng)變?nèi)S等值線圖

圖2 挖土區(qū)對建模區(qū)域影響的應(yīng)變等值線圖