胡淑芳

（福建省地震局，福建 福州350000）

1 概述

近年來，城鎮(zhèn)建設(shè)的步伐越來越快，監(jiān)測地震的形變觀測場地經(jīng)常受到道路鋪設(shè)、水庫修建及其他工程建設(shè)的干擾，如何對這些干擾的性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)判斷，是對地震預(yù)測工作者的巨大挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上看，這些干擾均可歸結(jié)為荷載對場地內(nèi)觀測儀器的影響。研究形變觀測場地附近的大型荷載對是否能準(zhǔn)確完整的獲取地震前兆信息具有十分重要的意義（李祖寧等，2007）。目前，國內(nèi)外荷載干擾主要分析方法一般分為三種：a. 時間對比方法：調(diào)查荷載變化時間，與形變異常時間進(jìn)行對比；b.模型計算方法：采用具體的數(shù)學(xué)模型，例如地表集中荷載模型（胡衛(wèi)建等，2002）；二維有限均布荷載模型、三維集中荷載模型和三維有限線段荷載模型（邱澤華，2004；馬棟等，2014）等；c.數(shù)值模擬方法：采用ANSYS有限元方法（王秋月等，2010；劉遠(yuǎn)征等，2010；陶偉等，2014；齊文浩等，2006），通過建模、邊界約束、施加荷載等分析荷載干擾。對比以上三種方法，ANSYS 有限元法作為一種新方法，以其強(qiáng)大的分析功能在形變資料的分析中已開始應(yīng)用。

2 ANSYS 方法概述

有限元法的基本思路是先將物體離散化，離散成有限個并且通過邊界上節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合，來實(shí)現(xiàn)數(shù)值近似，逼近或模擬原先的物體，通過這樣的處理，就將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化成一個離散的有限自由度問題來求解。在實(shí)際工作中，用ANSYS 軟件來進(jìn)行完整的有限元分析，需對所要解決的問題進(jìn)行整體考慮，其一般流程如圖1 所示。上述流程應(yīng)用到形變案例中，具體的技術(shù)路線如下：a.在ANSYS 通用前處理器（PREP7）中對形變場地進(jìn)行實(shí)體建模，定義參數(shù)、材料屬性和單元類型并劃分網(wǎng)格等；b. 在分析計算處理器（SOLUTION）中施加邊界條件和載荷，得到有限元解；c.在通用后處理器（POST1）中考察在某個特定時刻的整個模型的計算結(jié)果，通用后處理器模塊以圖形的形式將結(jié)果顯示出來，如：顯示在載荷的影響下，該形變場的位移、應(yīng)力及應(yīng)變云圖等。在整個實(shí)體模型建立的過程中，介質(zhì)參數(shù)如密度、楊氏模量和泊松比的設(shè)置要大致適用于所研究場地。另外，邊界條件的設(shè)置也具有很大的隨意性，要根據(jù)形變場地的實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。

3 形變場地背景介紹

2005 年6 月30 日至8 月20 日福建省天馬跨斷層短水準(zhǔn)形變觀測場地南點(diǎn)垂直位移快速上升，形變的幅度值為0.82mm（圖2 所示）。從2004 年觀測以來，南側(cè)觀測點(diǎn)的測值一直較為穩(wěn)定，因此，0.82mm 的變化量對于該點(diǎn)而言屬于變化較大的情況。

圖1 ANSYS 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 天馬形變觀測場南點(diǎn)五日均值圖

在異常分析過程中，發(fā)現(xiàn)有一個大型集裝箱堆積場位于天馬形變觀測場地的西南方向，1999 年該堆積場已經(jīng)開始使用，其面積大約是120×100 m2，離南側(cè)觀測點(diǎn)的最近距離是165m。集裝箱每個重約4～40t，最多的時候可達(dá)2000 個。為了確認(rèn)集裝箱堆積場是否是引起南側(cè)觀測點(diǎn)異常變化的原因，有必要對這個干擾因素進(jìn)行定量分析。同時，在計算過程中，假設(shè)集裝箱堆積場所有作用力都集中在離南側(cè)測量點(diǎn)最近的位置，這樣就會求得此干擾對南側(cè)測量點(diǎn)垂直位移的最大影響量值。

4 ANSYS 計算過程

利用ANSYS有限元分析法，定量模擬計算集裝箱堆積場引起的形變量值，運(yùn)用實(shí)體建模，建立一個盡可能反映天馬場地真實(shí)構(gòu)造情況的三維模型，并將之簡化為單一的彈性問題。場地模型的尺寸設(shè)置為1000×1600×500m3，斷層的寬度設(shè)為20m，其走向與場地方向保持一致。為了盡量減少邊界效應(yīng)對計算結(jié)果造成影響，有限元模型要比實(shí)際尺寸大很多（胡淑芳等，2016）。整個場地介質(zhì)楊氏模量E 設(shè)為4.3×1010Pa，泊松比υ 設(shè)為0.25，介質(zhì)密度ρ 設(shè)為2800kg/m3。模型的邊界條件設(shè)為：集裝箱堆積場作用在沿Z 軸正向（前面）120×100m2區(qū)域內(nèi)，沿Y 軸負(fù)向（底面）和沿Z 軸負(fù)向（后面）施加位移載荷，其他地方設(shè)為自由。單位面積載荷為38814N，集裝箱堆場相當(dāng)于加載，則水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位下降。集裝箱堆積場荷載所產(chǎn)生的位移場等值線分布見圖3，剖面圖見圖4。從圖3可以看出，集裝箱堆積場產(chǎn)生的位移場整體呈對稱性分布，最大位移值位于堆積場區(qū)域中心，模擬計算得到最大值約為0.091mm。水平和垂直方向上的位移值隨距離快速衰減，當(dāng)距離堆積場作用約220m 后，水平和垂直方向的位移都趨于0。圖3 中的虛線表示模擬的實(shí)際測量路線，模擬計算的結(jié)果顯示：G 點(diǎn)（水準(zhǔn)測量）最大位移值為0.020mm，S 點(diǎn)（水準(zhǔn)測量） 最大位移值為0.030mm，那么G-S 測段的高差計算結(jié)果為0.01mm，可理解為此測段高差下降了0.01mm，該數(shù)值與天馬場地南側(cè)測量點(diǎn)的異常量（0.82mm）相比小了很多。因此，該集裝箱堆積場對天馬觀測場地的影響可忽略不計。

圖3 天馬場地位移場等值線分布圖

圖4 天馬場地位移場等值線分布剖面圖

5 點(diǎn)載荷理論計算過程

基于半無限體表面受法向集中力作用點(diǎn)載荷疊加原理（傅容珊等，2001）也可以定量計算集裝箱堆積場所引起的形變量。圖5 表示的是半無限空間表面受法向集中力作用，其中：F 表示集中力，r 表示位置矢量，ρ 表示水平分量，z 表示垂直分量。

圖5 半無限空間表面受法向集中力作用示意

6 結(jié)果分析

根據(jù)上述計算結(jié)果初步判定天馬場地南點(diǎn)出現(xiàn)的形變異常應(yīng)屬于地震前兆異常，隨后發(fā)生了泉州晉江3.5 級地震（2005 年8 月9 日）和廈門翔安3.1 級地震（2005 年8 月12 日）。天馬觀測場地距離這兩次地震僅有十多千米。天馬場地南點(diǎn)于2005 年10 月再次出現(xiàn)異常，3 個月后，距離該場地約100 多千米的臺灣海峽發(fā)生4.1 級地震（2006 年1 月31 日）（圖2），地震結(jié)束后，形變測值又恢復(fù)正常。上述的震例也說明此次形變異常是地震前兆異常，不是由集裝箱堆積場引起的。