流体饱和层状场地中三维沉积盆地对地震动的影响研究

沉积盆地对地震动的显著放大作用已为多次地震所证实，然而国内外相关抗震设计规范尚未考虑沉积盆地对地震动幅值和频谱的影响。在沿海、河谷地带，沉积层中多为饱和土，地震波在饱和介质中的传播同单相介质情况有着显著差异。本项目拟以流体饱和层状场地中三维沉积盆地为研究对象，首先推导饱和层状场地中球面膨胀波源和球面剪切波源动力格林函数，进而采用间接边界积分方程法，求解饱和三维沉积盆地对入射P、SV、SH、Rayleigh和Love波的散射，求解地震时程输入下整体场地的三维时域响应。分析入射波型、沉积的材料特性和几何特征以及土层参数对地面运动及孔压分布的影响。项目预期将揭示饱和层状场地中沉积盆地对地震波的三维散射机理，阐明沉积盆地和土层对地震动幅值和频谱的影响规律。研究成果可为饱和层状介质中弹性波动问题求解提供新的思路，为盆地区域烈度标准修订、地震区划和大型工程地震安全性评估等重大问题的解决奠定理论基础。

多次震害调查表明：沉积河谷或盆地对地震动具有显著放大作用，使得盆地内部出现明显的地震动幅值放大和持时增长，由此形成地震烈度异常区。盆地效应可从地震波散射理论予以定量分析。难点在于发展高效精确的数值方法和建立符合实际的物理模型。项目主要成果包括：.1、发展了层状饱和半空间三维地震波动边界积分方程法并程序实现：基于Biot流体饱和多孔介质理论，推导饱和土层三维精确动力刚度矩阵和饱和层状场地中动力格林函数，包括三维集中力、孔压源、球面膨胀波源和剪切波源，根据积分函数高阶振荡特性，进行格林函数积分方法优化，其中特解部分由全空间解析给出，提高了格林函数计算精度和效率，由此编制完成三维饱和场地地震波散射求解程序。该程序还可应用于地球物理、海洋工程等领域。.2、单相及两相三维沉积盆地对地震波的散射研究：采用间接边界积分方程法，求解二维及三维沉积盆地对地震波散射，进行频、时域参数分析。研究表明：.（1）饱和及干土情况地表位移幅值和空间分布特征具有显著差异，介质孔隙率和边界渗透条件对波的散射具有重要影响：随着介质孔隙率增大，地表位移幅值随之增大，地表位移振荡加剧。对饱和砂岩介质，不透水情况地表位移幅值略大于透水情况。且前者在个别频率处有显著位移放大现象，原因可能在于动位移和动孔隙水压聚焦效应的相互作用。另由于衍射波、表面波和盆地交界面上的反射波相互干涉，使得盆地内部出现明显的能量聚集带和消减带。.(2) 盆地外部覆盖层厚度和刚度对盆地本身的地震响应具有重要影响；层状半空间动力反应由层状场地自由场反应和沉积盆地对地震波散射作用叠加而成，盖层自振特性不仅影响盆地位移幅值，还会影响地表位移频谱分布。随覆盖层刚度增加，位移谱值逐渐增大；随覆盖层厚度增加，峰值频率点逐渐加密。当覆盖层对波“共振”放大作用和沉积盆地对波散射放大作用同步时，也即覆盖层厚度和盆地尺寸相当情况，盆地位移放大效应最为显著。.(3)盆地介质波速模型宜采用分层介质模型。沉积盆地近地表软弱薄层对高频地震波的放大效应不可忽视，部分频率处能够使得地震动放大数十倍，具体放大程度取决于其厚度和刚度以及材料阻尼特性。均质盆地模型对较高频率波则难以给出准确描述。.最后建议，实际沉积盆地地震动精细模拟需考虑三维效应、盆地内外介质竖向不均匀性，地下水位以下宜采用两相介质模型。另外需注意精细掌握地震波入射角度、频率成分、地层波速及盆地形状。