层状弹性及层状饱和场地中沉积谷地对地震波的三维散射

沉积谷地对地震动的显著放大作用已在多次地震中得到证实，然而国内外相关抗震设计规范并未充分考虑沉积谷地对地震动幅值和频谱的影响。本项目拟以层状场地（包括单相层状弹性场地和两相层状饱和场地，下同）中沉积谷地为研究对象，采用以移动斜线荷载（对层状饱和场地，还包括移动斜线孔隙水压）动力格林函数为基本解的间接边界元方法，给出层状场地中沉积谷地对斜入射P、SV、SH、Rayleigh和Love波的三维散射频域解答，给出地震时程输入下三维时域响应解答。分析土层间阻抗比、沉积形状和刚度、地表及沉积边界透水情况、孔隙率和泊松比等参数对地震地面运动的影响。项目预期将力求揭示层状场地中沉积谷地对斜入射地震波的三维散射机理，确定沉积谷地对三维地震动幅值和频谱的影响规律。项目研究成果可为烈度标准的修订、烈度区划、沉积谷地附近建筑物地震安全性评估等重大问题的解决提供理论基础，研究具有重大的科学意义和巨大的社会效益。

沉积谷地作为最为常见的一类复杂场地，其对地震动的放大作用已在多次的地震观测和震害调查中得到证实，我国是地震的多发国家，大部分地区位于地震区，随着社会的发展，急需对沉积谷地对地震动影响给予量化，然而由于实际场地波动问题求解的复杂性，沉积谷地对地震动幅值和频谱的影响在国内外抗震设计规范中仍未得到体现。.针对以上研究背景项目采用了采用以移动斜线荷载（对层状饱和场地，还包括移动斜线孔隙水压）动力格林函数为基本解的间接边界元方法对问题进行了研究。经过项目组成员三年的研究，取得了以下主要成果：建立了层状饱和场地的三维精确动力刚度矩阵，推导出了层状半空间中移动斜线荷载（孔隙水压）动力格林影响函数，并以此格林函数为基本解建立了求解二维地形三维散射问题的间接边界元方法，求得了层状弹性以及层状饱和场地中沉积谷地对斜入射P、SV、SH、Rayleigh和Love波的三维散射频域解答以及在Ricker波和地震时程作用下的时域解答；对实际沉积谷地进行了地震反应模拟。.研究得到如下结论包括，地震波的类型、入射角度和入射频率对沉积附近地表位移幅值有显著影响；沉积谷地对地震波的三维散射与二维散射间存在本质差异，工程中常采用的斜入射波分解到沉积谷地横截面面内，然后按平面内和平面外问题进行单独后再叠加的方法存在较大误差；层状半空间中沉积谷地与均匀半空间中沉积谷地有着本质的差别，土层自振特性不仅影响沉积地表位移的大小，还会影响沉积地表位移的频谱；饱和情况与干土情况沉积谷地附近地表位移的差别很大，饱和情况与干土情况的地表位移出现相位漂移，饱和情况地表位移波长相对较大。孔隙率较小时，边界渗透条件对位移幅值的影响较大，孔隙率较大时，边界渗透条件对位移幅值的影响则较小。随着入射频率的升高，孔隙率的影响逐渐增大。当孔隙率较小时，孔隙水压幅值较小但空间变化比较剧烈，随着孔隙率的增大，孔隙水压逐渐增大但空间变化逐渐平缓。项目揭示了层状场地中沉积谷地对斜入射地震波的三维散射机理，确定了沉积谷地对三维地震动幅值和频谱的影响规律。项目研究成果可为烈度标准的修订、烈度区划、沉积谷地附近建筑物地震安全性评估等重大问题的解决提供理论基础。