重大工程场地基岩地震动输入三维反演方法研究

3D (three-dimensional) bedrock earthquake motion input is the primary premise of seismic safety evaluation of vital engineering structures. Because the earthquake records at bedrock are very limited, people have insufficient cognition on the laws of bedrock earthquake ground motions, and therefore, it is one of the important ways to determine the 3D bedrock earthquake input by inversion of design earthquake ground motion on the ground surface. Although earthquake ground motions are expressed by three orthogonal components records, the ratios of amplitudes among three orthogonal components are evidently different at different depths of sites, because of the mode conversion of waves at each soil-layer interface. However, the common method used in engineering community is that the one horizontal component of earthquake acceleration record at the ground surface is inversed to the associated horizontal component of earthquake acceleration motion at the bedrock, which is 1D inversion with clear shortages. This project studies the methods of 3D inversion of bedrock earthquake motion input, and to establish the 3D nonlinear wave motion method for inversion of earthquake acceleration time histories at the bedrock of elastic or poroelastic layered sites, and to establish the 3D nonlinear wave motion method for inversion of power spectral density functions at the bedrock of elastic or poroelastic layered sites, and further to establish the 3D nonlinear FEM method for inversion for earthquake acceleration time histories and power spectral density functions at the bedrock of common typical complex sites, such as thick elastic (poroelastic) soil layers site, long-span sediment-filled valley site, hill-canyon-hill site, and coastal hilly site, etc., and to make engineering analysis and verification by using the Xiangtang 3D array of site condition on earthquake ground motion in China. This project will resolve the problem of 3D bedrock earthquake motion input for the purpose of seismic safety evaluation of vital engineering structures, and has significance value in science and engineering.

基岩地震动三维输入是重大工程结构抗震安全性评价的首要前提。由于基岩地震观测记录稀少，人们对基岩地震动规律的认识相对不足，将地表设计地震动反演到基岩，成为确定基岩地震动三维输入的重要途径之一。虽然地震记录通常以三个正交方向的地震动来表示，但由于地震波在每一土层界面的波型转换，场地不同深度处地震动在三个方向的分量比明显不同。然而，目前普遍采用的基岩地震动输入反演均是根据地表某水平地震动来推求基岩面相应方向的水平地震动，均属一维反演，存在明显不足。本项目开展基岩地震动三维反演方法研究，建立弹性（饱和）层状场地基岩地震动加速度时程反演的三维非线性波动方法，建立弹性（饱和）层状场地基岩地震动功率谱反演的三维非线性波动方法，并以深厚（饱和）覆盖层软土场地、大跨度沉积河谷场地、山岭-河谷地形场地、沿海丘陵场地为例建立复杂场地基岩地震动加速度时程和功率谱反演的三维非线性有限元方法，根据我国唐山响嘡三维场地影响观测台阵记录进行工程验证分析，全面解决重大工程结构抗震安全性评价的基岩地震动三维输入问题，具有重要的科学意义和工程价值。

工程场地基岩设计地震动输入是工程结构抗震安全性评价的必要前提。由于基岩上的实际地震观测记录稀少，人们对基岩地震动规律的认识相对不足，将地表设计地震动反演到基岩，成为确定基岩设计地震动的一个重要途径。虽然地震记录通常以三个正交方向的地震动来表示，但由于地震波自基岩传到地表的过程中，在每一土层界面存在波型转换，所以场地不同深度处地震动在三个方向的分量比明显不同。然而，目前普遍采用的基岩地震动输入反演方法均是根据地表某一方向水平地震动来推求基岩面相应方向的水平地震动，均属一维反演；一维反演忽略了地震波的真实传播过程，存在明显误差，有时甚至是错误。本项目开展工程场地基岩地震动三维反演方法研究，建立了弹性或饱和层状场地基岩地震动加速度时程三维非线性反演的波动方法，建立了弹性或饱和层状场地基岩功率谱或设计谱非线性反演的波动方法，建立了深厚软土场地、巨厚软土场地等复杂场地基岩地震动加速度时程三维非线性反演的有限元方法，开展了几何相似比1/50的振动台试验研究和试验验证，并根据我国唐山响嘡场地影响观测台阵记录、日本强震观测台网KiK-net记录进行了工程验证分析，部分研究成果应用于实际工程结构抗震分析和软土场地震陷分析的基岩设计地震动输入。研究表明，本项目建立的工程场地基岩地震动三维非线性反演方法，因考虑了地震波的真实传播过程，修正了传统一维反演方法存在的不足，显著提高了反演计算的精度；本项目建立的工程场地基岩地震动三维非线性反演方法，得到了我国和日本多个实际强震观测记录的验证，可以直接应用于实际工程分析。本项目研究成果成功解决了工程场地基岩地震动三维非线性反演问题，建立了工程场地基岩地震动三维非线性反演的理论和方法，具有重要的科学意义和工程价值。