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基于合成地震动的2014年鲁甸MS6.5地震场地效应分析*

更新时间:2016-07-05

0 引言

2014年8月3日16时30分,云南省昭通市鲁甸县发生MS6.5地震,该地震造成鲁甸县及其周边地区严重的人员伤亡和工程结构破坏。位于云南和四川省的80多个强震台获取了主震的强震动记录。震中距约36 km的迤车强震台,其强震动记录最大峰值加速度为88.2 gal。而震中距约4.4 km的龙头山强震台,其强震动记录最大峰值加速度达948.5 gal,此记录是我国在极震区内获取的最大地面峰值加速度(崔建文等,2014)。

梨友一来,情势就变了。原本胡人把桂州城四面围住,梨友一来,把北边的军队撤了回来,意思是我给你们一条生路,你们要逃就逃吧。

地震所产生的强地面运动是导致构筑物地震破坏的主要原因。强震动主要受震源、传播路径、场地因素的影响。震源动力学反演结果显示,鲁甸MS6.5地震属于高应力降的浅源地震,断层破裂接近地表,是产生较高地面峰值加速度的因素之一(刘成利等,2014;张振国等,2014;张勇等,2014)。龙头山镇在此次地震中人员伤亡最多,构筑物破坏最严重。钻孔与物探结果显示,其场地存在一洪积扇,土层较为软弱,局部场地效应加重了震害(庞卫东等,2016)。

如何能真实可靠地估算此次地震的场地效应,为重建工作提供可靠的建议,是需要关注的问题。本文采用能反映地震震源特性与地震动传播特点的随机有限断层法,合成此次地震中迤车与龙头山2类典型场地的地震动时程。将合成的龙头山强震台基岩地震动时程作为输入地震动,进行场地土层等效线性化,分析此次地震中龙头山强震台的场地效应。最后结合龙头山镇的场地情况与代表性建筑物的自振特征,进一步探讨此次地震产生重大伤亡的原因。

1 随机有限断层法合成地震动

随机有限断层法是一种广泛应用的地震动合成方法。其基本原理是将大断层划分为数个小断层,将小断层看作点源模型,计算每一个点源在目标场点的地震动,考虑位错上升时间与破裂时间对于加速度时程的延迟,累加所有子断层在场点的地震动,得到整个断层在场点的地震动,其方向与模拟目标发震断层走向一致(Boore,1983;Motazedian,Atkinson,2005)。王国新和史家平(2009)、崔建文等(2008)和王俊等(2012)分别利用随机有限断层法合成了汶川地震、2001年云南永胜M6.0地震、1979年江苏溧阳M6.0地震的地震动时程。结果表明,随机有限断层法较好地反映了震源的主要特征,适用于中等强度及以上地震的地震动合成。

1.1 震源参数计算

又过了几天,他完全冷静了下来,他开始确信那一切都是虚幻的梦。自己滑翔时屡遇险境,心脏和大脑都紧张惊恐到了极点,在强烈的刺激下,自己出现了幻觉。那些令人费解的事物,都是自己的大脑虚构出来的,毕竟,除了头脑中的记忆,自己没有任何一件东西,能够证明他们出现过。

利用随机有限断层法合成地震动时,断层面积S与震级M的经验关系为(王国新,史家平,2009):

问题10 若函数f(x)在区间[a,b]上的图象是连续不断的一条曲线,且满足f(a)·f(b)>0,则函数f(x)在区间(a,b) 内有零点吗?

四名领虎者服饰相同,均头扎黄头巾,身穿黄色对襟上衣,腰系紫或黑色四喜带,也可系一条红绸子,脚穿白球鞋或黑圆口布鞋。

(1)

将合成的龙头山强震台基岩地震动作为输入地震动,采用等效线性化法,分析了龙头山强震台的场地非线性效应。结果显示,该场地在此次地震中存在显著的非线性效应。其主要表现为土层等效剪切波速降低,对于周期在0.08~5 s范围内的地震动存在较强的放大作用。龙头山强震台的场地卓越周期Tg约为0.41 s(图7),正好处于放大周期范围内,使得实际地面运动被放大。这是导致龙头山地区震害加重的场地因素,同时,也是强震动记录反应谱平台较宽的原因之一(图5)。

(1)色谱条件:XbridgeTM-C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);填充剂为十八烷基硅烷键合硅胶;流动相为乙腈-0.5%氨水,梯度洗脱:0~45 min,30%~60%乙腈;45~80 min,60%~80%乙腈;80~120 min,80%乙腈;体积流量0.5 mL/min;检测波长235 nm;柱温30 ℃;进样量20 μL。理论塔板数按乌头碱计算应不低于6 500。

子断层尺度与震级的经验关系式为(崔建文等,2008):

lgΔL=-2+0.4M

(2)

从(2)式可得,ΔL=3 km,沿断层走向与倾向划分的子断层个数分别为:NL=6,NW=4,子断层总数为24。

学习控制的目的是寻找适当的学习律, 使得迭代学习序列yk(x,t)逐点一致收敛于理想的输出yr(x,t),即:

已知子断层尺度(ΔL),应力降(Δσ),则子震所释放的地震矩计算公式为:

MEσ·ΔL3

在不考虑局部场地效应的情况下,利用随机有限断层法,合成龙头山强震台基岩场地地震动。比较基岩合成值与沿断层走向地震动反应谱(图3a、b)发现,在周期小于2 s的部分,合成地震动加速度反应谱值远小于观测值(图3d)。由于该强震台站场地存在厚度约26 m的土层,需考虑该土层对于地震动的影响。

(3)

从式(3)可得,ME=7.56×1016 N·m。子震个数按照下式计算:

(4)

式中:M0为大震所释放标量地震矩;ME为每个子断层作为子震破裂时释放的地震矩。

从(4)式计算得子震个数为26,子震数量大于子断层数量,说明个别子断层发生过多次破裂。子断层的划分与滑移分布情况如图1所示。

图1 子断层划分及其滑移分布(方格代表 子断层,数值为其滑移量,单位:m) Fig.1 Sub-fault division and its slip distribution in finite fault model(the grid represents the sub-fault, and the number is the slip,unit:m)

地震动路径持时和几何扩散采用Beresnev和Atkinson(1998)提出的模型:

多普勒血流仪检测肠黏膜血流量。单次照射3 d后,戊巴比妥(50 mg/kg)麻醉大鼠,开腹后,暴露肠黏膜,多普勒血流仪红外探头检测肠黏膜血流量,45 s仪器自动输出读数,以数码信号BPU间接表示血流量值。

(5)

(6)

式中:P(R)为路径持时模型; G(R)为几何扩散模型;R为震源距。

场地强震动观测记录包含2个水平分量(东西、南北向),将其旋转到沿断层走向和垂直断层走向的地震动(合成地震动方向沿断层走向)。

本研究通过比较口腔溃疡患者采用盐酸雷尼替丁胶囊与其联合双黄连口服液治疗的效果,结果显示,双黄连口服液联合盐酸雷尼替丁有效提升了治疗效果,患者临床症状改善更显著,同时缩短了症状消失时间及口腔溃疡愈合时间,且未明显增加不良反应发生率。这充分证实了联合用药的协同作用,体现出了其安全有效的应用价值[11-13]。

1 震源参数 Tab.1 Source parameters

震源参数数值矩震级MW(刘成利等,2014)6.1震中位置(103.37°E,27.08°N)断层走向和倾角/(°)162,86大断层尺度L×W/km218×12断层类型走滑型断层上界面深度h/km1大震标量地震矩M0/(N·m)(刘成利等,2014)1.97×1018应力降Δσ/bar(刘成利等,2014)28子断层尺度(ΔL×ΔW)2/km23×3子震个数(Ni×Nj)6×4子震个数26Kappa值(王晓荣等,2011)0.04Q值模型(苏有锦等,2006)Qf=199.6f0.440(R<10km)地震动路径持时0.16R(10≤R≤70km)-0.03R(70≤R<130km)0.04R(R≥130km)1/R(R≤70km)几何扩散模型1/R0(70130km)子震标量地震矩Me/(N·m)7.56×1016

1.2 台站参数

鲁甸地震发生时,分布于云南与四川省的80余个强震台获取了此次地震的强震动记录。

在进行乡村振兴的过程中,农民知道自己需要什么,因为乡村振兴的主体和最大受益者都是农民。因此,实施乡村振兴的过程也是了解农民致富意愿的过程。在实施的过程中应该提升农民的自主权,真正实现新农村的建设。

本文选取龙头山、迤车2个典型场地的强震台为研究对象,基于合成地震动和土层场地等效线性化的方法,比较分析龙头山强震台的局部场地效应,台站基本参数如表2所示。

2 台站参数 Tab.2 Station parameters

台站名称台站代码场地土类别迤车强震台053HYC基岩龙头山强震台053LLT土层

1.3 迤车强震台地震动合成

鲁甸地区S波品质因子采用苏有锦等(2006)提出的模型。震源及其他相关参数如表1所示。

利用表1、2所示的震源、台站参数,合成了迤车强震台的地震动时程(图2a、b)。比较基岩场地地震动(PGA为85.7 cm/s2)与沿断层走向地震动(PGA为87.6 cm/s2)可知,两者的最大峰值加速度相近。图2c所示,两者的加速度反应谱拟合程度也较高。迤车强震台地震动合成结果说明,表1中所选取的参数是合理的,且迤车强震台局部场地效应不强。因此,利用上述参数合成龙头山强震台基岩场地强震动,其结果也应是合理的。

夜间旅游的产生是市场供需共同作用的结果,进行合理的市场化开发,夜间旅游能够准确把握客源市场的需求状况。考虑到夜间旅游建设的高投入,在夜游开发之前,要进行科学全面的市场分析,保证旅游资源得到切实有效的利用,实现夜间旅游的可持续开发。再者,夜间旅游所需的照明、安全、交通设施不是市场所能调控的,因此,夜间旅游开发要遵循“市场运行、政府引导”的经济运行机制,政府推动、社会参与,依靠政府力量树立良好的城市夜游形象,倡导科学健康的夜间休闲消费观念。加强城市夜游立法建设,利用优惠政策吸引夜游开发商投入建设。因此,政策驱动城市夜游开发,市场调节与政府宏观调控结合是夜间旅游得以顺利进行的有效保障。

图2 迤车强震台观测记录(a)、合成 地震动(b)及二者反应谱比较(c) Fig.2 The strong motion observation(a),simulated ground motion(b)records at Yiche strong motion station and the comparison of response spectrums of these two records(c)

1.4 龙头山强震台基岩地震动合成

单一的技术能力不能够满足企业用人需求,例如:java方向、不仅有java的教学内容,还需要前端开发技术、数据库、设计模式与架构、高并发与分布式技术、数据结构域算法。无经验的开发者都没有任何竞争优势,因此教师课堂教学有必要让企业中的项目案例,让学生在学校就满足企业要求的项目实战经验。再者,学生多元化的学习需求倒逼单一讲授教学模式的淘汰,教师应从教学方法进行改革,探索提高“教”与“学”效率的教学模式,如探索MOOC新型在线教学模式。

图3 龙头山强震台沿断层走向强震动记录(a)、 基岩合成值(b)、等效线性化值(c) 及三者的反应谱比较(d) Fig.3 The strong ground motion along fault(a),the simulated bed rock value(b)equivalent linearization value(c) at Longtoushan strong motion station and the comparison of response seectrums these three records(d)

2 等效线性化法分析局部场地效应

当地震动超过一定阈值时(100~200 gal),土层场地会出现明显的非线性效应,其主要表现为土体的剪切波速降低、地震动峰值加速度降低、阻尼比升高、场地卓越频率降低(王伟,2008)。

土层等效线性化法是场地非线性效应分析的常用方法之一。其基本原理为:在总体动力学效应大致相当的意义上,用一个等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同应变幅值下的剪切模量和阻尼比,将非线性问题转化为线性问题,利用频域线性波动方法求解。当场地土层等效剪切波速变化率不足20%时,场地地震反应分析可不计入场地非线性效应(王伟等,2011)。龙头山场地存在厚度约26 m的覆盖层,且龙头山强震动峰值加速度远超上述阈值。根据上述条件初步判断,鲁甸MS6.5地震中,龙头山强震台土层场地应该存在场地非线性效应。

对于覆盖层厚度为H的场地,其场地卓越周期计算公式为:

(7)

式中:V为场地等效剪切波速,用下式表示:

V=d0/t

(8)

(9)

式中:d0为计算深度(m),取覆盖层厚度和20 m两者的较小值;di为第i土层厚度(m);vsi为第i土层剪切波速(m/s)。

由实际钻孔资料可得,龙头山强震台场地等效剪切波速vs=254 m/s,场地卓越周期Tg=0.41 s。由我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)场地分类标准确定,该场地属于Ⅱ类场地。

利用等效线性化法分析场地效应时,龙头山强震台的土层参数按照表3取值,土体动剪切模量比与动剪切阻尼比采用Darendeli(2001)模型。

3 龙头山强震台场地土层参数 Tab.3 Site soil parameters of Longtoushan strong motion station

序号土层名称深度/m厚度/m土层重度/(kN·m-3)剪切波速/(m·s-1)1杂填土3.23.2151852圆砾11.88.6192813砾砂26.017.4213194白云质灰岩30.04.024758

将合成的龙头山强震台基岩地震动作为输入地震动,假定场地土层为水平均匀层状,地震动输入位置为地下30 m的基岩处。经土层等效线性化后,得到土层地面强震动的等效线性化值(图3c)。一维土层线性反应分析中,软土层对地震动有着较强的滤波作用,因此经土层等效线性反应后,地震动最大峰值加速度较基岩输入地震动显著降低(王伟等,2011)。等效线性化加速度反应谱如图3d所示,从图中可见,等效线性反应后的地震动反应谱显著升高。土层等效线性化值与基岩输入地震动反应谱的比值如图4所示,在周期为0.08~5 s范围内,等效线性化值高于基岩输入地震动反应谱值,地震动被放大。土层等效线性化后得到的土层剪切波速值明显低于初始的钻孔剪切波速(图5)。综上所述,该场地在此次地震中存在较强的场地非线性效应(王伟等,2011)。

图4 龙头山强震台等效线性化值与 基岩地震动反应谱比值 Fig.4 The comparison of the equivalent linearization value and input ground motion response spectrum

图5 等效剪切波速与钻孔剪切波速比较 Fig.5 The comparison of equivalent shear wave velocity and borehole shear wave velocity

3 讨论与结论

利用能反映震源特点的随机有限断层法,合成了鲁甸MS6.5地震的地震动时程。选取迤车强震台、龙头山强震台作为目标台站,其中迤车强震台为基岩台,不考虑局部场地效应,龙头山强震台位于土层场地,考虑局部场地因素对于地震动的影响。将强震动水平观测记录转换为沿断层走向、垂直断层地震动,对比迤车强震台合成地震动与沿断层走向地震动发现,随机有限断层法合成的地震动与沿断层走向地震动拟合程度较高。这表明,所确定的震源参数与地震动传播路径参数是可靠的。

为了方便子断层的划分,本文取断层沿倾向的宽度W=12 km,结合(1)式与震源动力学的反演结果,取断层沿走向的长度L=18 km。

龙头山场地对于周期为0.4~0.6 s范围内的地震动放大作用最明显。由于我国中小城市主要建筑结构的自振周期处于0.3~1.0 s之间(冀昆等,2014),该场地对于这一周期范围内的地震动又存在最强的放大作用,所以此自振周期的建筑物震害最严重。

本文通过合成鲁甸MS6.5地震的地震动,比较合成地震动与沿断层走向强震动观测记录认为,随机有限断层法合成地震动较好反映了震源的主要特征,可应用于震害估计。同时,通过分析龙头山强震台的场地非线性效应,认为龙头山镇重建过程中,应充分考虑工程场地条件对地震动的放大作用,加强工程结构的抗震设防。

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3.加强安全教育工作。因为一些突发事件在发生之后就可能带来不可挽回的后果,对相关人员和学校带来十分严重的后果。因此,在预防工作上还需要加强对师生展开安全教育工作,将一些安全常识教育列入日常教育内容中。

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魏勇,崔建文,王秋良,沈雨忆
《地震研究》 2018年第01期
《地震研究》2018年第01期文献

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