近斷層地震動(dòng)方向性效應(yīng)及超剪切破裂研究

胡進(jìn)軍

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

近斷層地震動(dòng)方向性效應(yīng)及超剪切破裂研究

胡進(jìn)軍

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

近斷層地震動(dòng)是造成近斷層區(qū)工程結(jié)構(gòu)破壞的重要因素，近斷層地震動(dòng)的特征受到諸多因素的影響，其中斷層破裂傳播的方向性是影響近斷層地震動(dòng)及其分布特征的關(guān)鍵因素之一。方向性效應(yīng)的影響因素眾多，比如斷層破裂的速度、破裂的方向、斷層的傾角、震源的深度、破裂的模式、破裂起始位置以及斷層面上的局部震源參數(shù)等。但是這些參數(shù)是如何影響方向性效應(yīng)的呢?特別是一般認(rèn)為斷層的破裂速度接近于剪切波傳播速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的方向性效應(yīng)，但是當(dāng)破裂速度超過(guò)剪切波傳播速度時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生方向性效應(yīng)?如果存在，又會(huì)對(duì)近斷層地震動(dòng)的特征產(chǎn)生如何影響?為了回答這些問(wèn)題，本研究首先分析了方向性效應(yīng)的相關(guān)概念，接著采用數(shù)值方法模擬了各種震源相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)方向性效應(yīng)的影響，并且對(duì)模擬結(jié)果和實(shí)際近斷層強(qiáng)地震動(dòng)的方向性特征進(jìn)行了分析，最后專(zhuān)門(mén)研究了地震破裂過(guò)程中的超剪切破裂現(xiàn)象及其對(duì)近斷層地震動(dòng)方向性效應(yīng)的影響。研究時(shí)分別從地震動(dòng)的加速度、速度和位移三方面，系統(tǒng)地分析了其三分量的峰值、頻譜和持時(shí)特征，研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:

(1)論述了方向性效應(yīng)的相關(guān)概念和影響因素，分析了方向性效應(yīng)與破裂傳播效應(yīng)以及多普勒效應(yīng)之間的區(qū)別與聯(lián)系。研究表明:①經(jīng)典的多普勒效應(yīng)或所謂的多普勒頻移，一般是指由單一頻率的波源產(chǎn)生的一列波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于波源與觀(guān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置的改變引起的單位時(shí)間內(nèi)觀(guān)測(cè)點(diǎn)接受到的波的個(gè)數(shù)的改變，而且波在傳播過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)疊加和干涉現(xiàn)象。②斷層的破裂傳播效應(yīng)不能等同于簡(jiǎn)單的移動(dòng)源效應(yīng)或多普勒效應(yīng)，因?yàn)樵跀鄬拥钠屏堰^(guò)程中，斷層面上的點(diǎn)有一定的滑動(dòng)時(shí)間繼續(xù)振動(dòng)產(chǎn)生地震波，因而波源不止一個(gè)，即多波源產(chǎn)生的相同或者相近頻率的波在觀(guān)測(cè)點(diǎn)處的疊加和相長(zhǎng)干涉。③ 從實(shí)際強(qiáng)震觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的角度來(lái)分析，由于地震斷層破裂過(guò)程的復(fù)雜性，很難產(chǎn)生與多普勒效應(yīng)和移動(dòng)源效應(yīng)中類(lèi)似的頻移現(xiàn)象。

(2)基于選取的集集地震強(qiáng)震記錄，系統(tǒng)地分析了方向性效應(yīng)對(duì)近斷層地震動(dòng)的峰值、反應(yīng)譜和持時(shí)的影響。研究表明方向性效應(yīng)對(duì)近斷層地震動(dòng)的峰值、反應(yīng)譜和持時(shí)的強(qiáng)度以及分布有重要的調(diào)制作用，具體表現(xiàn)為:①方向性效應(yīng)使得破裂前方的峰值增大，使破裂后方的峰值減小。②方向性效應(yīng)對(duì)反應(yīng)譜的2.0 s以后的中長(zhǎng)周期段影響更加明顯，并且隨著周期的增大，方向性效應(yīng)越來(lái)越顯著。③方向性效應(yīng)使得破裂前方的能量持時(shí)減小，破裂后方的能量持時(shí)增大。④方向性效應(yīng)對(duì)斷層垂直分量影響最大，斷層平行和豎向分量次之。⑤方向性對(duì)加速度、速度和位移地震動(dòng)的影響依次增大，即方向性效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)影響顯著。

(3)數(shù)值模擬了各種斷層模型下的近斷層地震動(dòng)，分析了震源深度、破裂起始點(diǎn)位置、破裂速度(常破裂速度和變破裂速度)、斷層的傾角以及雙側(cè)破裂等震源相關(guān)參數(shù)對(duì)方向性效應(yīng)的影響。以下分別說(shuō)明:

(a)方向性效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)峰值、反應(yīng)譜和持時(shí)影響的基本特征:①方向性效應(yīng)使得斷層破裂前方和破裂后方的地震動(dòng)峰值有極不對(duì)稱(chēng)的分布，在破裂前方的很大區(qū)域內(nèi)由于地震輻射的能量在很短時(shí)間內(nèi)幾乎同時(shí)到達(dá)，使得地震動(dòng)峰值較大，反應(yīng)譜譜值較高，能量持時(shí)較低;而在破裂后方，由于輻射的地震波依次到達(dá)，使得能量分布比較均勻，因此地震動(dòng)的峰值較小、反應(yīng)譜值較低，能量持時(shí)較小。②方向性效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)的不同分量的影響不同，垂直于斷層(FN)的分量受到方向性效應(yīng)影響和控制最為顯著，而平行于斷層(FP)和豎向(UP)分量受到的影響相對(duì)較小。③方向性效應(yīng)使得沿?cái)鄬幼呦虻钠屏亚胺接忻黠@的“顯著影響區(qū)域”，不同分量的顯著影響區(qū)域不同，對(duì)于FN分量，其顯著影響區(qū)域可從斷層末端到達(dá)3倍的斷層長(zhǎng)度距離范圍;而對(duì)于FP和UP分量，其顯著影響區(qū)域則明顯小于FN分量，約從斷層的中段到斷層的末端或不超過(guò)1.5倍的斷層長(zhǎng)度的范圍。

(b)震源深度對(duì)方向性效應(yīng)的影響:①隨著震源深度的增加，地震動(dòng)的峰值降低，但是通過(guò)對(duì)不同震源深度情況下峰值、頻譜和持時(shí)參數(shù)的分析表明，雖然隨著震源深度的增加地震動(dòng)的峰值降低了，但是破裂的前方和后方的地震動(dòng)的差異依然存在并且比較明顯。②隨著震源深度的增加，方向性效應(yīng)的顯著影響區(qū)域逐漸向破裂前方移動(dòng)。③隨著震源深度的增加方向性顯著影響角逐漸增大，也就是說(shuō)，受到方向性效應(yīng)影響的范圍擴(kuò)大了，但是其影響的地震動(dòng)強(qiáng)度并沒(méi)有增大。

(c)斷層的破裂起始位置對(duì)方向性效應(yīng)的影響:①破裂起始點(diǎn)越靠近地表，地震動(dòng)的峰值越大，而且破裂起始點(diǎn)的位置對(duì)地震動(dòng)的加速度影響最大，對(duì)速度和位移的影響次之。②斷層的破裂起始點(diǎn)位置對(duì)地震動(dòng)的FN分量的峰值影響較大，即隨著初始破裂位置的下移，地震動(dòng)FN分量的峰值降低，但是初始破裂點(diǎn)的位置對(duì)FP和UP分量的影響很小。③隨著破裂初始位置的下移，各觀(guān)測(cè)點(diǎn)的各周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜譜值降低，但是其沿破裂方向的變化趨勢(shì)沒(méi)有改變，也就是說(shuō)斷層的初始破裂位置對(duì)反應(yīng)譜沿破裂方向的方向性特征影響不大。④初始破裂位置的變化對(duì)持時(shí)的影響不大，不同破裂起始位置的持時(shí)均在破裂前方的方向性顯著影響區(qū)域較小且很接近，而后隨著破裂起始位置的下移持時(shí)略有增大。

(d)不同破裂速度對(duì)方向性效應(yīng)的影響:①隨著破裂速度逐漸接近于剪切波速，在破裂前方的一定區(qū)域內(nèi)，地震動(dòng)的峰值增大，反應(yīng)譜值增大，持時(shí)略有下降。此區(qū)域與不同的分量有關(guān)，對(duì)于FN分量，此顯著影響的區(qū)域可達(dá)到3倍的斷層長(zhǎng)度的距離，而對(duì)于FP和UP分量，其顯著影響區(qū)域一般要小于1.5倍的斷層長(zhǎng)度。②破裂速度對(duì)地震動(dòng)的加速度、速度和位移的影響比較相似，而且不同破裂速度下的顯著影響區(qū)域并沒(méi)有太大差別。

(e)斷層的傾角對(duì)方向性效應(yīng)的影響:由于受到震源剪切錯(cuò)位的輻射模式的影響，使得與斷層面上滑動(dòng)方向垂直的分量上的地震動(dòng)明顯大于其它兩個(gè)方向，因而當(dāng)斷層傾角越大時(shí)，與斷層面上滑動(dòng)方向垂直的地震動(dòng)越接近于地表的FN分量，因此FN分量的方向性效應(yīng)越明顯;當(dāng)傾角越小時(shí)，與斷層面上滑動(dòng)方向垂直的地震動(dòng)越接近于地表的UP分量，因此UP分量的方向性效應(yīng)越明顯。

(f)變破裂速度(非均一的破裂速度)對(duì)方向性效應(yīng)的影響:①變化的破裂速度也能產(chǎn)生方向性效應(yīng)，但是與常破裂速度相比，變破裂速度引起的方向性效應(yīng)的峰值要明顯小于常破裂速度。②變破裂速度使得在斷層末端到破裂后方的觀(guān)測(cè)點(diǎn)的各周期的反應(yīng)譜值均大于均一的破裂速度情況下的值;而在斷層末端到破裂前方的廣大范圍內(nèi)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的各周期的反應(yīng)譜值均小于均一破裂速度情況下的值。③常破裂速度和變破裂速度都會(huì)產(chǎn)生方向性效應(yīng)，但是變破裂速度情況下破裂前、后方的持時(shí)差異比常破裂速度時(shí)的小;而且，一般說(shuō)來(lái)，除了FN分量的破裂后方的觀(guān)測(cè)點(diǎn)外，同一觀(guān)測(cè)點(diǎn)在常破裂速度下的持時(shí)要小于變破裂速度情況下的持時(shí)。

(g)雙側(cè)破裂方向性效應(yīng)分析:①雙側(cè)破裂對(duì)FN和FP、UP分量的影響不同，對(duì)于FN分量，隨著震中距的增大，在斷層長(zhǎng)度范圍內(nèi)的地震動(dòng)峰值逐漸增大，并且在斷層的末端峰值逐漸下降，但是靠近斷層的觀(guān)測(cè)點(diǎn)的峰值最大。對(duì)于FP分量，觀(guān)測(cè)點(diǎn)越靠近震中峰值越大，并且隨著震中距的增加峰值逐漸減小。②雙側(cè)破裂時(shí)反應(yīng)譜以破裂開(kāi)始點(diǎn)為中心，在兩個(gè)破裂方向分別出現(xiàn)方向性效應(yīng)，使得在破裂末端區(qū)域的地震動(dòng)的反應(yīng)譜譜值加大，但是相比而言，方向性效應(yīng)對(duì)FN分量反應(yīng)譜的影響更為明顯，并且在破裂的方向上，F(xiàn)N分量要比FP和UP分量衰減慢得多。③方向性效應(yīng)對(duì)于不同分量的持時(shí)影響程度不同，并且持時(shí)場(chǎng)的空間變化很復(fù)雜。

(4)引入了超剪切破裂的概念，從實(shí)際地震觀(guān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及理論和數(shù)值模擬方面給出了地震超剪切破裂的證明，并簡(jiǎn)述了超剪切破裂產(chǎn)生的原因。通過(guò)數(shù)值方法模擬了不同超剪切破裂速度下的近斷層地震動(dòng)，分析結(jié)果表明:超剪切破裂也能產(chǎn)生方向性效應(yīng)，但是超剪切破裂引起的方向性效應(yīng)與常規(guī)破裂速度(即破裂速度小于剪切破裂)時(shí)有不同的特點(diǎn):①在峰值方面，超剪切破裂速度的變化對(duì)地震動(dòng)三分量的影響不同。對(duì)于FN分量，隨著超剪切破裂速度的增大，地震動(dòng)的峰值逐漸減小，而且顯著影響區(qū)域也逐漸減小，并且隨著超剪切破裂速度的增大，方向性顯著影響角逐漸增大;對(duì)于FP和UP分量，隨著超剪切破裂速度的增大，地震動(dòng)的峰值并沒(méi)有減小，反而有增大的趨勢(shì)，但顯著影響區(qū)域逐漸減少，方向性顯著影響角逐漸增大。另外，隨著超剪切破裂速度的增大，F(xiàn)N分量峰值大于FP分量峰值的觀(guān)測(cè)點(diǎn)逐漸減少。②在反應(yīng)譜方面，對(duì)于FN分量，隨著超剪切破裂速度的增大，反應(yīng)譜的譜值逐漸減小;但是對(duì)于FP和UP分量，隨著超剪切破裂速度的增大，其反應(yīng)譜卻出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。③在持時(shí)方面，對(duì)于FN分量，隨著超剪切破裂速度的增大，破裂前方的持時(shí)顯著影響區(qū)域在逐漸減少，并且破裂前方的持時(shí)值逐漸增大，破裂后方的持時(shí)值逐漸減少，但是破裂后方的持時(shí)仍然大于破裂前方，并且根據(jù)斷層距不一樣，相差的程度也不相同;對(duì)于FP和UP分量，隨著超剪切破裂速度的增大，破裂后方的持時(shí)變化不大，但是破裂前方的變化顯著，明顯不同于FN分量的就是，隨著超剪切破裂速度的增大，破裂前方的持時(shí)逐漸增大，甚至超過(guò)了破裂后方的持時(shí)。

(5)簡(jiǎn)述了汶川地震的震源參數(shù)、斷層模型和烈度分布的特點(diǎn)，分析了汶川地震的近斷層地震動(dòng)方向性特征，并從房屋震害和人員傷亡的分布特征間接佐證了方向性效應(yīng)。研究表明:①在峰值方面，破裂前方場(chǎng)點(diǎn)的峰值要比破裂后方的大，而且隨著斷層距的增大，破裂前方和后方的差距逐漸減小。②在反應(yīng)譜方面，破裂前方場(chǎng)點(diǎn)的平均反應(yīng)譜顯著高于破裂后方的平均反應(yīng)譜，并且當(dāng)周期大于2 s時(shí)，破裂前、后的譜比最高可以達(dá)到4倍左右。③在持時(shí)方面，破裂后方場(chǎng)點(diǎn)的持時(shí)明顯大于破裂前方的，差別可達(dá)2—4倍。最后，通過(guò)工程震害和人員傷亡特征佐證了此次地震的破裂方向性效應(yīng)。

近斷層地震動(dòng)特征;方向性效應(yīng);超剪切破裂;顯著影響區(qū)域

TU435;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.017