載荷對(duì)地形變觀測(cè)干擾的數(shù)值模擬研究

馬 棟屈 曼侯曉真張 肖陳建國(guó)河北省地震局，石家莊 050021易縣地震臺(tái)，河北易縣 074211

載荷對(duì)地形變觀測(cè)干擾的數(shù)值模擬研究

馬 棟1）屈 曼1）侯曉真1）張 肖2）陳建國(guó)1）
1）河北省地震局，石家莊 050021
2）易縣地震臺(tái)，河北易縣 074211

現(xiàn)有異常核實(shí)過(guò)程中，在排除載荷對(duì)地形變觀測(cè)干擾方面，主要采用載荷變化時(shí)間與地形變異常時(shí)間對(duì)比分析等定性研究方法；目前很多臺(tái)站周?chē)h(huán)境受到工程建設(shè)影響加劇，在異常核實(shí)工作中對(duì)載荷干擾的定量分析的需求尤為突出；因此，在地形變異常分析和判定過(guò)程中，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行載荷對(duì)地形變觀測(cè)影響分析，從定量方面研究地形變的異常變化是否為載荷干擾所致。

以懷來(lái)臺(tái)伸縮儀為例，采用有限元數(shù)值模擬方法，計(jì)算形變山洞附近磚廠挖土造成的載荷變化對(duì)伸縮儀觀測(cè)的影響。懷來(lái)臺(tái)伸縮儀觀測(cè)自2010年開(kāi)始出現(xiàn)明顯的年變形態(tài)改變，由往年的W型年變形態(tài)轉(zhuǎn)為V型。對(duì)懷來(lái)形變山洞附近的挖土范圍進(jìn)行測(cè)量，得到挖土區(qū)以及形變山洞位置經(jīng)緯度和高程，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算出相對(duì)坐標(biāo)用于有限元數(shù)值模擬建模。西南側(cè)挖土區(qū)（挖土區(qū)邊界距形變山洞30 m），面積為1.904×104m2，挖土平均深度12 m，挖土量約為2.28×105m3；西北側(cè)挖土區(qū)（挖土區(qū)邊界距形變山洞40 m），面積為2.71×103km2，挖土平均深度12 m，挖土量約為3.25×104m3。

采用有限元數(shù)值模擬軟件Ansys中的Solid45單元進(jìn)行建模，該單元用于建立三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X，Y，Z三個(gè)方向的自由度；懷來(lái)臺(tái)巖性為花崗片麻巖，彈性模量E=5.2×104MPa，泊松比μ=0.17，比重ρ=2.8×103g/m3。建模范圍500 m×500 m，深度80 m；采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)度10 m；在模型底部和側(cè)面施加位移約束；按照挖土區(qū)的范圍施加面載荷。

對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算出挖土區(qū)載荷變化對(duì)整個(gè)建模區(qū)域等效應(yīng)變的三維等值線(xiàn)，懷來(lái)臺(tái)伸縮儀所在位置的應(yīng)變變化量已經(jīng)達(dá)到10-7（圖1）。為直觀地分析挖土區(qū)對(duì)應(yīng)變的影響程度，沿懷來(lái)臺(tái)伸縮儀EW分量的布設(shè)方位，對(duì)三維等值線(xiàn)進(jìn)行剖分，得到剖面處的二維的應(yīng)變等值線(xiàn)（圖2），分析認(rèn)為在伸縮儀觀測(cè)的位置，挖土的影響約為3.3×10-7。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)結(jié)果，懷來(lái)臺(tái)附近挖土?xí)r間段主要為2010—2012年，而2010—2012年懷來(lái)伸縮儀的年變與往年的年變有明顯的區(qū)別，往年年變形態(tài)為W型，該時(shí)段年變形態(tài)在谷底位置的倒V型已經(jīng)消失，統(tǒng)計(jì)EW分量消失的年變形態(tài)的幅度為4.2×10-7、NS分量消失的年變形態(tài)的幅度為2.5×10-7；由于挖土對(duì)懷來(lái)臺(tái)伸縮儀所在位置應(yīng)變影響的數(shù)值模擬結(jié)果與懷來(lái)臺(tái)伸縮儀年變消失的幅度基本接近，挖土?xí)r間與資料異常時(shí)段也較為一致，并且2013年磚廠停止挖土之后懷來(lái)臺(tái)伸縮儀年變形態(tài)逐步恢復(fù)。因此，懷來(lái)臺(tái)伸縮儀2010—2012年年變形態(tài)的改變主要是由于懷來(lái)臺(tái)附近磚廠大規(guī)模挖土造成的干擾。

圖1　挖土區(qū)對(duì)建模區(qū)域影響的應(yīng)變?nèi)S等值線(xiàn)圖

圖2 挖土區(qū)對(duì)建模區(qū)域影響的應(yīng)變等值線(xiàn)圖