荷載對形變觀測影響的定量計算

胡淑芳

（福建省地震局，福建 福州350000）

1 引言

地震預(yù)測的實現(xiàn)來源于地震前兆信息的觀測，地殼形變觀測手段是獲得地震前兆的主要途徑之一。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)，早些年地處偏遠(yuǎn)位置的地震臺站，現(xiàn)在已經(jīng)被城鎮(zhèn)包圍，地形變觀測不斷受到工程建設(shè)等方面的影響，如水庫蓄放水、建筑施工（樓房、廠房的建設(shè)以及土石方開挖等）和道路施工（道路開挖、路基填挖方）等，這些工程建設(shè)引起的干擾從根本上都可歸結(jié)為荷載對地形變觀測的影響[1-2]。作為地震預(yù)測工作者，當(dāng)?shù)貧ば巫冇^測出現(xiàn)異常時，就要對其異常屬性給出準(zhǔn)確科學(xué)的判定，而如何定量計算荷載對形變觀測量的影響值，對我們判斷形變異常是否為地震前兆異常是至關(guān)重要的。

2 ANSYS方法介紹

ANSYS有限元法是近似求解一般連續(xù)場問題的數(shù)值方法。近年來，ANSYS在形變觀測受荷載干擾的分析中逐漸開始應(yīng)用。ANAYS有2種操作方式，一個是直接用菜單進(jìn)行交互式操作，二是采用命令流的方式。本文采用命令流的方式進(jìn)行計算。處理流程如下：①建立形變場地的幾何結(jié)構(gòu)，確定其外界條件以及所受外力情況；②給建立的實體模型賦予單元類型及材料屬性等；③進(jìn)行網(wǎng)格劃分，直接或間接生成有限元網(wǎng)格；④施加邊界條件及載荷并進(jìn)行計算；⑤輸出并分析結(jié)果，如形變場的位移、應(yīng)力及應(yīng)變云圖等。

在實際建模過程中，楊氏模量、泊松比以及密度等介質(zhì)參數(shù)的設(shè)置要與研究場地的屬性基本吻合。此外，邊界條件的設(shè)定隨意性較大，需根據(jù)形變場地的實際情況綜合考量。

3 形變觀測情況

從2014-11開始，漳州洞體應(yīng)變東西分量數(shù)據(jù)曲線畸變，整體呈下降趨勢，其中下降最大幅度為5.6×10-6m，最小幅度為1.25×10-6m，如圖1所示。

圖1 漳州臺/洞體應(yīng)變觀測東西分量

在異常分析過程中，發(fā)現(xiàn)洞體上方偏南60 m寺廟施工，修筑水泥路，砌長度200～300 m，高度約20 m（五層樓）的擋土墻，修筑銅殿。路基擠壓方向EW向，對洞體EW嚴(yán)重影響。因此，須對這一干擾因素進(jìn)行定量分析。

4 ANSYS實現(xiàn)

基于ANSYS有限元方法，建立盡可能反映漳州洞體周邊真實構(gòu)造的三維有限元模型，并簡化為彈性問題[3]。設(shè)置場地模型尺寸為（1000×800×200）m3，場地介質(zhì)的楊氏模量E=1.8×1010Pa，泊松比υ=0.25，介質(zhì)密度ρ=2800 kg/m3。模型的邊界條件設(shè)為：寺廟施工堆積的土堆作用在Z軸正向，沿Y軸和Z軸負(fù)向施加位移載荷，其他地方自由。單位面積載荷為686000 N，堆積的土堆相當(dāng)于加載。部分命令流代碼如下：

5 結(jié)果分析

寺廟施工堆積的土堆載荷產(chǎn)生的位移場等值線分布如圖2所示。從圖中可以看出，整個土堆場產(chǎn)生的位移場基本呈對稱分布，土堆堆場區(qū)域中心處位移值最大，最大值為21.8×10-6m，但在水平方向和垂直方向迅速衰減。圖2中虛線表示伸縮儀所在位置，寺廟施工對伸縮儀的影響約為2.42×10-6m，與漳州洞體東西分量曲線實際的下降量相當(dāng)。

圖2 位移場等值線分布圖

因此，初步判斷2014-01—2015-03漳州洞體東西分量曲線持續(xù)下降是由于寺廟施工不斷推擠作用引起的，從2015-04開始，曲線逐漸平穩(wěn)，寺廟施工對此測項的影響結(jié)束。漳州臺/洞體應(yīng)變觀測東西分量曲線圖如圖3所示。

圖3 漳州臺/洞體應(yīng)變觀測東西分量曲線圖