SV波全反射作用下地震動的合成及振動特性

范留明　楊猛

摘要： 越來越多的研究表明來自基巖的地震波并不是垂直地面向上傳播的。地震波在斜入射與垂直入射時所產(chǎn)生的場地效應有很大不同，由于存在全反射現(xiàn)象，SV波在斜入射時產(chǎn)生的場地效應更為復雜。文章基于均勻彈性半空間地震波傳播理論，分別推導得到SV波入射角在小于、大于等于臨界角時地震動的計算表達式，通過模型算例研究SV波全反射作用下的地震動特性。研究發(fā)現(xiàn)：由SV波產(chǎn)生的地震動主要由入射波和反射波構成，滑行波作用可以忽略;地面運動軌跡具有面波旋轉(zhuǎn)振動特點;隨著入射角的增大，地面震動從以水平方向振動為主逐漸過渡到以垂直方向振動為主，兩個方向的振動均小于入射波峰值的2倍。

關鍵詞： SV波; 臨界角; 反射系數(shù); 滑行波; 振動特性

中圖分類號： TU435文獻標志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0910-07

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220206001

Synthesis and vibration characteristics of ground motionsunder the excitation of total reflected SV waves

FAN Liuming1，2 ， YANG Meng1

Abstract：? Research has shown that the propagation direction of seismic waves from bedrock is not perpendicular to the ground surface. The site effect generated by obliquely incident seismic waves is quite different from that generated by vertically incident seismic waves. The site effect under obliquely incident shear vertical （SV） waves is more complicated than that under vertically incident SV waves on account of the existence of total reflection. In this study， a set of mathematical expressions of ground motions was derived based on the theory of homogeneous elastic half－space seismic wave propagation when SV incident angles were less than， greater than， or equal to the critical angle. The mathematical expressions were then applied to a model example to calculate and analyze the ground motion characteristics under the excitation of total reflected SV waves. The results show that the ground motions generated by SV waves are mainly composed of incident and reflected waves， and the effect of sliding waves could be ignored. The ground motion trajectory exhibits the characteristics of rotational vibration of surface waves. With the increase in the incident angle， the ground horizontal vibration gradually decreases， whereas the ground vertical vibration gradually increases， but neither of them is greater than twice the peak value of the incident wave.

Keywords： SV waves; critical angle; reflection coefficient; sliding wave; vibration characteristics

0 引言

在工程抗震設計中，通常假定來自基巖的地震波是垂直地面向上傳播的體波。隨著人們對地震波認識的不斷深入，越來越多的研究表明地震波并不總是垂直向上入射的。Jin等［1］通過對美國部分地震動記錄的分析指出近場條件下地震波平均入射角和標準差為56.78°±6.77°。Takahiro［2］根據(jù)日本Sendai處的近場強震記錄，反演得出地震波在近地表處的入射角變化范圍為12.4°～54.1°，入射角平均值為38°。顯然，地震波在斜入射時對地表建筑的影響與垂直入射時的情形有所不同［3－5］，而且地震SV波斜入射引起的地震動比P波更為復雜，這是因為傳播至地面的SV波在入射角大于臨界角時發(fā)生全反射現(xiàn)象，并衍生出來沿著地面滑行、在垂直地面深度方向衰減的非均勻波。

目前對斜入射SV波的研究方法大致可分為數(shù)值法和解析法兩大類：前者主要用于解決斜入射SV波作用下特殊地形或隧道［6－7］、大壩等復雜工程［8－12］的地震響應問題，由于此類研究考慮的問題難度較大，故很少涉及入射角大于臨界角的情況;而后者則多用于探討彈性半空間、水平成層場地等簡單模型［13－15］的地震響應問題，其中部分研究內(nèi)容已經(jīng)涉及SV波的跨臨界入射問題［16－18］，但是對于斜入射SV波發(fā)生全反射情況還沒有開展專題研究。

為此，本文基于無限大均勻彈性半空間傳播模型，應用地震波理論分別推導SV波入射角在小于、大于等于臨界角情況下的場地震動的理論計算表達式，據(jù)此研究全反射SV波作用下的地震動特性。

1 SV波斜入射場地模型

1.1 SV波在地面處的反射

SV波入射至地面處的反射模型如圖1所示，圖（a）、（b）分別對應SV波入射角β小于、大于等于臨界角βc兩種情況，其中βc由下式確定：

式中：vP、vS分別是地層的縱波速度、橫波速度。

由圖1可見，由于地面的反射作用，傳播至地面處的SV波產(chǎn)生兩類反射波：一類是同類型的反射SV波，反射角用β表示，其值等于入射角;另一類是轉(zhuǎn)換反射P波，反射角用α表示。當β<βc時，反射SV波、反射P波分別沿著與oz軸成β角、α角方向向背離地面的深處傳播［圖1（a）］;當β≥βc時，SV波發(fā)生全反射現(xiàn)象，在這種情形下，反射SV波的傳播方向與β<βc時相同，但是反射P波卻轉(zhuǎn)變?yōu)檠氐孛鎮(zhèn)鞑サ姆蔷鶆虿ǎ蹐D1（b）］。

1.2 反射波與入射波的關系

假定入射SV波及其產(chǎn)生的反射SV波、反射P波的時程函數(shù)分別為fsi（t）、fss（t）和fsp（t），則

式中：Rss和Rsp分別是反射SV波和反射P波在自由面處的反射系數(shù);t是時間。

同樣的，在頻率域反射波與入射波之間仍存在如下關系：

式中：Fsi，F(xiàn)ss和Fsp分別是fsi，fss和fsp的傅里葉頻譜，計算表達式如下：

式中：ux和uz分別是水平和垂直地震動時程。

3.2 β≥βc時的地震動時程

（1） 反射波

如圖1（b）所示，SV波在β≥βc與β<βc時有很大不同。在這種情況下，反射系數(shù)可能不再是實數(shù)，反射波時程需要在頻率域進行計算，其計算表達式可寫成如下形式：

對比式（10）和式（16）可知，SV波在β<βc和β≥βc兩種情況下的地震動計算方法有很大不同。前者可以直接在時間域內(nèi)進行計算，相應的表達式最終可寫成某一實系數(shù)與入射波的乘積形式，如式（11）;后者則需要在頻率域進行計算，其表達式不能寫成某一實系數(shù)與入射波的乘積形式，如式（16）。由此表明，在β≥βc情況下，SV引起的反射波不僅有大小的變化，還存在相位的變化。

4 SV波引起的地震動計算

4.1 計算步驟

根據(jù)上述討論可知，由SV波產(chǎn)生的地震動時程的計算大致可概括為以下幾個步驟：

（1） 選擇入射波時程fsi和持續(xù)時間。

（2） 確定地層縱波速度vP和橫波速度vS。

（3） 確定入射角β和臨界角βc。

（4） 據(jù)式（6）計算反射系數(shù)Rss和Rsp。

（5） 據(jù)角β和βc的大小關系，選擇計算地震時程的方法：如果β<βc，采用式（10）計算地震時程;否則，則采用式（16）。

（6） 計算得到地震時程。

需要說明的是：上述計算方法及計算步驟可以用于計算地震位移、速度和加速度，具體類型完全由入射波決定。如果沒有特別說明，本文所提到的地震時程是指位移時程。

4.2 模型算例

選用Ⅱ類場地，取密度、剪切模量、泊松比分別為1 750 kg/m3、92.1 MPa、0.29，相應的縱波和橫波的速度分別為562 m/s和229 m/s，SV波的臨界角為32.946 2°。

入射波采用墨西哥帽函數(shù)：

式中：u0=1 cm;t0=0.25 s;σ=0.04。入射SV波的位移時程及傅里葉譜如圖3所示。

為了便于對比分析SV波發(fā)生全反射前后的地震動時程特征，考慮入射角β<βc和β>βc兩種情形，取入射角分別為30°和34.65°，按照4.1節(jié)計算步驟，計算結(jié)果如圖4所示。其中，圖4（a）是β=30°時的水平和垂直位移時程，圖4（b）是β=34.65°時的水平和垂直位移時程。

5 全反射SV波的地震動特性

5.1 地震動的振動方向

由圖4可見，盡管β=30°與β=34.65°時的角度值都接近SV波的臨界角βc，且兩者數(shù)值相差不大，但兩者所對應的位移時程卻有顯著區(qū)別：前者的水平位移時程與垂直位移時程雖然大小不同，但形狀相同;后者的水平位移時程與垂直位移時程不僅大小不同，形狀也不相同。

為了便于分析上述兩種情況地震動的偏振特性，繪制了β=30°與β=34.65°時質(zhì)點振動軌跡圖（圖5）。圖中橫軸表示水平位移，縱坐標為垂直位移，軌線上一點表示質(zhì)點某一時刻在xoz平面上的位置。由圖5（a）可見，當β=30°時，水平方向比垂直方向振動大，地震動為線性振動，表現(xiàn)為體波振動特征;由圖5（b）可見，當β=34.65°時，水平方向與垂直方向的振動接近，地震動為旋轉(zhuǎn)振動，表現(xiàn)為面波振動特征。

5.2 地震動中的滑行波

當β≥βc時，SV波發(fā)生全反射，并衍生出沿地面?zhèn)鞑サ腜波，這些波相互疊加形成地面滑行波，成為水平地震動的一部分。對于無限大空間，可根據(jù)式（13）計算滑行波。

圖6是β=34.65°時的滑行波時程。由圖可見，地面滑行波時程的形狀復雜，表明SV波發(fā)生全反射會導致地震波形產(chǎn)生較大畸變，但是相對于地震動時程其值很小。例如，當β=34.65°時，滑行波時程的最大值為0.052 891 cm。

圖7是滑行波峰值（絕對值）與入射角關系圖。由圖可見，當入射角小于臨界角時，由于沒有發(fā)生全反射，其峰值為0;在臨界角附近得到其最大值，約等于0.064 cm。

由此可見，滑行波能量相對較小。在譯著《地震波的生成與傳播》［19］6.5.3.4能量方程一節(jié)指出，當入射SV波發(fā)生全反射時，反射P波理論上不攜帶能量，其能量與反射SV波相比很小，可以忽略不計。因此在計算地震動時可忽略地面滑行波作用，從而將式（16）簡化為如下形式：

5.3 場地效應與入射角的關系

為了便于分析地震動與入射角之間的關系，繪制了地震位移時程峰值up（絕對值的最大值）與入射角關系圖（圖8），圖中upx、upz分別表示up的水平和垂直分量。

由圖8可見，upx、upz隨β的變化總體上呈現(xiàn)此消彼長的關系：

（1） 當β=0～30°時，upx約等于入射波峰值的2倍，且隨β的增大略有減小;upz則隨β的增大略有增大，最大值接近1。

（2） 當β=βc 時，upx達到最大值，約等于入射波峰值的4倍，表明水平振動在臨界角附近非常強烈;而upz則接近于0。

（3） 當β>βc時，upx小于入射波峰值的2倍，隨β增大迅速減小，約在34.65°時與upz相等，在45°處達到最小值;upz隨β增大而增大，且β>34.65°時，upz>upx，其最大值也小于入射波峰值的2倍。

6 結(jié)論

本文基于均勻各向同性彈性半空間模型，開展了對斜入射SV波所引起的地震動計算方法的研究，計算分析了地震動與入射角的關系，據(jù)此得到由全反射SV波引起的地震動的特點：

（1） 由全反射SV波引起的地震動時程通常需要在頻率域計算得到。

（2） 由反射P波相互疊加形成的地面滑行波能量相對較小，其場地效應可以忽略。

（3） 地面質(zhì)點運動軌跡不是線性往復振動，而是具有面波特點的旋轉(zhuǎn)振動。

（4） 在臨界角附近，地面水平方向振動隨入射角的增大急劇減小，且隨著入射角的增大，地面震動從以水平方向振動為主逐漸過渡到以垂直方向振動為主。

（5） 無論水平方向振動還是垂直方向振動，其振動大小均小于入射波峰值的2倍。

上述結(jié)論僅適用于均勻各向同性彈性半空間地層情況。對于非均勻復雜地層場地，其地震動特點還需要進一步研究證實。

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（本文編輯：趙乘程）