地震波分析

地震波分析（精选十篇）

地震波分析 篇1

随着经济社会的发展, 现今各种高层建筑、异形建筑日益增多, 工程师采用时程分析法对结构进行抗震补充计算的需求越来越大。现行GB50011-2010《建筑抗震设计规范》 (以下简称《规范》) 对地震波的选取已给出一些规定, 但实际工作中还是存在工程师不知如何选取地震波的问题, 造成有些设计过于保守, 出现浪费, 有些设计结果差别较大、甚至有误, 不能起到对薄弱层、关键构件的设计施工加以指导的作用。由此可见, 合理有效地选取地震波, 不仅关系到结构的经济性而且还关系到结构的安全性, 是一项十分重要的工作。

1 时程分析选取地震波的原则

现行《规范》第5.1.2条、第5.5.3条对时程分析法的适用范围进行了规定。

地震波有较强的随机性, 地震动特性也受到多种因素的影响[2,3,4], 如震源机理、传播媒介、震中距、地震震级等。地震波的选取是为了反映地震作用, 体现地震所带来的后果, 研究表明, 建筑结构的地震破坏与地震波的峰值 (最大幅值) 、频谱、持时紧密相关, 工程界称之为地震波的三要素, 地震波的选取也应以这三要素为控制要素, 工程设计中, 我们需要选取与抗震设计规范相协调的“在统计意义相符”的地震波时程曲线, 常常为了弥补自然波的不足, 需要人工拟合地震波。

1.1 频谱特性

地震波频谱影响因素众多, 不仅与震源形成机制、震中距有关还与场地条件、传播介质等因素有关, 它反映了地震动不同频率简谐运动的构成。

现阶段的研究以及历次地震已经证明, 建筑结构的场地条件对地震波存在“滤波”的作用, 可通过场地特性来选择地震波, 就可以使得将来可能发生的地震与过去已发生的地震波记录具有了某些相似性。同时我们还需要对地震波依据场地特征周期进行频谱调整, 使得场地特征周期之内富含其频率成分[5]。

1.2 峰值调整

为了获得与相应地震动强度一致的结构抗震性能, 需要对地震波记录的强度幅值进行调整。地震动强度指标有多种, 目前日本就以PGV (地面峰值加速度) 作为强度指标, 有些学者用PGD (地面运动位移峰值) 作为指标来研究抗震, 大多数国家采用传统的PGA作为强度指标, 我国《规范》亦采用该方法。

在实际设计中, 不可能选取大量的地震波来进行计算, 可依据小样本容量下的计算数据对地震作用进行估算, 常用的做法为选取3组或7组有代表性的地震波[6], 依据地震类型、地震烈度确定时程分析所用地震加速度时程的最大值, 对地震波强度幅值进行调整, 按某一比例将地震波时程曲线数值统一放大或缩小, 以期达到峰值加速度与规范要求相同, 该调整对地震波的频谱特性没有太大影响。

1.3 地震波持时

地震波持时对结构动力影响尤其是弹塑性动力响应影响很大。汶川地震地震持时较长, 建筑结构的破坏也较大, 这与结构在地震动持续反复下更易发生疲劳损伤破坏是有关系的。从能量累计的角度看, 地震持续时间越长, 对结构的耗能能力要求越高, 在平时的工程实践中对持续时间的要求原则是: (1) 所选取的地震持续时间应包含地震波中最强烈的曲线部分, 一般为达到地震波时程曲线最大峰值10%的那点算起, 直至达到峰值10%的最后一点为止; (2) 一般情况下, 弹性时程分析因受持时的影响不大, 所以其可以相应减小持时, 但对弹塑性时程分析应适当延长地震波持时, 以保证非线性分析的准确性; (3) 依据《规范》地震波的有效持时为结构基本周期的5~10倍。

2 常用方法

鉴于地震波选取的复杂性, 实际工作中我们常常把其交给电脑, 现今的很多软件如PKPM软件、YJK软件自身有地震波选波库, 可以借助软件完成地震波选取工作。具体过程如下: (1) 准确合理地建立结构模型, 完成结构弹性阶段的配筋计算, 这时也能够得到结构的基本周期、振型简图等参数; (2) 进入时程分析模块, 设定抗震设防分类、抗震设防烈度、设计地震分组、场地类别、场地特征周期等基本参数, 从地震波库中框选与场地特征周期相同或相近的地震波以用来进行选波试算, 同时设置主方向峰值加速度与次方向峰值加速度以完成对地震波的峰值调整, 设置地震波的积分时长与积分步长等参数; (3) 运行程序, 软件会依据规范对地震波进行组合, 筛选出“平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”的地震波。

工程中我们根据需要一般情况选取3组 (2组自然波和1组人工波) 或7组 (5组自然波和2组人工波) 地震波, 软件的自动选波功能具有波库丰富、效率高的特点, 大大减少了人工选波时多次试算的工作量。如果工程师对自动筛选的地震波还不满意, 也可以利用美国PEER/NGA数据库提供的搜索引擎, 利用其上的地震名称、震级、平均剪切波速、峰值加速度等选项初选地震波, 然后利用工程软件的自由数据格式地震波导入功能, 将地震波改写为软件支持的通用文本文件, 导入软件以进行试算筛选。

经软件选取地震波时程分析后, 应对计算结果有基本的判断, 从工程安全方面讲, 每条地震波的输出底部剪力不应小于振型分解反应谱法底部剪力的65%, 多条地震波的输出平均底部剪力不应小于振型分解反应谱法的80%, 从工程经济性上讲, 计算结果也不应过大, 每条地震波输出计算结果不宜大于135%, 平均值不宜大于120%[1]。

3 结语

地震动十分复杂, 实现建筑的抗震性能化设计及对高层、异形结构的分析计算, 迫切需要解决地震波的合理选择问题, 它是进行动力时程分析的前提和关键一环, 亦是通过分析结果客观评价结构抗震性能的重要保障。本文总结了选取地震波的要点并介绍了工程中实用的软件筛波方法, 为后续地震波选取的研究提供了有益借鉴和良好基础。

参考文献

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攀枝花地震台数字地震分析探讨 篇2

攀枝花地震台数字地震分析探讨

摘要：结合地震波记录原理，分析并讨论攀枝花台数字仪震相的一些物理特征，并使用MATLAB对攀枝花、长春台的地震资料做简单滤波分析，便于真实地反映地震波震相。参考川滇交界地区地质构造，总结出攀枝花台对多次地震记录震相分析的经验规律，为地震速报快速识别震相提供实用参考。 关键词：攀枝花地震台;数字地震仪;震相识别;地震速报 中图分类号：P315.73 文献标识码：A 文章编号：1000-066602-0215-04 0 引言 数字地震分析由于记录方式和处理方式的变化，使得识别震相特征有所变化。仿真和滤波是震相分析处理的有效辅助方法。结合攀枝花地震台所在地区的地质构造，不断摸索解决四川攀枝花台实际震相分析问题。 1 记录方式的优点 数字地震记录具有频带范围宽、动态范围大的特点，攀枝花台使用宽频带数字仪，其频带宽度为0.02～120s，利用波形分析软件可以仿真模拟短周期DD-2仪、中长周期DK-1、SK仪和763仪记录。仿真后短周期信号滤除了低频信号和干扰，中长周期信号滤除了高频信号和干扰，一般震相较为清晰，便于处理。数字地震仪动态范围大，记录了更多的信息，也带有宽频干扰(刘瑞丰，)。进一步分析需做仿真或滤波，可充分显现各种震相。 2 模拟与数字仪器记录的视差 模拟地震仪记录地震的最大困难在于周期限制，不能将宽频带的地震波更大限度地记录下来。攀枝花台以前配有短周期仪(DD-2)和中长周期仪(DK-1、SK、763)共4套仪器，虽然可以记录全球地震，但不能将宽频带震相完整地记录下来。现使用速度型宽频带数字地震仪，记录范围大大加宽。 对模拟记录图纸来说，滚筒转速是固定的，走纸距离与时间成正比。初至震相起始角与固定图面相对比，尖锐与否是固定的。角度0°～30°为平缓出射，记为“E”;角度60°～90°为尖锐出射，记为“I”;角度30°～60°不作标记。记录频带相对较窄且固定，震相也在图纸上较干净，叠加的成分不多。 对数字记录来说，显示的时间框可以拉伸或压缩，震相起始角与看到的不固定“图面”相对比，尖锐与否是相对变化的。除了垂直出射的90°或水平出射的0°角以外，起始角都有随显示“图面”时间框变小而趋“缓”的情况。实际上角度是不会变化的，只是对比的`时间线度不一样而已。但这样就会出现使用局部“图面”时与使用全局“图面”时所分析的震相起始角尖锐与否有差别，从而形成视差。所以震相起始角尖锐与否对数字仪来说是一个较为相对的概念，只有针对特定的“图面”时间线度才具有明确的意义。在实际的分析与速报中，除了尖锐出射“I”型的初动震相，一般都不再标出，就可以避免争议。 3 数字地震仪震相的不同之处 仪器的频带差别造成了记录的表象差别，同一震相以不同仪器记录，相位可能会不同。 地震波有自身特点，表现为连续的有规律的波形。与地震波初动周期相近的高频大地脉动周期较小(0.04～0.1s)，幅度也较小。数字仪记录到的波形周期相对大地脉动周期较大，幅度也较大，使地震初动波形能够和大地脉动及其它不规则干扰区别开来(闵大镒，1993)。例如4月24日6时陕西石泉4.5级影区地震(攀枝花台记录震中距为8.64°，约960km)就体现了两类地震仪记录震相的联系与区别。在DD-2仪上，波形表现为近震，可分出PN、PG、SN、SG震相。在DK-1仪上，可分出P、S远震震相和影区地震面波震相LG1、LG2。数字地震仪上的原始记录文件，则明显记录到较小周期的近震震相、较大周期的远震震相和影区地震面波震相。分别仿真为WWSSNSP和SK，体现出了近震、远震和影区地震面波震相(图1)。在这里P相当于PN，S相当于SN，LG1相当于SG。短周期仪或中长周期仪单独工作时，不会记录到如此丰富的波形。 3月发生的缅甸系列地震也反映了类似情况，对攀枝花台来说，这些影区地震使用WWSSNSP仿真分析可较好地分析震相，但因为仿真把S波大周期的成份滤掉了，计算出的ME震级误差较大;使用SK仿真分析才可以体现出较大周期震相携带的巨大能量，计算出比较准确的Ms震级。 数字地震仪记录震相与频带相关，经仿真后的波形记录按短周期、中长周期对近震、远震分别处理即可。影区地震可综合处理。 4 使用MATLAB做简单滤波分析 仿真可以解决不同频带的震相分析，滤波可以进行震相本身的频带分析(张志涌，)。下面使用MATLAB做简单高通和低通滤波分析。 以四川攀枝花地震台03211717.EVT地震资料曲线做高通滤波。原始资料中由于地脉动使得记录叠加了一些高频成分。为了得到真实的地震近震波形，设计了一高通滤波器(设计程序略)，其频带宽度为0.02s。图2是高通滤波前和滤波后的图象。 以长春地震台200308100239.EVT地震资料曲线做低通滤波。原始资料中由于地脉动和干扰使得记录叠加了一些高频成分。为了得到真实的地震波形特别是面波的真实波形，设计了一低通滤波器(设计程序略)，其频带宽度为1s，进行低通滤波器频率转换。图3是滤波前和滤波后的图象，滤波效果明显。 滤波分析更进一步加深了对数字仪频带宽度的认识，对不同周期的地震波形需要采用不同的频带尺度进行分析，以真实地反映地震波震相。 5 攀枝花台震相特征 攀枝花地震台海拔高度1160m，摆房基岩为完整构造的石英闪长岩，岩基条件较好。攀枝花地震台处于青藏高原、云贵高原和横断山脉之间的川滇菱形块体南部，与四川盆地盆周山区构造上有较大差异，所在地区断裂较多，造成地震波传播的震相有所不同。 5.1震相分析经验规律 (1)由于所在地区断裂较多，造成地震波被分散以致速度下降，使得后续震相相对理论值延时，由此计算出的发震时刻与台网发布时间相比，一般略为超前(苏国君，)。 (2)攀枝花台近震记录中较少记录到明显的莫霍界面反射波P11、S11，PG和SG一般明显。在有PN和PG时，PB(即P*)和SN在近震中普遍存在，有时比PG更明显，需要分析。当PN不清晰时，可以用PB和PG反推PN。一般会形成PN、PB、PG;SN、SG的震相系列。由于构造差异，整个四川盆地及盆周山区和川西北地区的近震，PN衰减较大，不大清晰。而云贵高原的近震记录中，PN和PG发育清晰，SN不清晰，SG较为清晰。 (3)在震中距6°～16°乃至20°的影区地震记录中，则有横波性质的LG1、LG2短周期面波，水平向明显，常常叠加在勒夫波的前半部分，周期一般为2～12s。西藏、印度、中南半岛和印度洋地震在我台的记录中经常出现清晰的LG1、LG2波，使得影区地震的S波有时需要用LG1、LG2波进行反推，这在速报中相当重要。虽然不要求分析LG1、LG2波，但如果识别出来，对其他后续震相的分析就比较容易。 (4)在勘察加半岛和日本海地震中记录到典型的海洋型特征地震波，面波发育，正频散显著，初至P波起始尖锐。 (5)台湾和新疆5.5级以下地震，记录到的P波和S波都较为模糊，面波也受上地幔的地壳明显差异影响而发育较差。菲律宾地震的P波周期则较大，甚至于比S波周期大。蒙古地震面波衰减较大，可能为深源地震。但不会出现较小周期成分叠加，这也是我台区分深震的依据之一。 (6)攀枝花台SKS震相在70°～80°起始尖锐，出现在S波之后，而从84°以后出现在S波之前。 (7)极远震PKIKP和PKP的出射角、周期都较大，较好辨认。攀枝花台可以清楚地记录到震中距为125°左右的墨西哥和中美洲7.0级以上地震外核界面上的衍射波Pdif。 5.2应用与检验 (1)精确分析初至波震相到时 数字仪可将震相在幅度上任意放大缩小，在时限上拉伸压缩，可较好地量取到时和初动方向。 (2)更好地分析续至震相和更多的计算震级 模拟仪对一些震级较小的远震，往往很难分析续至震相。数字仪只要能量取初至波震相和面波，基本上都能分析到续至震相，从而更多地计算震级。介于近震和远震之间的影区地震可分别计算出ML和Mb、MB、Ms震级。 (3)发现“新”震相 数字仪记录频带宽，仿真分析后，量取震相更为容易。有些震相由于受记录频带限制被掩盖了，在数字仪上则成为了“新”震相，其实正是地球内部结构的真实反映。 205月4日21时智利附近6.3级地震，我台记录为极远震型，可清楚分析PKP：21-28-36.9、PP：21-32-28.7，SKKS、SS等震相。特别是在SKKS和SS之间出现了一个清晰的无名震相I：21-41-05.3，震相走时表上无对应震相。该震相出射方向与SKKS震相相反且出射角较尖锐，周期较大，具有横波性质，估计为穿透地核的又经过反射的横波(图4)。有些震相在走时表上查不到，但它具有明显的周期及相位变化，可能是一种震相，或许会对我们地球介质的认识有帮助。 6 结论 从以上所述来看，应用仿真和滤波等震相分析处理方法作为辅助手段，结合台站所在地区的构造，可以较全面地分析数字震相，认清地方震、近震、一般远震、极远震及浅、中深源地震的特征及区别，为地震速报提供参考。

地震波分析 篇3

关键词： 波动方程；有限差分；透明边界条件；透明度

1 引 言

地震波波动方程数值模拟[1-4]是地震勘探方法中的一项重要手段。在真实世界中，勘探地震波一旦被激发之后，就会在介质空间向外不断地传播出去。如果我们可以将无限的介质空间全部装进计算机中进行模拟，就可以完整的模拟地震波在整个空间的传播过程，但是，计算机资源无法满足我们这一要求，所以我们只能将感兴趣的有限的介质空间区域在计算机上进行模拟计算，人为地限定在一个有限的区域内进行数值模拟计算，因此在四周人为地界定造成了边界，这个边界叫做计算边界（或称人工边界）[5]。因为它的存在，波传播到计算边界时必然会产生反射波，这些来自各个计算边界的人为反射严重干扰了波在介质中传播，因此，我们需要设法消除或者是削弱边界反射。

Reynolds[6]在1978年通过对波动方程的分解得到了透明边界（Transparent Boundary）条件，可以有效的削弱由于计算边界引起的边界反射。所谓透明边界，可以比喻为一块玻璃，当有一束光照射时，光线会穿透过去而不产生明显的反射，因此我们称这块玻璃是透明的。但是事实上，这样理想的完全透明的玻璃是不存在的，光束照射到玻璃上是必然有部分能量被反射反射回来的，差别仅在于发射的强弱而已。透明度好的玻璃，其反射回来的光线能量较低，而透明度差的玻璃，其反射或能量耗散则较高。同理，在地震波数值模拟使用透明边界条件来消除因计算边界引起的边界反射时，也会产生一部分反射地震波，不能全部穿透过边界，因此波动方程模拟的透明边界的好坏，也可以借用玻璃的透明度概念来刻画。即边界条件对边界反射衰减效率较高的时候，我们称之为透明度较高，反之，就是透明度较低。显然，我们希望采用的边界条件的透明度越高越好。所以，透明边界的透明度是一个值得我们进行深入研究的课题。

2 模拟方法与边界条件

2.1 波动方程的差分方程建立

在油气地震勘探中，常常接收并使用的是地震P波资料，因此，常常使用声波方程来替代地震波方程，即用声波在介质中来描述地震波在介质中的传播过程。为此，我们研究二维介质模型空间 以及时间区间 中传播。在此空间上声波的传播速度为 。因此，在此空间的声波的传播方程[7]为：

（1）

上式中：

为波场振幅值；

。

其中， 为 Dirichlet函数，即： 其它情况为0， 为地震子波函数。

有限差分法数值模拟的基本思想理论：就是以差分方程替代微分方程。因此，有限差分法的重点就是将微分方程改写成差分方程。因此需要对声波方程（1）建立差分格式方程。将上述空间按照 做等间距剖分，以及时间用 做等间距剖分。分别对（1）式中的时间导数和空间导数做Taylor展开，可以得到关于时间导数做二阶中心差分和空间导数做四阶中心差分。

经过整理后可以得到，关于声波方程（1）式的差分方程如下：

（2）

其中： 表示在第k时刻时，网格点（ i ， j）的波场振幅值。

2.2 边界条件

本文在进行数值计算模拟时，为了消除或削弱因计算边界而引起的边界反射，所采用的邊界条件是Reynolds[6]在1978年通过对声波方程分解得到的透明边界条件，如下各式：

上边界条件为：

（3）

下边界条件为：

（4）

左边界条件为：

（5）

右边界条件为：

（6）

以上各式中： 。

同样，对上式中的各偏导数对应的做Taylor展开，可以得到对应的差分格式方程为：

上边界的差分格式：

（7）

下边界的差分格式：

（8）

左边界的差分格式：

（9）

右边界的差分格式：

（10）

2.3 数值实验

以上两个小节给出了声波方程和透明边界条件的差分格式，下面我们将模拟一个，大小为1024m×1024m，波传播速度v= 3000m/s的均匀介质模型。模拟时的空间采样间隔为 ，时间采样间隔为 ，使用的子波震源函数为：

（11）

上式中： 为子波主频， 为延迟因子， 为衰减因子。

实验时，我们取： ， ， 。

模拟计算的波场快照如下图1所示：

图1 均匀模型不同时刻的波场快照

Fig.1Snapshot of wave field in inhomogeneous model in different time.

从图1中（a），（b），（c）和（d）分别是在50 ms，100 ms，150 ms和250 ms的波场快照。从图中可以清晰的看到波场从50ms传播到150ms波场以圆向外传播，到达250ms时刻时波场已经传播到边界，这时波场有一部分波穿透边界条件没有反弹回来，而剩下一部分被反弹。

3 模拟计算

从图1可以看到，当波传播到模型边界时，很明显有反射的存在，也就是透明边界条件下的模型边界的地震波有明显的反射，这也就正如在前言中讲的“透明边界”，实际上并不能真正的做到完全透明，当地震波传播到边界时，还有一部分反射，而这个反射波有多大，又与什么因素有关？即透明边界的透明度及其影响因素。这正是本节需要研究讨论的。

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为了更好的说明透明边界的透明度，笔者打算从以下两个方面研究讨论，一方面是模型不同介质对透明度的影响；另一方面是不同频率下的波对透明度的影响。

3.1 介质对透明度的影响

为了说明对于不同介质模型对透明边界条件透明度的影响，因此笔者选用了三种介质模型，对透明边界的透明度的研究讨论，三种介质分别是：空气、水和岩石。为了保证模拟实验的可靠性，在实验时除了波在不同介质中的传播速度不一样以外，其他参数均一样。数值模拟计算是在模型大小为1024m×1024m的空间中进行，其中在空气中的声波速度为v=340m/s，水中的声波速度为v=1500m/s，在岩石中的波传播速度为v=4500m/s，模拟时采用的空间采样间隔为 ，时间采样间隔为 ，选用的震源子波函数为（11）式，子波主频 ，震源坐标位置为（160m，512 m）。

使用上述有限差分数值模拟法，以上三种介质模型的模拟快照结果，如下图2所示。

图2不同介质模型的波场快照

Fig.2 Snapshot of wave field in the different medium model.

從图2中能够很清楚的看到，当地震波传播到边界时有一部分波穿过透明边界，但是明显的还有一部分反射波。而且反射波相对直达波的强弱是不一样的，也就是说不同介质的模型的透明度是不一样的。从反射波的能量来看，很显然空气介质下透明边界条件的透明度是最差的，透明边界条件的透明度最好的是在岩石介质模型时，而水介质条件下的透明边界条件的透明度介于空气和岩石之间。表明在本实验的速度变化范围之内，波速越高，边界条件的透明度也好。

3.2 频率对透明度的影响

从上一节我们看到，在不同的介质的模型条件下的透明边界条件的透明度是不一样的。而在这一节将讨论不同频率对透明边界条件透明度的影响。

为了更好的说明实验结果，采用的模型是上一节中的介质模型中的水介质（如下图3中（A）所示），模型空间大小为1024m×1024m，波传播速度为v=1500m/s，模拟时采用的空间采样间隔、时间采样间隔以及所选用的震源子波函数均与3.1节所采用的一样，其中S1点为震源，其坐标位置为 ，模拟时间长度250 ms。数值模拟实验时采用的频率从5Hz到150Hz，每隔5Hz取一个频率值进行实验，总共31次实验。

图3 水介质模型

Fig.3 Water medium for the model.

要想得到透明边界条件的透明度，我们只能够通过反射波来得到透明边界条件的透明度。因此，要想得到不同频率对透明边界条件的透明度的影响，那就需要先得到一个纯反射波。我们在进行的31次数值实验的时候，记录下了源点的震动情况，此时得到的记录既含有反射波，又含有反射波。因此为了得到一个纯反射波记录，我们需要剔除直达波。实际上要剔除直达波只需要用含有反射波和直达波的记录减去对应的直达波就可以了。因此我们为了得到一个只含有直达波的记录，做了另外一组数值模拟实验，实验使用的模型及参数和上面的参数一样，只是将震源点放在了模型S2 点（如图3中（B）所示），这样保证了在模拟的250 ms内，反射波不能到达记录点，此时得到的记录就只含有直达波，用既含有反射波又含有直达波的记录减去只含有直达波的记录就得到了一个纯反射波。具体处理方法如图4所示。

图4 a为只含有直达波，b为即含有直达波又含有反射波，c为a-b只含有反射波

Fig.4 ‘a’ contains direction and reflection wave， ‘b’ is the only contain direction waveand ‘c’ is the ‘a’-‘b’ and only reflection wave.

图4是在频率 情况下，得到的记录。其中图4中a是既含有反射波又含有直达波的记录，b是只含有直达波的记录，用a减去b就得到了图4中的c只含有反射波的记录。我们将从图4中的c反射波，提取出不同频率下的反射波的最大值，最终可以得到31次实验的反射波的最大值，绘成曲线如下图5所示。

图5不同频率成分对透明度影响

Fig.5 Effect of different frequency component of transparency.

从图5可以看到，不同频率对透明边界条件的透明度是有一定影响。从曲线上看，在低频时透明度相对更好，当频率增大时，透明度很明显的相对降低。当频率大于40Hz透明度呈线性减弱的趋势。

4 结 论

本文通过对波动方程有限差分法正演模拟时所采用的透明边界条件的透明度分析讨论，得到如下结论：（1）透明边界条件对人工边界能起到较好的吸收效果；（2）不同介质的模型对透明边界条件的透明度有一定的影响，实验采用三种介质模型模拟，结果得到：声波在空气中传播时透明边界条件的透明度最差，在岩石中传播时透明边界条件的透明度最好，在水中传播的透明度介于空气和水之间；（3）不同频率成分对透明边界条件的透明度有一定影响，从实验结果曲线来看，低频时透明度相对更好，当频率增大时，透明度很显然相对降低。当频率大于40Hz透明度呈线性减弱趋势。然而，从实验结果来看，在进行数值实验时需要选择好模拟参数，以求得更好的模拟结果。

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地震波分析 篇4

深覆盖软土场地对地震动的长周期成分有着放大作用, 而高层建筑结构对长周期地震动较为敏感[1]。如1958年墨西哥地震中, 距震中约400km外的墨西哥城出现了比震中区更为严重的震害, 震害主要出现在长周期高层建筑结构上。分析认为此现象的原因是, 该城坐落于深厚沉积盆地之上, 长周期地震波与横纵向非均匀的场地介质相互作用而使得地震动的长周期成分显著放大, 且强震持时延长[2]。因此, 在对深覆盖软土场地上的高层建筑结构分析和设计时, 应充分考虑场地条件的影响, 通常的做法是, 选取基岩地震波输入结构所在的场地模型, 将得到的地表波用于此结构的时程分析。可见, 研究基岩场地条件下长周期地震波的频谱特性是很有必要的。

2 地震波的选取

从1985年墨西哥8.1级地震的数字强震记录库中选取了2条长周期地震波 (TLHB-EW波和TLHD-EW波) 和1条普通地震波 (PAPN-EW波) , 均为Ⅰ类场地条件下的加速度水平分量记录。与普通地震波相比, 长周期地震波最显著的时域特点是持时较长。

3 长周期地震波频谱特征分析

诸多震害现象表明, 仅根据地震波的时域特征, 很难全面地解释震害现象, 必须加以地震波的频谱特征作为很重要的补充。这里从最常用的傅里叶幅值谱和反应谱两方面来分析地震波的频谱特性。

采用快速傅里叶变换 (FFT) 方法求取3条地震波的傅里叶幅值谱, 如图1所示。对比可知, 长周期地震波的频带分布集中于低频, 而普通地震波的高频成分比较丰富。

图2汇总了长周期和普通地震波的标准加速度反应谱。可见, 长周期地震波反应谱值在长周期部分明显较大, 且在周期域中分布较宽, 即向长周期部分延伸;而普通地震波反应谱值主要集中分布在0~1s周期内。

4 结论

与普通地震波相比, 长周期地震波的持时一般较长。长周期地震波的低频成分丰富, 频带较窄, 基本集中分布于0~1Hz范围内;而普通地震波的高频成分比较丰富, 频带分布范围较宽。长周期地震波反应谱值在长周期部分明显较大, 且在周期域中分布较宽, 即向长周期部分延伸;而普通地震波反应谱值主要集中分布在0~1s周期内。

摘要：由于长周期地震动记录的缺乏, 目前国内外对长周期地震动特性的研究尚不成熟。从1985年墨西哥8.1级地震的数字强震记录库中选取了2条典型的长周期地震波和1条普通地震波, 对比分析了Ⅰ类场地条件下长周期地震波的频谱特性。

关键词：基岩场地,长周期地震波,频谱特性

参考文献

[1]张翔宇.非线性场地与高层结构长周期地震反应分析[D].上海:同济大学, 2013.

雅安地震损失分析 篇5

截至昨日（4月21日）15时，四川雅安地震遇难人数升至186人，11393人受伤，累计造成150余万人受灾，目前灾难造成的经济损失仍在不断统计中。

截至昨日8时，据四川省雅安市人民政府新闻办公室腾讯官方微博公布，全市近40万间房屋受损，倒塌12851间，34座水库受损，堰渠损毁2668处，农林水经济损失14.30亿元，全市需安置48915户。

昨日，接受《每日经济新闻》记者采访的多位专家均表示，与2008年汶川地震相比，雅安地震造成的经济损失要小很多，对全年GDP的影响或主要体现在小数点后一位的变动。

中国国际经济交流中心经济研究部副部长张永军告诉《每日经济新闻》记者，目前还很难准确统计地震造成的损失，但应该会小于汶川地震的影响。

根据国家汶川地震专家委员会于2008年9月4日的申明，地震造成的直接经济损失为8451亿元，其中四川占到总损失的91.3%。资料显示，中国2008年GDP为30.1万亿元，同比增长9.6%，按此计算，汶川地震的直接经济损失相当于当年GDP的不到3%。而在这次地震中，从已经披露的数据来看，目前所造成的经济损失还未至百亿。

宏源证券固定收益总部首席分析师范为告诉记者，这次地震损失区间应该在百亿至千亿之间，对于全国GDP的影响较小。目前我国GDP总量大约为50万亿元，假设雅安地震造成的经济损失为1000亿元，对GDP的影响就是0.2%。

“当时汶川地震直接影响到我国GDP增速是7%以上还是8%以上的问题，雅安地震最终对于经济的影响可能会体现在是增长7.7%还是7.6%的区别上。”范为说。

中金公司首席经济学家彭文生认为，地震后期重建会对四川地区经济产生较大影响，不过鉴于雅安地震目前的区域性和破坏性，对全国经济影响有限。

关于地震的地质调查分析与研究 篇6

关键词:地震 调查分析 研究

中图分类号:P31文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0008-01

上个世纪中期,唐山大地震可谓一震天下知,给人们留下的不仅仅是物质的巨大损失,更是给人们带来了众多凄凉与悲惨。在此一震中,多少人妻离子散,又有多少人留下终身伤残,进而导致其终生生活困难。虽然,距今几千年前已有张衡的地震仪问世,可对于地震即将给人们带来的巨大灾难,其近乎无能为力。更有近年来,我国汶川大地震,还有本年度频传的各国大地震,往往让束手无措的人们只有更加震惊,甚至心理上巨大的伤害。在我们沉痛悼念因地震而伤亡的人们的同时,留给我们的更是无穷无尽的思考,尤其对于从事地质勘探工作的我们,下面本人结合专业知识及实践经验具体总结分析如下:

(1)借于早期地球板块学说的理论,地震往往发生在板块连接处,我们勘探队因为工作需要,几乎踏遍了祖国的各个角落,因为本人的兴趣爱好,我特别留意了已发地震区域,还有我国伟大地质学家李四光预言的地震带。大家都知道,李四光预言的地震带已多数实现,这更让我们尚处于未震地震区江苏徐州至安徽蚌埠沿线居民处于心理恐慌,恐慌之余更增加了我们的警惕性。经分析不难发现,地震带地形往往非凸即凹,他们普遍表现为高山或水域、低洼。其中深水域地震,因释放巨大地质能,往往形成海啸等加重地震之灾难。

(2)地震往往是地质元素裂变至某种程度的结果。众所周知,随着近代化学独立科学的飞速发展,经无数科学家实验研究证明:各种化学元素都具有裂变性,均存在半衰期不等的特性,并因此可分为放射性元素和非放射性元素。据此,本人通过近百次地质实验研究发现:在地震带或已发地震区地质元素的半衰期往往非常接近。所以我们可以通过化学实验科学办法测定其地质元素的半衰期,并在实验条件下促其裂变,或在自然条件下观其裂变,以发现其裂变特性或规律,从而推断地震在时间上的发生特性或规律,以在某种程度上既可以有效避免因地震带来的巨大财产损失和人员伤亡,也可以大大改善地震的可控制性发展。

(3)地震带或已震区的地质元素的裂变往往是释放巨大能量。毋庸置疑,从物理上讲,地震本身伴随能量的巨大转换。由能量转化定律我们应该积极探寻地震能源或释放转换的方式,从而为地震的发展找寻可控的可能性。当然,我们也可以从预言地震带或已发震区找寻其相关地震裂变元素,以应用于高端科技,造福人类,从而为人类社会的发展作出巨大贡献。另一方面,在挖掘和利用其地质元素的同时,在某种意义上也有效降低了其地震发生的可能性或发生剧烈程度。所以,地震带或者已发震区往往是巨大地质能源的聚集区。

(4)地球作为一个整体,类似于人类的身躯,其地震往往是地球内部不正常运转的结果。无疑,现代科学的飞速发展及对地球的不正常开采与刺激正好促发了其地质元素的非正常衰变,从而诱发地震。如果我们能正确认识到其对地球危害行为的严重性,如核试验时,释放的巨大能量可能会诱发相关地震地质元素的裂变等情况,尽可能减少对地球的过度危害行为,从某种意义上也许能降低地球地震发生的频率。另一方面,过度开采造成的突然塌陷产生的机械能也可能是产生地震的有害因素,所以,在某种意义上从人为因素上减少对地球相关的有害刺激也是减少地震发生的有效措施。

(5)地球作为一个地质元素整体,如其他宇宙物体一样,其往往依赖地球磁场产生的电性结合在一起。在地质勘探工作中,我们往往发现地震或已震区地质元素的电性或磁性与其他地区呈明显差异,进而我们可以这样认为地震带或已震区的地质元素因为外界自然因素或人为因素导致电性的改变,脱离地球磁场的正常束缚从而裂变或不正常运动产生了能量巨大大转变以产生地震。它类似于化学元素自身内部的能级的跳跃,如果我们能通过物理或化学的方法探寻其地质元素电性变化的规律,也能从某种意义预言地震的发生,或减少地震带来的巨大损失或灾难。

(6)地球地震本身类似于人类躯体疾病,是地球自身免疫的体现。他是一个由正常至不正常再回至正常的过程,而不应该如迷信所讲为地球末日或报应学说。所以,正确认识地球地震这一自然现象,某种程度上也减少了人类因地震带来的恐惧和精神折磨,应该说适当的自然地震,只是因为地震内部的地质元素更好的组合与发展。

综上所述,地球的地震既是自然界地质元素的自然衰变现象,也有人为的破害因素导致的地球灾难。如果我们正确的认识到其自然规律性和有害行为的严重性,积极探寻地质元素自然化学规律或找寻相关的人为破害因素,并作出积极有效措施,既可以为地震的发生及预防提供可能,从而为人类社会做出巨大贡献。

地震波分析 篇7

关键词：埋地管道,地震波作用,分析方法,研究的重点

1 前言

现今, 对地震波作用下的埋地管道的响应分析常用理论模型有两种:1利用弹性地基上的连续梁进行分析, 以分布弹簧模拟土体对管线的作用, 认为土体和管线发生相对运动;2假设管线是被埋在半无限空间中, 土介质是线弹性介质, 并从刚度的角度进行分析, 建立管-土联动方程。从这两种模型的分析来看, 第1种模型构造简单, 也可充分利用现有的抗震动力学理论知识, 但是模型与现实相差较大。而第2种模型较符合现场操作, 但是计算方法不多, 且难以直接求解。

考虑到现场实际因素, 以及面对当今管道输送业的迅猛发展趋势, 对管线运行安全要求也越来越高。因此, 根据不同的地质条件, 建立合适的地下管线计算模型并进行模拟等是一个需要解决的关键问题。

下面将对目前广泛应用的五种方法进行总结。以期对今后的相关研究起到指引性作用。

2 埋地管道在地震波作用下的响应分析方法

2.1 一般规律

(1) 地震波的传播效应是破坏埋地管道最基本和最广泛的形式之一。

(2) 管道震害率随管径增大而减小, 所以不能忽视管道刚度的影响。

(3) 可忽略振动惯性力的作用。也可按波动理论进行分析。

(4) 由于地震波等作用, 地下管道的变形非常复杂, 导致应力形式和状态都相当的复杂。震害表明直埋管线以轴向破坏为主, 弯管、大口径管道要考虑弯曲变形。

目前, 地下管道响应分析中广泛应用的计算方法基本上都是以上述规律和假设条件为基础。下面将介绍目前常用的5种方法的基本思想和适用条件。

2.2 拟静力分析法

拟静力分析法的基本思想是:将地震作用视为拟静态作用, 管道与周围土体运动相似, 管道所受惯性力由周围土体承担, 在地下管道与周围土体间用分布弹簧模拟土体对管道的作用, 即假设: (1) 地震时管土同步变形; (2) 地震波在传播过程中波形保持不变。建立的计算模型如图1[1]。

由于拟静力分析法在工程当中已被广泛应用, 从而计算地震纵波沿管轴方向传播时, 做出了管道轴向变形精度的计算结果主要取决于: (1) 正确的参数取值; (2) 正确输入地震动位移的时程; (3) 正确的保证土体剪力-滑移本构关系。由于考虑随机地震输入的条件下, 在工程实际中这三者有很强的不确定性。因此, 采用随机结构的分析方法。

2.3 反应位移法 (日本)

考虑管土相互作用, 土层在地震时产生的变形, 通过地基弹簧以静荷载的形式作用, 在结构上以此计算结构反应。其中, 在地基弹簧考虑到结构刚度与土层刚度的不同, 定量表示两者相互作用时引入单元[1]做出以下假设:

(1) 当地震时地下的结构会随着周围的土体变形而变形, 当结构遭受的破坏状况时, 主要是由变形和结构自身的延展性能来决定;

(2) 为了在地层弹簧的端部施加制位移, 根据结构物轴线方向产生的地层位移分布 (位移差) , 从而求得结构纵向应力和变形。

该法用于埋地管道在地震波作用下轴向应变、应力的计算分析。

2.4 埋地管道的运动-变形分析模型

在地震动力作用下, 埋地管道会产生变形, 包括轴向和横向变形。针对埋地管道在地震波作用下的运动特点, 运用振动和抗震动力学理论知识, 可得出埋地管道振动运动方程及管-土相互作用的传递系数, 进而可求得管道的弯曲应力和轴向应力[2]。为了计算简便, 模型假设为: (1) 认为管-土间存在相互作用, 要考虑管-土的相对位 (滑) 移; (2) 认为土是半无限、各向同性均匀的线弹性介质; (3) 认为管道为弹性地基梁, 即管-土间为弹簧连接。

在地震波作用下管道运动-变形分析模型如图2、3。

3 简化算法

对埋地管道的运动-变形分析模型进行简化, 采用的方法, 考虑到管土间的相对滑动, 而引入了轴向变形传递系数ξ对e进行折减。假定管道与周围土体发生同步变形, 地震波为在传播过程中波形不变的剪切波;对于剪切波, 剪应变方向与波传播方向相垂直。

因此, 在地震波作用下管道最大轴向应变应力计算中, 完全可以使用该方法, 并且相比其他方法更简单。因为该方法适用于一般地震波动的输入, 并没有对输入波位移函数f (·) 的具体形式进行假设, 简化法是适应面最普遍而又不失真实性的一种方法。在地震波作用下管道最大轴向应变应力计算中时, 简化法 (基于地震波输入) 、规范法 (基于正弦波输入) , 前者容易被采用。

4 简化基于地震波入射角的方法

通过前人研究的基础上, 部分学者提出了简化基于地震波入射角的方法, 即是基于管土相互作用、地震波入射角和地震地面运动加速度[3]。以地震波动力学理论和弹性地基梁理论为基础, 根据管-土相互作用原理, 推导出管-土间变形传递系数, 并得到管道轴向应力计算公式。相对于反应位移法 (日本) , 其引入了地震波入射角ϕ, 而且还考虑了地震地面运动加速度。考虑计算的简便, 假设: (1) 采用弹性地基梁模拟管线, 管-土间为弹簧连接; (2) 认为管土间存在相互作用, 考虑其间的相对滑动; (3) 土体为各向同性均匀的线弹性介质。

地震波入射角对于地下管线震害影响显著时使用。

此外还有两种规范法: (1) 《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》G B50032-2003; (2) 《输油 (气) 埋地钢质管道抗震设计规范》 (SY/T0450-97) 。

5 展望

从目前大量文献的研究方向来看, 今后将深入研究的方面应该为:

(1) 将进一步深入的研究地震作用下场地破坏对管道破坏的影响。

(2) 在已有算法基础上, 寻求更简便, 并满足一定精度的算法。

(3) 以后将更深入的研究管-土相互作用问题、地震激励加载、管道模型选取, 以此更进一步完善模型的建立, 得到更符合工程实际情况的分析模型。

(4) 通过埋地管道地震动力响应研究不同的地质条件、流体介质, 而研发相关分析软件。

(5) 将在管线对地震行波反应中考虑土层的地形、地貌和组成等因素的影响, 这也是未来的一个研究方向。

参考文献

地震波分析 篇8

1 工程概况

武汉阳逻港集装箱码头位于武汉市新洲区阳逻开发区境内,地处长江中下游。此处江面宽阔,是长江航运的繁忙地带和天然良港。因武汉新港开发需要进行港池水下爆破工程。由于爆破中心距长江大堤及附近建筑的距离较近,且爆破装药量较大,为确保安全,需对一些重要的地段(如长江大堤、码头等)进行质点振动速度监测,并作相应的安全评估,为水下爆破施工提供依据[4]。

该港池开挖爆破施工场地长180m,宽30m,炸深2~12m。爆源离长江大堤最近120m,离现有码头最近85m。爆区西边长江大堤段表层为填土层,填土以下为粉沙、粉土、粉质土混杂土层,8~12m下面为红砂岩,该段长83m,爆区及东边长江大堤段为红砂岩,岩体完整性好。工程钻孔作业平台采用400t方驳船,钻孔直径φ90mm,孔深3~14m,平均超深1.5m,垂直钻孔,孔距2.5m,排距2.0m。炸药选用直径φ70mm的乳化炸药,每孔分别于底部和中部布置2~4个雷管,全部炮孔装药完毕后联线、移船、警戒、起爆,每次爆破2~3排。

2 爆破振动测试

2.1 测试系统及测点布置

根据我国《爆破安全规程》(GB 6722—2003)规定,以地表质点振动速度作为破坏判据。本次监测采用了成都中科动态仪器有限公司生产的IDTS3850爆破振动记录仪。

本次共计5个监测点,监测点主要考虑附近民房、港口码头、沙土长江大堤。测点布置见图1。

2.2 控制标准

本次爆破施工的影响范围内主要有长江大堤、港口码头、附近民房等建构筑物。根据国家《爆破安全规程》规定及类似工程经验,为确保周围建构筑物安全,振动控制标准定为附近民房为2cm/s,港口码头、沙土长江大堤为5cm/s。

2.3 测试结果

各测点均顺利测得数据,各测点的爆破振动速度如表1所示,实测振动波形见图2~图6,各测点的频谱分析图见图7~图11(限于篇幅,这里略去了图9~图11)。

由表1可见,各测点振动速度的峰值均远小于5cm/s,按照速度控制标准,此次水下爆破对长江大堤、港口码头、周边建筑物均不会造成危害。此外,除5#测点的主频高于200Hz外,其他测点的振动频率均位于10Hz~50Hz之间。

从振动波形图中分析可得:此次爆破振动过程历时约2s;由频谱分析图可以看出:能量衰减很快,衰减过程明显。

3 结果与分析

3.1 爆破地震波传播规律分析

爆破地震波的破坏作用主要决定于质点振动速度,而不是波自身的传播速度,其传播和衰减遵循一定的规律。因此,只要估计质点的最大振动速度并采取一定的控制手段,就可减少爆破振动带来的危害。质点的最大振动速度衰减公式为[5]:

式中,V为质点振动速度,cm/s;Q为单段最大药量,kg;R为爆破中心至被保护对象或测点的距离,m;α为爆破地震波传递衰减指数;K为爆破现场地质条件系数。(1)式中,K、α值为待定未知数。

取表1中的振速进行回归分析,得K=236.68,α=1.772,相关系数为0.978。

取2cm/s为最大振动速度控制标准,则单段最大药量为542kg,实际取单段最大药量为500kg。

3.2 小波包分析

小波分析的特点主要是把实测信号分解为高频和低频两部分,然后对分解出的低频部分继续分解,而高频部分却没有再继续分解。小波包分析与小波分析最大的不同就是小波包分析把信号分解后的高频部分也进行了分解。从小波分解的结构可以看出,小波变换的频率分辨率随频率的升高而降低。小波包分解却不同,它能根据信号特征和分析要求自适应地选择相应频带与信号频谱相匹配。所以说,小波包分解比小波分解更为精细。

将爆破振动信号进行小波包分解时,分解的层数取决于具体的信号及采用的爆破振动分析仪的工作频带而定。本文中所采用的爆破振动分析仪为IDT3850,其最小工作频率为5HZ,现场爆破振动信号的采样频率为10000Hz,根据shannon采样定理[6],其nyquist频率为5000Hz。因此,我们将信号分解到第10层,对应的最低频带为0~4.883Hz。如果我们只分解到第9层的话,则最低频带为0~9.78Hz,而爆破振动分析仪最小工作频率为5Hz,这样会导致超出最小工作频率的这部分信号严重失真。

目前,在非平稳振动信号分析中用得比较多的是db8小波基函数[7],而且对地震[8]、结构的风载效应[9]及海浪问题[10]都获得了好的结果。通过对爆破振动信号小波变换完全重构信号误差分析,也证明了db8小波基函数更适合短时非平稳随机信号问题。因此,用db8作为小波基函数对图2~图4所示爆破振动信号分别进行深度为10层的小波包分析,运用matlab软件计算后可得3个爆破振动信号在不同频带的能量分布百分比及不同频带能量分布分别见表2和图12~图14。

从图12~图14和表2可以看出,爆破振动信号在由近及远的传播过程中,表现出以下特征和规律:

1)随着爆心距的增加,爆破振动信号的总能量不断衰减,高频成分比低频成分衰减更快。

2)随着传播距离的增加,中低频能量所占比重增加,爆破振动信号的主震频带逐渐往低频转移,由于工程中建筑物的主震频率较低,所以,不能忽视中远距离建筑物所受的振动影响,必须加强监测。

4 结论

以上述参数为水下爆破施工依据,武汉新港阳逻集装箱码头水下爆破工程历时250d,完满完成了施工任务,确保了长江大堤、码头等的安全。据此,可以取得如下结论:

1)试验条件下,振动速度衰减公式为

2)为确保周围建构筑物安全,单段最大药量为500kg是合适的。

3)随着距离的增加爆破振动信号99%以上的能量集中在0~200Hz这一频带,根据爆破参数和地质条件不同,其能量分布也会随之发生变化。

4)随着爆心距的增加,爆破振动能量衰减明显,高频成分能量比低频衰减更快。

5)爆破地震传播的过程中,爆破振动信号的能量重心往低频发展的同时,主震频带增宽。因此,不能忽视中远距离建筑物所受的振动影响,必须加强监测。

摘要：结合武汉新港阳逻集装箱码头水下钻孔爆破工程,通过现场测试,得出了爆破振动速度衰减经验公式,提出了爆破振动速度安全判据及最大允许药量,针对爆破振动的特征,对实际测得的水下爆破振动信号进行小波包分析,探讨了爆心距对爆破振动信号的影响规律。并依据实测数据评估了水下钻孔爆破对长江大堤的影响,确保了长江大堤的安全。

关键词：水下钻孔爆破,爆破地震波,水中冲击波,小波包分析

参考文献

[1]王群峰,董凯程.深井爆破振动小波分析及其应用[J].采矿技术,2010,10(2):32-33.

[2]张立国,龚敏,于亚伦.爆破振动频率预测及其回归分析[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(2):187-189.

[3]MaGuowei,HaoHong,ZhouYingxin.Assessmentofstructuredamagetoblastinginduced[J].EngineeringStructures,2000,(22):1378-1389.

[4]钟冬望.太子矶航道水下钻孔爆破地震波测试和分析[J].武汉科技大学学报,2011,34(5):350-353.

[5]钟冬望,林大泽,肖绍青.爆炸安全技术[M].武汉:武汉工业大学出版社,1992.

[6]胡昌华,张军波.基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析[M].西安:西安电子科技大学,2000.

[7]杨福生.小波变换的工程分析与应用[M].北京:科学出版社,1999.

[8]IyamaJ,Kuwamura H.Application of wavelets to analysis andsimulationofearthquakemotions[J].EarthquakeEngngStructDyn,1999,28(2):255-272.

[9]GurleyK,KareemA.Analysisandsimulationtoolsforwindengineering[J].ProbEngngMech,1997,12(1):9-31.

煤矿陷落柱地震响应分析 篇9

陷落柱是煤系地层由于古岩溶塌陷造成的一种特殊现象。在我国北方的山西、河北、河南、山东、陕西、苏北、皖北等省区均有广泛出现, 尤其在水文地质属于径流区的煤田, 往往因下伏奥灰大量溶蚀而形成规模较大的陷落柱。它破坏可采煤层, 减少煤炭储量;降低采掘效率, 提高生产成本;妨害机械化采煤, 影响井巷围岩稳定, 易造成冒顶事故;恶化矿区水文地质条件, 造成矿坑涌水量增加, 甚至造成突水淹井事故[1]。

近年来, 煤田应用三维地震勘探方法作为构造探查的重要手段已取得可喜的成果, 现阶段已基本能探查柱体直径大于100 m的陷落柱, 但小陷落柱的解释误差则比较大。为了对塌陷构造的精细地震解释提供依据, 众多学者利用正演的方法模拟煤田陷落柱的地震响应, 其中多以规则陷落柱建立模型, 进而研究其波场特征[1,2]。然而综合实际揭露的陷落柱内部结构形态, 柱体内部地层从下往上逐渐坍塌, 柱内空间由破碎岩块堆积而起, 岩块大小从几米至几十米差异较大, 如对模型内部简化为整体处理, 并不能完全模拟出柱体和柱内断块的真实散射作用, 无益于生产实际。本文以数值模拟为基础, 通过设计理想常用模型与近实际模型正演处理结果对比, 以揭示造成地震剖面上陷落柱柱体内部反射波“陷”而“不断”的可能因素, 为小陷落柱的识别解释提供基础。

1 模型正演

1.1 模型建立

基于有限差分数值正演模拟理论, 在均质煤层上850 m位置设计了一个塌陷高度为110 m, 直径大小为80 m的理想无底陷落柱模型, 如图1所示。柱体内为松散低速介质填充, 通过正演来研究陷落柱绕射波的特征, 参数如表1所示。

该模型采用声波方程进行波场模拟, 不仅包含波的传播时间, 还包含波的强度, 可以对陷落柱的复杂形态做出较为合理的解释。模型炮间距30m, 道距10 m, 雷克子波主频70 Hz, 满覆盖次数为12次。模型单炮记录如图2所示。对模拟得到的炮集记录进行直达波切除、抽取共中心点道集、速度分析、共中心点叠加, 叠后偏移等常规处理, 得到如图3、图4所示时间剖面。

1.2 模拟结果分析

跟正常反射一样, 在地震记录里既存在反射波, 也存在绕射波, 它们都是来自反射面, 并且相伴而生[3]。根据广义绕射定律, 当地层的反射系数发生变化时, 波在界面边缘会产生绕射波, 绕射波是在整个界面上产生的, 具有波阻抗差的任何界面都可以产生绕射波[4]。地震波遇到发育在煤系地层中的陷落柱时在柱面产生绕射, 绕射点作为新的震源向各个方向传播。在柱顶的椭圆形面时, 各点产生的绕射波之间时差非常小, 根据绕射波最小走程原理[5]最终叠加形成波AA′;在陷落柱柱体侧面因煤层的强反射界面形成点绕射而出现连续同相轴BB′和CC′, 并且在最低点与反射波相切, 能量仅为反射波能量的一半, 正半支的相位与反射波相同, 负半支则相反。在生产中, 总结出绕射“层断波不断, 绕射连反射”的特点[6]。因叠加时绕射波的动校正量较小, 绕射波在叠后时间剖面存在一定的时间延迟。经偏移后绕射波已收敛到陷落柱柱面位置。

2 对模型的改进

实际地震剖面上陷落柱的内部仍有同相轴存在并非杂乱不可追踪, 华北煤田多数都呈现此类特征。姚桥矿西六采区-850 m轨道大巷2009年首次揭露陷落柱, 由于陷落柱在形成初期柱体内已导通奥灰强含水层, 陷落柱可能成为威胁极大的导水通道。在已取得的地震剖面上, 陷落柱的柱体内部同相轴连续性一般较好, 柱体边缘同相轴错断, 形如断层, 如图5所示, 柱体顶部波形散乱, 解释困难。

为验证柱体内部同相轴是否可由其内填充物的性质影响, 对模型进行了改进, 对陷落柱柱体内部进行细节研究。结合实际揭露的陷落柱岩性将其内部设计为大小不等的碎块状充填物, 充填岩性分别来自上覆地层, 并由较低波阻抗的岩石胶结, 如图6所示, 最大程度地模拟实际陷落柱内部构造特征, 继续采用上面模型的观测系统及相关参数, 得到如图7所示剖面。

由前面模型的讨论可知, 绕射波产生于岩性间断点。在陷落柱发育的地层, 陷落柱内的岩性与围岩不同, 按广义绕射理论, 绕射普遍存在, 则柱体内部形态各异的塌陷物对入射波进行散射, 当散射体大小等于或小于地震波波长, 地震波的波动特征就表现得很突出, 经叠加后在地震剖面上表现为小的同相轴。从图7中可以看出, 当陷落柱柱体内部由上覆地层破碎状塌陷物充填时, 在偏移后地震剖面上由松散塌陷体产生的绕射波叠加形成同相轴, 一般柱体内部P波速度小于围岩未变形的速度且反射波与绕射波时差很小[7], 所以绕射同相轴在煤层强反射同相轴的屏蔽作用下相连, 在地震解释时因无法分辨波的类型而造成解释陷阱。

3 结论及建议

从陷落柱内部破碎塌陷物角度修改正演模型, 取得了一定的结果。简化处理陷落柱模型使其不能反映真实波场特征, 有必要根据实际资料对模型改进。进行陷落柱的正演模拟与分析, 一方面有助于弄清陷落柱在地震剖面的波场特征;另一方面, 通过正演模拟不同形态的陷落柱, 掌握其典型波场特征, 可以提高地震解释成果的可信度。在采掘工作面临近可疑陷落柱时, 对采区内是否存在其它隐伏陷落柱等构造进行预测, 提前采取防范措施, 可确保矿井安全生产。

从实际勘探采集到的地震资料看, 陷落柱内部都有与煤层反射波相连的同相轴, 且振幅较大, 能量较强, 这并非只是由柱体内部充填物的性质单一因素决定, 它与采集方法和处理手段之间也存在一定关系, 因此建议通过地质和地震资料结合使用揭示其内在的本质联系。

参考文献

[1]杨双安, 等.时间剖面上分析陷落柱充水性的探讨[J].中国矿业大学学报, 2001, 30 (5) :503-505

[2]杨晓东, 等.煤田陷落柱特殊波对陷落柱解释的影响[J].物探与化探, 2010, 34 (5) :627-631

[3]日安光.反射绕射波的特性[J].石油地球物理勘探, 1976 (4) :17-18

[4]陆基孟.地震勘探原理[M].北京:石油大学出版社, 1993

[5]黄洪泽.论绕射波机制[J].地球物理学报, 1977 (1) :81-87

[6]钱荣钧.时间剖面上的绕射波[J].石油地球物理勘探, 1976 (5) :19-36

地震波分析 篇10

该下承式简支钢桁架桥长为72 m，每个节段为12 m，宽为12 m，高20 m，桥的面板为0.45 m厚的混凝土板。该桥的端斜杆、上下弦、腹杆及横向连接杆均为工字型钢。钢桁架桥简图见图1。

2 建立有限元模型———钢桁架桥

2.1 桁架结构的特点

各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。根据桁架结构的特点，在AN-SYS中，钢桁架结构用Beam系列单元模拟，混凝土结构用Shell单元分析。

2.2 建立有限元模型

依照表1的材料属性及图1的数据，建立有限元模型如图2所示。

3 静力分析

在模型的中心节点分别施加50 k N的垂直向下的力，在该荷载的作用下，钢桁架桥的内力图和节点位移图分别如图3，图4所示。根据图3可知，内力最大值在桥的腹部中心处附近，从图4中可看到，桥中央处的节点位移最大，向下的偏移最明显，即挠度最大发生在桥跨中部。

4 地震荷载响应分析

在ANSYS中给模型加以水平地震波EL400，在该地震波作用下的位移—时间曲线如图5所示。在X轴方向的是位移动态图如图6所示。由图6说明，在地震波的作用下，在X轴方向各个节点位移可以清晰看出，随着时间的推移在不断变化。

5 结语

在ANSYS中，对有限元的动力分析理论主要包括反应谱理论、随机振动等非线性振动理论，以及现在数值仿真中常用的时程分析法。随着电子计算机的广泛应用，将实际地震的加速度输入结构计算模型，直接分析结构的地震反应已成为可能。可直接获得地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而计算各个时刻地震作用和构件的地震内力。

摘要：在有限元分析软件ANSYS环境下,对建立的有限元模型某钢桁架桥的桥体在静力的作用下进行节点的位移分析。同时,在该桥体侧向施加地震谱,分析该结构的地震荷载响应,并得出一些结论。

关键词：钢桁架桥,有限元分析,节点位移,地震荷载

参考文献

[1]张朝晖,李树奎.ANSYS11.0有限元分离理论与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2008.