地震机制及其对地运动和波传播的影响

首先对地幔对流、大陆漂移和地震起源的机制做了尝试性分析，给出一个简单的力学解释。然后，考虑不同的震源类型，破裂传播以及岩体性质，探讨了震源机制对地面运动和波传播的影响。根据间断（阶跃）波理论阐明了至少应该有两个物理参量才能表征地震烈度，因为在震源处同时有应力阶跃和质点速度阶跃发生。也阐明了断层的破裂速度连同断层面积一起应是第三个重要影响参量，因为它对震源处卸载的时间函数的形式有决定性的影响。由于断层破裂是一个瞬间卸载过程，并引起应力和速度阶跃，而现行惯用的一些概念均未考虑到这一点，所以笔者对工程地震和地震工程中若干概念提出了一些看法，意在引起学术界讨论。     

地震机制及其对地运动和波传播的影响——兼对若干基本概念的讨论

首先对地幔对流、大陆漂移和地震起源的机制做了尝试性分析，给出一个简单的力学解释。然后，考虑不同的震源类型，破裂传播以及岩体性质，大陆漂移和地震起源的机制对地面运动和波传播的影响。根据间断（阶跃）波理论阐明了至少应该有两个物理参量才能表征地震烈度，因为在震源处同时有应力阶跃和质点速度阶跃发生。也阐明了断层的破裂速度连同断层面积一起应是第三个重要影响参量，因为它对震源处卸载的时间函数的形式有决定性的影     

工程场地选择中的几个问题

一、前言国内外的震害经验及近年来的理论研究表明,地震对建筑物的破坏作用与震源特性、传播途径和局部场地条件有密切关系。其中震源特征包括震源处应力条件、破裂大小、震源深度、滑动特性及方向性等。在通常情况下,震源特征强度可概括用震级表示;传播途径包括几何扩散、吸收、不均匀性、由体波向面波的转换等,实际工程中一般都采用场地至震源的某种距离来概括;局部场地条件通常是指土质、地形地貌、局部断层等可能影响震害的局部场地因素,目前     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

震源机制和断层面的介质刚度对强地面运动的影响

1999年9月21日台湾集集地震(MW7.6)的近断层强地面运动分布具有2个明显特点:(1)地表水平峰值加速度、峰值速度和位移在断层两侧的分布不对称,上盘效应明显;(2)加速度、速度和位移沿断层方向分布特点不一致。在理论分析和对台湾921集集地震的震源机制和断层面的介质特性研究的基础上,建立起一个简化的有限移动源模型,用有限元方法对设计模型的地面运动进行了数值模拟,模拟结果与921集集地震观测到地面运动分布特点相似,并得到如下结论:在不考虑场地条件等影响因素的情况下,断层面的介质刚度在一定程度上影响近场地震动加速度和速度的大小,地面峰值加速度近似与断层面的介质刚度μ成正比,地面峰值速度近似与断层面的介质刚度的平方根μ成正比。另外,与断层面介质特性有关的断层位错量、断层面的倾角、破裂方式和运动方向等震源机制参数对强地面运动分布特点也有很大的影响。过去的研究通常简单地把近场地面运动分布不均匀性归结为震源破裂过程的复杂性,研究结果进一步表明,震源机制和断层面的介质刚度是造成近场强地面运动分布不均匀性的主要因素,震源的复杂性与震源机制和断层面的介质刚度不均匀分布有关。     

关于设计地震反应谱

问:什么叫地震弹性反应谱? 答:地震发生时,震源处蓄积的部分能量以应力波的形式传播出去,传播到地表面的波将引起地面运动;地面运动的结果使建筑物产生摇动和晃动,通常将建筑物所产生的振动形态叫做对地面运动的反应。普通物理学中谱的概念,是把一种复杂的事件分解成若干独立的分量,并按一定的     

对软土中锤击贯入桩桩身层裂现象的研究

在软基中打桩时,软土层对桩的阻力很小。当桩锤以一定速度夯击桩头,桩身便传播着应力波,此类压缩波在桩尖近似自由面处反射后成为反向拉伸波,压缩、拉伸波干涉的结果往往在桩尖上部形成一个相当高的拉应力区,这会导致桩底端附近层裂(断裂)。基于一维应力波理论,采用有限差分法,对此进行了初步探讨,得出了一些有益的结论,供工程应用参考。     

平直断层黏滑及动态破裂扩展的实验研究

研究断层黏滑的力学特性,观测断层破裂扩展过程,对了解震源过程具有重要意义。基于实验地震方法,对辉长岩平直断层试样进行双轴加载,模拟自然地震现象。在0.05～0.5?m/s加载速率范围内研究加载速率对断层黏滑应力降和周期的影响。通过超高速数字散斑观测系统对断层的动态破裂过程进记录,利用数字图像相关(DIC)技术处理获得断层破裂扩展过程中的位移场以及剪应变场,据此分析断层的动态破裂扩展过程。研究结果表明:(1)在本实验的加载速率范围内,加载速率越低,则黏滑周期越长,平均应力降越大,断层整体滑移量也越大。(2)孕震断层上的成核区域不仅限于一个,断层破裂经历了成核、低速联接以及快速扩展3个阶段,快速扩展的速度接近甚至超过辉长岩试样的剪切波速。(3)断层面上存在一些凹凸体和弱段,造成断层动态破裂扩展过程的复杂性以及断层滑移分布的不均匀性。     

岩体破裂震源定位问题探讨与展望

震源定位是微地震/声发射数据处理的关键环节,其准确性与时效性是实现岩体破裂机制分析和岩体动力灾害监测预警的重要基础。基于大量岩土工程微地震/声发射监测震源定位案例与相关文献,归纳总结了国内外微地震/声发射监测相关的理论与应用现状。从震源定位原理出发,探讨震源定位精度的影响因素及相关问题的主要研究方向。通过分析得出震源定位问题属于受多因素干扰的复杂非线性反演过程,其定位精度受以下因素影响:(1)应力波噪声去除与到时拾取效果;(2)速度模型的准确性;(3)基于速度模型的走时算法精度;(4)震源定位方法反演性能;(5)监测设备性能与布设方案设计。基于微地震/声发射监测技术的海量数据处理需求,展望了深度学习等智能方法在提高震源定位精度方面的未来应用及发展方向。     

轴向静载对红砂岩中应力波传播特性的影响试验研究

由于开挖卸荷效应以及原岩应力的复杂性,围岩体承受的静应力大小具有动态变化特点。为了研究静应力大小对岩石应力波传播的影响,利用动静组合加载试验装置,对红砂岩长试件进行小扰动的应力波传播试验,试件轴向静应力分别设置为13个等级。通过应力波传播速度和幅值随传播距离、传播时间以及静应力的衰减规律,研究不同静应力条件下应力波的传播衰减特性。结果表明,相同轴压下,不同测点处应力波形状基本相同;不同轴压下,相同测点处应力形状变化较大,轴压越大,应力波尾部出现的拉伸波越大。随着轴向静应力的增加,岩石纵波波速呈"快速增加–平缓发展–急剧减小"的趋势,轴向静应力与单轴抗压强度之比?s/?c=30%和?s/?c=55%是其2个应力分界点。相同轴压下,应力波幅值随传播距离及传播时间都具有良好的指数关系;随着轴压的增加,空间和时间响应强度逐渐减小,幅值空间衰减系数和时间衰减系数呈"快速减小–平稳发展–急剧增大"的趋势。随轴压增加,相同测点处幅值随轴压衰减系数??s先减小后增大,离冲击端越近测点处的??s变化越敏感。     

非线性法向变形节理对岩体电磁辐射传播 的影响研究

 为了明确非线性节理对岩体电磁辐射传播过程中强度的影响,从压电效应机制出发,给出含石英等压电介质岩体在应力波作用下所产生的电磁波与入射应力波之间的关系。并依据两者之间的关系及应力波在非线性节理面的透反射解,获得应力波作用下岩体电磁辐射强度变化与节理参数之间的关系表达式。同时,研究节理的变形和入射波频率对电磁辐射强度的影响。结果表明,在震源中心,电磁辐射强度最大,随传播距离发生衰减。电磁辐射强度随节理变形增大而增大;并且随着传播距离的增大,高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快得多。     

应力波在功能梯度土介质中传播的特性研究

研究了将功能梯度材料中应力波传播的计算模型应用到土介质中，提出了梯度土介质的概念。结合黄土地层的实际情况和试验结果，将土的剪切模量和阻尼比归纳为随深度旱指数连续变化的函数，推导了应力波在该梯度土介质材料中的运动方程，然后应用有限差分法对波动方程进行了求解。计算了在梯度士介质地层模型下，不同厚度上层、不同土介质时地表的位移、速度以及加速度对上部结构影响的反应谱曲线，并进行了比较分析，得出了在地震波作用下地表反应对结构物影响的有关规律性，可为地基抗震工程提供参考。     

岩体节理在动荷作用下的有限元分析

本义用约束节理单元法模拟应力波在节理处的传递过程。推导了动态约束节理单元的有限单元方程和数值分析公式以及碰撞、放释条件，并针对奥地利某公路隧洞工程进行了爆炸应力波在节理岩体中传播的有限元分析。     

大型结构面产状影响下应力波传播规律研究

 首先验证基于离散元法的数值软件UDEC模拟应力波在岩体中传播的可行性。然后,运用离散元数值模拟技术,对应力波穿越不同产状大型结构面的传播特征进行探讨,并以龙门山地区的3条主要断裂对汶川地震应力波传播规律影响为实例加以说明,确认断裂隔震效应以及断裂上盘效应。研究结果表明：(1) 应力波在结构面两侧造成的地表动力响应存在异常,靠近震源一侧的地表响应强烈;(2) 结构面倾角对应力波的反射作用表现出随结构面倾角增大先增大后减小的趋势,随着结构面数量的增加,透过结构面的应力波产生的扰动越弱;(3) 汶川地震中汶川-茂县断裂和灌县-安县断裂对汶川地震地震波具有明显的阻隔作用,使汶川-茂县断裂上盘靠近断裂的地表垂向加速度峰值比不存在断裂时降低38%,灌县-安县断裂下盘靠近断裂的地表加速度峰值则降低47%;(4) 断裂对地震波的反射使得映秀-北川断裂上、下盘地表动力响应异常增强,与不存在断裂情况时相比,该断裂上、下盘两侧岩体的垂向加速度峰值分别升高了41%和32%。本研究结果反映断裂的隔震效应与上盘效应。     

柱面波在节理岩体中的传播特性

 柱面波在节理岩体中传播规律的分析对于岩石工程特别是采矿工程和地下工程具有重要的研究意义。基于波阵面的动量守恒和节理的位移不连续理论,首先对入射柱面P波与线弹性节理之间的相互作用关系进行定量分析,推导应力波通过单节理的传播方程。根据应力波的几何扩散性,进一步分析柱面波的能量衰减。当波阵面相对节理面垂直和倾斜2种情况时,分别计算出相应的透射和反射系数,并将计算结果和波阵面为平面的情况进行对比,结果吻合较好。最后开展参数研究,分析节理不同位置处的透射波及波源节理距离和节理的刚度对柱面P波在节理岩体中传播影响的规律。     

斜入射地震波在土体中产生的动应力路径及试验模拟

针对地震波传播时并非垂直的情况,基于半无限弹性空间地震波的传播理论,对地震波进行简化,考虑斜入射时地震波在自由界面处的反射,推导了地震波斜入射时地震应力的计算公式,并通过计算实例分析了不同入射角度下,P波、SV波单独斜入射时在土单元体中所产生的地震应力以及所形成的应力路径。结果表明：当P波、SV波单独斜入射时,土单元体在平面应力差-剪应力平面上形成的应力路径均为一个倾斜椭圆,斜椭圆的倾角和长短轴之比随地震波入射角度、频率、波速等影响因素在一定范围内变化。文中还针对如何实现倾斜椭圆形应力路径的室内试验模拟进行了初步探讨分析。     

平面应力波在岩质边坡中的传播规律研究

动荷载对岩体工程的影响本质上是应力波在岩体中传播和相互作用的过程。首先,依据弹性波几何射线理论,考虑边坡中坡顶、坡面2个自由面的影响,分析平面简谐P波自底部均匀入射时,岩质边坡中应力波场的组成,并通过叠加计算,得到坡体内质点振动速度放大系数的表达式,从理论角度揭示均质岩石边坡质点速度放大效应的机制。随后,探讨影响边坡质点速度峰值分布的关键因素,研究结果表明:P波和SV波在边坡中传播路径和传播速度不同,其到达某一质点的时间存在相位差,导致质点应力波场存在延时叠加,加之谐波振动的周期性,当边坡坡高或入射波频率大于一临界值时,坡体内质点速度放大系数呈现"节律性振荡"。临界坡高、临界频率值与岩石弹性模量成幂函数关系,临界坡高与频率、临界频率与坡高则成负幂函数关系。     

大理岩对多次冲击波的非线性动态响应

 利用霍普金森压杆装置对干燥和水饱和大理岩进行多次冲击波在长杆岩石试件中传播的实验研究。结果表明,冲击动态模量随应变或应力的改变而不断地变化。对于干燥大理岩,当冲击应力小于屈服强度时,随应力波传播时间或距离的拉长,模量表现为降低;并且,由于卸载模量大于加载模量,导致卸载波不断追赶加载波,使应力波形由宽变窄,应力波幅不断衰减。随着冲击次数的增加,实验显示出干燥岩石的模量增大,应力波形变窄,弥散效应减弱,衰减幅值减小,残余应变也随之减小的冲击压实效应。对于饱水大理岩,当冲击应力大于屈服强度时,其模量、应力波形特征均与干燥大理岩的冲击结果相类似;随着冲击次数的增加,饱水大理岩出现波形拉长散开,后沿缓波更显著,应力–应变曲线的模量降低,残余应变增大,这与干燥大理岩正好相反。这是因为超过屈服点的冲击导致饱水大理岩的裂纹扩展和新裂纹的生成,引起体积膨胀,模量下降。这些实验结果对大型工程尤其是防护工程的设计和施工是有现实意义的。     

微地震波在煤矿岩层中的传播特征研究

 在塔山矿8103工作面微地震监测中,测到距离震源远的底板孔检波器比距离震源近的顶板孔检波器先接收到微地震波的异常现象。研究表明,微地震波的直达波和透射直达波两种传播模式是造成这一异常现象的主要原因。在性质相近的介质中,微地震波是按直达波模式传播,现场监测到的“顶板断裂产生震动波—顶板—顶板检波器”的路径是典型的“直达”传播模式。而在性质差异较大介质的界面处,微地震波在入射界面上的入射点将形成新的震源点,并以新震源点为起始点,再按直达波模式传播,从而形成“透射–直达”传播模式,现场监测到的“顶板断裂产生震动波—综放支架—底板—底板检波器”的路径是典型的“透射–直达”传播模式,这是造成微地震监测中“远点先达”现象的重要原因。根据微地震波在煤矿岩层中的传播特征可以确定合理的定位方法和验证震源定位的准确性。实践证明,在性质差异较大的介质中定位震源时,需将性质相近介质中的检波器信号放在一起定位,这样可以减弱“透射–直达”传播模式造成“远点先达”现象的影响,提高定位精度。     

基于应力波理论的岩爆机理分析

针对岩爆明显的动力特征,根据Hopkinson破裂现象与岩爆的相似性,由一维杆件应力波传播方程出发,对圆形地下硐室应力波传播方程进行了推导,对应力波诱发岩爆进行了分析,并且对地应力、施工等因素的影响进行了解释,为岩爆的研究奠定了基础。