基于快速行进法地震层析成像研究

地震层析成像是通过对观测到的地震波运动学特征(射线路径、走时)和动力学特征(振幅、相位、频率)的资料进行分析,反演得到地下地质体结构、速度分布等信息的一种地球物理方法。由于快速行进法具有无条件稳定、精度高、适应能力强等优点,所以被广泛应用于地震层析成像领域。本文将二维快速行进法应用于地震层析成像的研究中,完成了均匀介质情况下的入射波和反射波走时场及射线路径模拟,结果表明基于快速行进法在二维速度随深度线性变化及横向各向异性的模型正演中取得了理想的效果。     

起伏地表条件下瑞雷波传播规律研究

在对建筑场地土进行多道瞬态瑞雷波检测时会遇到起伏的地表地形条件,该地表地形条件会使得地震记录变得复杂,从而影响我们对地下情况的了解。针对常见的沟和垄两种地表地形条件进行瑞雷波的传播模拟,并从炮记录和频散曲线两个方面讨论其传播特征,模拟过程是利用高精度交错网格有效差分技术实现的。实验表明起伏地表地形条件会对能量的分配以及波形的转换产生影响,在检测时要尽量对其加以避让。     

VTI介质地震成像技术在地质勘查中的应用

随着地震勘探目标复杂程度的提高,基于各向同性介质假设的基本成像方法越来越难以满足生产实际需要。因此研究在各向异性介质情况下的成像方法,对于各种地下构造勘探以及矿产开发,都有着极为重要的意义。论文推导适用VTI各向异性介质的SSF延拓算子并实现VTI介质炮域单程波叠前深度偏移,对VTI-HESS模型进行了计算验证。相比各项同性介质情况下的偏移成像方法,VTI介质炮域偏移方法加入了各向异性参数的影响因素,其结果与实际勘探资料更加符合,具有更好的成像效果。     

井中地震波CT浅层城市地下空间成像

城市浅层地质条件复杂,表现为强烈的横向不均性,地层界面倾角大,地质灾害体形状不规则等,为了更加充分、安全的利用地下空间,降低城市地下空间开发过程中安全隐患,本文提出了井中地震波勘探技术,该技术结合逆垂直地震剖面(RVSP)与井间CT成像,能够使用统一的数学方法描述城市地下空间速度结构特征,形成优化组合技术下的高分辨工程物探方法。文章简述了RVSP与井间CT数据采集观测系统,并对常见浅层地质结构进行模型测试分析,利用层析成像方法重建模型速度结构。最终,将井中地震波CT成像技术应用实际溶洞及采空区探测,得出相关结论并提出建议。     

地下洞室地表非线性沉降模型参数确定新方法

根据随机介质理论构建地下洞室地表非线性沉降模型,把 DFP 变尺度算法作为一个与遗传算法的选择、交叉和变异平行的算子,嵌入到改进浮点编码遗传算法中,从而获得基于 DFP 算法和改进浮点编码遗传算法的加速混合遗传算法(AHGA),该方法既保留了 DFP 算法和改进浮点编码遗传算法的优点,又使收敛速度较快,还有可能搜索到最优化问题的全局优化解。通过某地下洞室地表沉降的工程实例分析表明,加速混合遗传算法不仅能解决地下洞室地表非线性沉降模型参数确定问题,而且优化结果优于其它方法。     

大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法

 水电站地下洞室群埋深大,在动力分析时若将模型建至地表将使网格规模庞大,不利于分析效率的提高。提出适合于大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法。该方法将大范围、粗网格的地下地震波动场计算与小范围、细网格结构动力计算分开,分别建立粗网格和细网格模型进行分析。首先,根据深部基岩的地震波传播特性,采用幅值线性折减的方法对地表加速度时程向基岩深处推算,得到在模型底边界的加速度时程,再输入模型可算得大范围的地震波动场。其次,把结构计算模型边界节点放入波动场计算模型中插值,可获得计算模型边界条件,最后,完成地震荷载的输入。算例表明,推算所得模型底部加速度时程考虑工程具体条件,比规范规定的单一折减系数更能反映实际工程的地下地震动特性。同时,在地下洞室的地震响应分析中,地震波过早被地表反射或不考虑地震波的反射,都会对计算结果造成误差,动力子模型方法能够在保证计算结果精确性的同时,使细网格的计算模型不建至地表自由面,可显著缩减网格规模,提升动力计算效率。     

高密度电阻率法二维成像技术及其在工程勘查中的应用

利用二维电阻率成像测量技术可以重构地下介质的精确结构。高密度电阻率法可以看作是一种特殊、方便、实用的层析成像测量方法 ,由此获得的分辨率比常规电阻率法所进行的各种解释都高得多。本文就高密度电率法成像技术的理论与方法进行了粗浅探讨 ,并以几个应用实例说明了该技术的有效性和实用性。     

基于地表及地下强震动加速度记录的场地液化判别

依据强震动加速度记录快速判别土体是否发生液化及液化程度是地震实时防灾减灾的一项主要内容。目前,此类判别方法大多利用地表地震加速度记录进行判别,而对软土场地容易发生误判。针对有地表和地下加速度记录的场地提出一种基于系统辨识的方法,即在具有地表及地下加速度记录的情况下,将地下(一般为基岩位置)加速度记录作为系统输入,地表加速度记录作为系统输出,土体作为结构,利用地表及地下加速度记录组成输入、输出,计算土体的瞬时自振频率,并根据自振频率的改变判断土体液化情况。选取多组强震动记录作为样本,对提出的方法进行了验证,并用此方法对2011年东日本大地震造成的液化情况进行了判别,结果表明判别结果与日本震后的相关调查结果一致。     

隧道–土体–地表结构相互作用体系地震响应影响因素分析

为探讨地下结构近距离穿越地表结构时二者之间地震响应的相互影响规律,建立隧道–土体–地表框架结构相互作用体系计算模型,系统研究对该体系地震响应影响显著的参数,具体包括:隧道的直径和埋深、土体的分层特性、框架结构的高宽比及其与隧道圆心的间距、输入地震波特性等。计算分析表明:(1)隧道对体系自振特性影响并不显著,但地表框架结构则显著改变了体系的频率特征;(2)隧道对地表框架结构地震响应的影响主要与隧道的半径相关,较大的隧道半径可阻隔地震波的传播,从而起到一定的减震功能;(3)由于考虑的框架结构质量相对较轻,地表框架结构对隧道地震响应的影响不显著;(4)由于地震波频谱成分及结构自身频率的影响,不同地震波对体系地震响应的影响十分显著;(5)土的分层特性改变了土体的刚度,因而也影响了体系的地震响应。研究成果可为初步定性确定地下结构与临近地表结构地震响应的相互影响提供参考。     

模拟地下水流运动的三重尺度有限元模型

传统有限元法在模拟地下水流问题时常需要精细剖分描述含水介质的非均质性以保证精度,导致计算消耗过高。传统多尺度有限元法（MSFEM）能缓解这一问题,但在处理高计算量问题时仍需较高消耗来构造基函数。提出了一种用于模拟地下水流的三重尺度有限元模型（MSFEM-T）,该方法在MSFEM的粗、细两种尺度网格之间引入中网格,从而可以在粗网格单元内基于中、细两种尺度网格应用MSFEM本身替代有限元法构造基函数,能够显著降低基函数的构造消耗以提高整体计算效率。此外,MSFEM-T还提出了一种基于粗、中、细三重网格的超样本技术,可以进一步提升其计算精度。数值算例结果显示MSFEM-T的精度与MSFEM和精细剖分有限元法（LFEM-F）的精度相近,且计算效率更高。     

土–地铁动力相互作用体系侧向变形特征研究

针对现有地下结构抗震分析方法用于地铁大型地下结构的可行性研究明显不足问题,根据中国抗震规范的相关规定设计了常见的3种场地类别,考虑输入地震动特性及其强度,通过84种有限元计算工况,分析了土–地铁地下结构非线性动力相互作用体系的侧向变形特征。结果表明,在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3个场地类别条件下输入加速度峰值较大时(0.3g和0.4g),或者场地类别为Ⅳ类时即使输入很小地震动峰值加速度时,土与结构相互作用系数均小于1,即大型地铁地下结构侧向土体总是"推着"地下结构产生最大相对变形,此时地铁地下结构周围土层的大变形将对地下结构抗震造成不利的影响。反之,将会出现地铁地下车站结构侧向最大变形大于等代土体单元的侧向变形,即地下结构的动力变形将受到周围土层的约束作用,此时将对地下结构的抗震起到有利作用。同时,也给出了场地类别和输入地震动特性对土–地铁地下结构相互作用系数的影响规律。     

浅埋地下结构底板在竖向地震作用下动力响应

本文研究了地下结构底板在地震竖向分量作用下的动力响应。利用结构动力学和弹性力学的理论,得到底板的运动微分方程,根据边界条件确定底板在的特征频率和振型。针对输入的地震竖向分量的形式,采用分离变量法求解了强迫振动方程.计算时取前三阶振型,采用振型叠加法得到底板的相对位移和绝对位移,并进而求得底板的弯矩,利用求得的弯矩,可以求解底板的受力情况。通过底板的受力情况,可以直观地对地下结构底板进行评价分析,并且推进了地下结构底板抗震理论的研究和发展。     

岩溶区利用地震速度成像研究地下地质结构及特征

在场地狭窄,电性干扰严重的浅覆盖岩溶区,不利于电探方法来探查地下地层的岩溶发育特征。推荐采用地震纵波速度成像、横波速度剖面来综合探查地下的基岩起伏、地质结构和岩溶发育特征。在野外采用同一个排列保持道距不变的情况下,很容易获得这两种方法的地震记录。两种方法研究结果表明,多道噪音记录的折射微动面波法在探测基岩起伏方面具有较高的分辨率但探测深度浅;多炮点纵波速度成像对基岩面有平滑作用但探测深度较深。钻探资料证实,纵波速度成像中的相对低速区反映基岩内岩溶裂隙发育,是寻找地下水的有利靶区。多道记录,炮点—检波点射线高密度覆盖,可保证获得可靠的速度资料。两种方法联合探测地下岩溶特征具有一定的优势。     

节理岩体地下洞室稳定性的静动力响应分析

节理岩体地下洞室在地震作用下的安全响应是众多专家学者关注的问题之一,本文针对该问题采用三维离散元法研究节理地下洞室的稳定性,建立了一个含节理组的地下洞室模型进行分析研究。分别对洞室开挖后在常规荷载作用下的响应、洞室开挖后在地震荷载作用下的响应以及开挖支护后在地震荷载作用下的响应等三种工况进行模拟,得出了洞室在三种工况下的应力和位移变化情况。研究表明:地震对洞室的破坏非常大且时间短暂,支护后的洞室围岩能够使破坏时间延迟,在一定时间内增强了洞室围岩的抗震能力。本文的工作不仅对含节理的地下洞室开挖后的围岩变形和支护提供借鉴,而且对地下洞室和隧道的抗震设计具有指导意义。     

地下框架结构抗震性能评价方法的研究

目前关于地下结构地震响应的分析大多是计算给定的地下结构在给定地震动下的动力响应,而该结构在该动力响应下是否已破坏则不得而知,这就需进行地下结构抗震性能评价方法的研究。首先总结了目前国内外在地下框架结构破坏评价方法方面的研究,在此基础上,结合《建筑抗震设计规范》,提出了新的评价方法：基于层间位移角的构件变形能力评价和基于有效应力值的构件强度评价。然后,以地铁车站及地下人防工程等地下框架结构为例,建立其三维分析模型,计算其三维地震响应,主要包括结构的水平横向相对位移和结构受力,对地下框架结构抗震性能进行评价。分析表明：所提出的评价方法能初步应用于地下框架结构的抗震性能评价,但仍需进一步完善。研究成果和思路可为《建筑抗震设计规范》中地下建筑结构部分的补充和完善提供有益的帮助。     

地下结构抗震设计中的静力弹塑性分析方法

首先介绍目前地下结构抗震分析方法存在的主要问题,在借鉴地上结构静力弹塑性分析方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的静力弹塑性方法。详细介绍该方法的实施步骤与特点,给出水平等效惯性加速度的求解方法。该方法概念清晰、操作简单,能够在不需要计算相互作用系数的情况下较好地模拟土-结构之间的动力相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,给出地下结构在输入地震波作用下的峰值变形与内力,避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析。结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构静力弹塑性分析方法的可靠性及良好的模拟精度,可以应用于地下结构的抗震分析与设计中。     

浅埋地下结构地震反应分析的惯性力–位移法

现有的地下结构地震反应简化分析方法,如:地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和Pushover分析方法等,均没有考虑上覆回填堆积土体或地震中因剪切破坏失效后的上覆堆积土体在竖向地震作用下产生的惯性力效应。已有研究表明,这种上覆土体竖向惯性力效应对浅埋地下结构支撑构件的抗震性能(抗剪强度和极限变形)有重要影响,是评价浅埋地下结构抗震安全性的关键因素之一,不能忽视。为此,针对浅埋地下结构地震反应分析问题,提出了一种考虑上覆土体竖向惯性力影响的反应位移法,简称惯性力–位移法。给出了惯性力–位移法分析模型的两个关键参数确定方法,包括地基弹簧刚度及上覆土体最大竖向惯性力。工程实例分析结果表明,建议的惯性力–位移法与传统的反应位移法相比,不仅克服了传统的反应位移法不能给出中柱轴力的缺陷外,其它反应量的计算精度与之基本相当。     

高地震烈度区岩体地下洞室动力响应分析

 考虑地震荷载特征及地下洞室的特点,利用动力时程分析法,对金沙江两家人水电站地下厂房洞室进行地震动力响应分析。研究自然地震波作用下,有无衬砌工况下的厂房洞室相对位移、点安全系数变化趋势,分析地震波穿越地下洞室时位移变化规律及厂房洞室衬砌抗震效果。结果发现：地震波传播除了受介质、结构面分布的影响外,还受岩体洞室面的影响,洞室自由面附近岩体的振动强度被放大;地下洞室断面质点最大相对位移、点安全系数波动规律与地震波谱相似;地下洞室壁及F4断层未出现较大永久性位移,处于弹性可恢复范围;施加衬砌后洞室的振动强度降低,洞室围岩刚度增大,其所承受的地震荷载亦随之增大,而位移减小,支护后洞室最大相对位移及永久性位移比无支护工况下分别平均下降10.88%和29.20%,洞室衬砌抗震效果良好。研究结果可为类似工程问题提供参考。     

Seismic capacity assessment of old Sanyi railway tunnels

This paper presents an empirical method and a modified cross-section racking deformation (MCSRD) method to assess the seismic capacities of the old Sanyi railway tunnels that were constructed about one hundred years ago. The proposed MCSRD method is simple and fast. It can automatically take into account the interaction between underground structure and the surrounding ground under seismic action, by using a 2-D finite difference method. The seismic capacities based on the MCSRD method are higher than those based on the empirical method by one JMA intensity scale. The field monitored performance of these tunnels during the 1935 Hsinchu-Taichung and 1999 Chi-Chi earthquakes agree very well with the seismic capacities assessed by the MCSRD method.