載荷對地形變觀測干擾的數值模擬研究

馬 棟屈 曼侯曉真張 肖陳建國河北省地震局，石家莊 050021易縣地震臺，河北易縣 074211

載荷對地形變觀測干擾的數值模擬研究

馬 棟1）屈 曼1）侯曉真1）張 肖2）陳建國1）
1）河北省地震局，石家莊 050021
2）易縣地震臺，河北易縣 074211

現有異常核實過程中，在排除載荷對地形變觀測干擾方面，主要采用載荷變化時間與地形變異常時間對比分析等定性研究方法；目前很多臺站周圍環境受到工程建設影響加劇，在異常核實工作中對載荷干擾的定量分析的需求尤為突出；因此，在地形變異常分析和判定過程中，采用數值模擬方法進行載荷對地形變觀測影響分析，從定量方面研究地形變的異常變化是否為載荷干擾所致。

以懷來臺伸縮儀為例，采用有限元數值模擬方法，計算形變山洞附近磚廠挖土造成的載荷變化對伸縮儀觀測的影響。懷來臺伸縮儀觀測自2010年開始出現明顯的年變形態改變，由往年的W型年變形態轉為V型。對懷來形變山洞附近的挖土范圍進行測量，得到挖土區以及形變山洞位置經緯度和高程，通過坐標轉換計算出相對坐標用于有限元數值模擬建模。西南側挖土區（挖土區邊界距形變山洞30 m），面積為1.904×104m2，挖土平均深度12 m，挖土量約為2.28×105m3；西北側挖土區（挖土區邊界距形變山洞40 m），面積為2.71×103km2，挖土平均深度12 m，挖土量約為3.25×104m3。

采用有限元數值模擬軟件Ansys中的Solid45單元進行建模，該單元用于建立三維實體結構的有限元分析模型，由8個節點組成，每個節點有X，Y，Z三個方向的自由度；懷來臺巖性為花崗片麻巖，彈性模量E=5.2×104MPa，泊松比μ=0.17，比重ρ=2.8×103g/m3。建模范圍500 m×500 m，深度80 m；采用自由網格劃分，網格長度10 m；在模型底部和側面施加位移約束；按照挖土區的范圍施加面載荷。

對模型進行求解計算，計算出挖土區載荷變化對整個建模區域等效應變的三維等值線，懷來臺伸縮儀所在位置的應變變化量已經達到10-7（圖1）。為直觀地分析挖土區對應變的影響程度，沿懷來臺伸縮儀EW分量的布設方位，對三維等值線進行剖分，得到剖面處的二維的應變等值線（圖2），分析認為在伸縮儀觀測的位置，挖土的影響約為3.3×10-7。依據現場異常核實結果，懷來臺附近挖土時間段主要為2010—2012年，而2010—2012年懷來伸縮儀的年變與往年的年變有明顯的區別，往年年變形態為W型，該時段年變形態在谷底位置的倒V型已經消失，統計EW分量消失的年變形態的幅度為4.2×10-7、NS分量消失的年變形態的幅度為2.5×10-7；由于挖土對懷來臺伸縮儀所在位置應變影響的數值模擬結果與懷來臺伸縮儀年變消失的幅度基本接近，挖土時間與資料異常時段也較為一致，并且2013年磚廠停止挖土之后懷來臺伸縮儀年變形態逐步恢復。因此，懷來臺伸縮儀2010—2012年年變形態的改變主要是由于懷來臺附近磚廠大規模挖土造成的干擾。

圖1　挖土區對建模區域影響的應變三維等值線圖

圖2 挖土區對建模區域影響的應變等值線圖