载荷对地形变观测干扰的数值模拟研究

马 栋屈 曼侯晓真张 肖陈建国河北省地震局，石家庄 050021易县地震台，河北易县 074211

载荷对地形变观测干扰的数值模拟研究

马 栋1）屈 曼1）侯晓真1）张 肖2）陈建国1）
1）河北省地震局，石家庄 050021
2）易县地震台，河北易县 074211

现有异常核实过程中，在排除载荷对地形变观测干扰方面，主要采用载荷变化时间与地形变异常时间对比分析等定性研究方法；目前很多台站周围环境受到工程建设影响加剧，在异常核实工作中对载荷干扰的定量分析的需求尤为突出；因此，在地形变异常分析和判定过程中，采用数值模拟方法进行载荷对地形变观测影响分析，从定量方面研究地形变的异常变化是否为载荷干扰所致。

以怀来台伸缩仪为例，采用有限元数值模拟方法，计算形变山洞附近砖厂挖土造成的载荷变化对伸缩仪观测的影响。怀来台伸缩仪观测自2010年开始出现明显的年变形态改变，由往年的W型年变形态转为V型。对怀来形变山洞附近的挖土范围进行测量，得到挖土区以及形变山洞位置经纬度和高程，通过坐标转换计算出相对坐标用于有限元数值模拟建模。西南侧挖土区（挖土区边界距形变山洞30 m），面积为1.904×104m2，挖土平均深度12 m，挖土量约为2.28×105m3；西北侧挖土区（挖土区边界距形变山洞40 m），面积为2.71×103km2，挖土平均深度12 m，挖土量约为3.25×104m3。

采用有限元数值模拟软件Ansys中的Solid45单元进行建模，该单元用于建立三维实体结构的有限元分析模型，由8个节点组成，每个节点有X，Y，Z三个方向的自由度；怀来台岩性为花岗片麻岩，弹性模量E=5.2×104MPa，泊松比μ=0.17，比重ρ=2.8×103g/m3。建模范围500 m×500 m，深度80 m；采用自由网格划分，网格长度10 m；在模型底部和侧面施加位移约束；按照挖土区的范围施加面载荷。

对模型进行求解计算，计算出挖土区载荷变化对整个建模区域等效应变的三维等值线，怀来台伸缩仪所在位置的应变变化量已经达到10-7（图1）。为直观地分析挖土区对应变的影响程度，沿怀来台伸缩仪EW分量的布设方位，对三维等值线进行剖分，得到剖面处的二维的应变等值线（图2），分析认为在伸缩仪观测的位置，挖土的影响约为3.3×10-7。依据现场异常核实结果，怀来台附近挖土时间段主要为2010—2012年，而2010—2012年怀来伸缩仪的年变与往年的年变有明显的区别，往年年变形态为W型，该时段年变形态在谷底位置的倒V型已经消失，统计EW分量消失的年变形态的幅度为4.2×10-7、NS分量消失的年变形态的幅度为2.5×10-7；由于挖土对怀来台伸缩仪所在位置应变影响的数值模拟结果与怀来台伸缩仪年变消失的幅度基本接近，挖土时间与资料异常时段也较为一致，并且2013年砖厂停止挖土之后怀来台伸缩仪年变形态逐步恢复。因此，怀来台伸缩仪2010—2012年年变形态的改变主要是由于怀来台附近砖厂大规模挖土造成的干扰。

图1　挖土区对建模区域影响的应变三维等值线图

图2 挖土区对建模区域影响的应变等值线图