近断层危害场三维数值模拟及其并行处理研究

论文摘要

活动断层是引起地震发生的根源。地震灾害是群灾之首。因地震的突发性和不可抗拒性,从而产生巨大危害。大量的震害资料表明,地震时沿断层线的破坏最为严重,人员伤亡也明显地大于断层两侧的其它区域。十五期间,国家投巨资在全国24个大中城市开展城市活断层探测与地震危害性评价工作。淄博市重点活动断裂（张店-仁河断裂）近断层危害场数值模拟属山东省地震局“十五”重点项目计划。本文所完成的主要工作有:（一）首先搜集日本和我国台湾等地典型地震的研究资料,对典型地震活断层近断层危害性影响场进行初步分析;分析和比较近断层地震动的研究方法;总结了近断层强地震动特征,包括上盘效应、竖向效应、破裂方向性效应以及滑冲效应等等。（二）在淄博市活断层探测和地震小区划研究的基础上,建立了淄博市重点活动断裂（张店-仁河断裂）地震危害性评价的地质-构造三维结构模型。在实际模拟时,根据隐伏断层位置、上断点埋深以及介质分层,共考虑了五个试验段,并针对每一个试验段不同倾角、不同倾向的情况分别建立了三维地质模型,包括大规模计算的地质模型在内总共十六个模型。特别是在模拟土的性质时采用了摩尔-库伦模型进行计算,与以往的仅仅采用弹性模型计算相比,更符合实际。（三）采用显式拉格朗日有限差分法,通过对每一个试验段的不同倾角、不同倾向的七种模型施加不同的地震波荷载,得到了张店-仁河断裂近断层地震危害场的数值模拟结果,包括各种情况下的变形场、应力场、位移场和加速度场,数值模拟结果均以图形化的方式显示出来。由于显式拉格朗日有限差分法在求解运动基本方程过程中,不需要形成总刚度矩阵,而是在每一个时间步修正坐标,位移增量加到坐标上,使网格移动和材料变形,每一步本构公式是小应变,但在很多步之后等价于大应变公式。计算结果能表现出接触块体相互运动和变形的特征,并且由于不解总刚度方程,便于在计算机上实现,计算速度快,占用存储空间小。（四）本论文给出了基于区域分解算法的一种有限元并行算法,先将偏微分方程求解区域划分为若干个子区域,然后在各个子区域并行求解。结合大型稀疏矩阵方程组的并行共轭梯度算法,编制了基于Linux操作系统,适用于PC集群的并行有限元计算程序,来对第四章所建立的地质模型进行计算模拟,得到了张店-仁河断裂近断层地震危害场的数值模拟结果,并行程序大大节省了计算时间,具有很好的加速比。由于有限元法更适用于空间变化复杂的介质,能够便利地处理自由表面,精确计算面波的传播,计算精度高。很适宜在分布式内存的PC集群上方便地进行并行计算,因此对于大规模模型可以提高计算速度,非常适用于大规模地球介质模型地震波动场数值计算。（五）通过对有限差分与有限元模拟结果的分析检验,计算结果与近断层强地震动基本特征的吻合,较好的反映了近断层强地震动的盆地效应、方向性效应、上盘效应等基本特征,验证了我们模拟结果的合理性和方法的可信性,同时也证明了震源模型与传播介质模型建立和参数设置的合理性。本文的计算结果可以为防震减灾和工程设计提供指导和参考。另外,模拟中还存在需要进一步改进和加强研究的地方。例如,需要在建立三维地震构造模型方面多做研究,地震构造模型的科学性如何,直接制约、影响到计算结果,其中任何一个参数的变动,将会导致产出结果变化。因此,地震地表变形带的预测是一项综合性很强的工作,需要不同的专业的科研人员的密切配合。但作者相信,这些都会随着资料的积累和研究的深入逐步得到解决,使近断层强地震动模拟更加完善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 近断层强地震动数值模拟研究内容及其现状
• 1.3 近断层地震动的研究方法及其现状
• 1.4 本课题的来源及研究内容
• 1.4.1 本课题的来源
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 第二章 近断层地震动的基本概念和基本特征
• 2.1 引言
• 2.2 断层的概述
• 2.2.1 断层的概念
• 2.2.2 断层要素
• 2.2.3 断层类型
• 2.3 近断层地震动的含义
• 2.4 近断层地震动的基本特征
• 2.4.1 近断层强地震动的集中性
• 2.4.2 地表破裂和地面永久变形
• 2.4.3 近断层破裂的方向性效应
• 2.4.4 近断层速度脉冲
• 2.4.5 上盘效应
• 2.5 本章小结
• 第三章 工程概况
• 第四章 计算模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 震源破裂过程及模型建立原则
• 4.3 两种震源模型的比较
• 4.3.1 动力学模型
• 4.3.2 运动学模型
• 4.4 介质模型
• 4.4.1 各向同性弹性模型
• 4.4.2 摩尔-库伦模型
• 4.5 边界条件的设定
• 4.5.1 基本原理
• 4.5.2 粘性边界
• 4.5.3 自由场边界
• 4.6 模型设计
• 4.6.1 试验段的选择
• 4.6.2 土体模型
• 4.6.3 接触模型
• 4.6.4 边界条件
• 4.6.5 岩土力学参数
• 4.7 所建立的各种计算模型
• 4.8 本章小结
• 第五章 有限差分模拟计算及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 控制方程
• 5.3 显式拉格朗日有限差分法
• 5.3.1 拉格朗日算子分析
• 5.3.2 运动方程
• 5.3.3 本构关系
• 5.3.4 应变、应力和节点力
• 5.3.5 阻尼
• 5.3.6 时间步长的确定
• 5.3.7 显式时间步长法的计算过程
• 5.4 各种模型的模拟结果
• 5.5 计算结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 有限元法的并行模拟及结果分析
• 6.1 引言
• 6.2 有限单元方法基本概念和原理
• 6.3 并行计算的基本理论
• 6.3.1 并行计算的概念
• 6.3.2 并行计算机系统
• 6.3.3 并行计算软件环境
• 6.3.4 并行算法
• 6.3.5 MPI简介
• 6.3.6 并行计算性能评测
• 6.4 区域分解并行有限单元法
• 6.4.1 区域分解算法
• 6.4.2 基于区域分解的并行有限元算法
• 6.4.3 有限元网格的区域分解
• 6.4.4 刚度矩阵的存储方式
• 6.5 预处理共轭梯度法
• 6.5.1 预处理
• 6.5.2 预处理共轭梯度法迭代并行算法
• 6.6 弹塑性并行有限元算法
• 6.6.1 有限元程序矩阵公式
• 6.6.2 弹塑性本构数值积分
• 6.6.3 并行程序设计
• 6.7 并行模拟计算
• 6.7.1 集群系统概述
• 6.7.2 模型转换
• 6.7.3 计算结果
• 6.7.4 结果分析
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所作的项目
• 致谢