考虑非垂直入射与空间变化输入运动的金银岛场地二维地震响应建模及其对地震波传播复杂性的揭示

《Soil Advances》：2D site response modeling of the Treasure Island vertical array considering spatially varying input motions with non-vertical incidence

本文通过建立高精度二维有限元模型，深入探讨了非垂直入射波与空间变化地震动（SVGM）对场地响应分析的影响。研究揭示了波入射角度与地层结构的空间匹配关系对理论传递函数（TTF）变异性的重要作用，为复杂场地条件下的地震危险性评估提供了新视角。

　　

研究亮点

通过系统分析非垂直入射与空间变化地震动（Spatially Variable Ground Motion, SVGM）的独立效应，本研究深入揭示了二者对场地响应的差异化贡献机制。研究结果深化了我们对地震波在土层域内散射行为的理解，为地震危险性分析和岩土工程应用提供了更精准有效的建模思路。

案例研究场地与土壤剖面

位于加州旧金山湾地震活跃区的金银岛，是1930年代末通过人工水力填筑形成的人工岛[30]。该场地在天然沙嘴基础上建造，毗邻基岩出露的耶尔巴布埃纳岛，总体地形平坦，面积约1.6 km×1.0 km，与周边超过100米高差的陡坡地形形成鲜明对比。

数值模型开发

基于Hallal和Cox[30]建立的150°北方位角V_s剖面，本研究采用OpenSees平台开发了二维有限元模型。为提高大规模计算效率（全研究超5200个模型），采用单积分点四节点四边形单元，并依托并行化高性能计算资源实现高效模拟。

结果与讨论

为厘清非垂直入射与SVGM各自对场地响应的贡献，本研究分别对二者进行了解耦分析（尽管SVGM方法本身同时包含这两种效应）。通过采用不同地层复杂程度的土壤剖面模型系列，系统评估了非垂直入射波的影响机制。

结论总结

本研究通过分离评估非垂直入射角与SVGM效应，显著深化了对场地响应机制的理解。研究发现：非垂直入射波会引发显著的侧向散射效应，导致地表响应出现空间变异；而SVGM的引入则有效模拟了实际地震观测中出现的传递函数变异性，特别是在基频范围内的特征变异。虽然这些因素对均值预测的改善有限，但成功再现了经验传递函数（ETF）的波动特征，证实了波场入射方向与地层结构空间匹配关系的关键作用。

这些发现为发展下一代地震场地响应预测模型提供了重要理论基础，强调了在复杂场地条件下必须综合考虑三维波传播效应与输入运动的空间变异性。