基于聚类分析的地脉动单点谱比应用研究

发布时间：2020-11-18 12:08

　　 场地条件对地表地震动有着重要影响,场地特征参数的测定是场地条件影响研究的首要任务。地脉动单点谱比法因其简便、经济被广泛用于场地动力特性评价。但是受理论假设的不完备性影响和局限,在激励源多且复杂的场地,地脉动H/V谱比与场地的动力反应或传递函数并不完全一致。有效消除激励源影响,提高地脉动单点谱比对场地动力特性的表达精度,建立地脉动谱比参数与场地特征参数之间的关系,始终是地脉动研究的核心问题和难点。本文借助聚类分析在无监督学习样本特征和自动分类方面的高效性能,研究提取表征场地信息的地脉动H/V谱比,建立其卓越频率、曲线特征与场地特征参数的关系和场地类别划分方法。本文完成的主要工作及研究成果包括:1.比较了K-means、层次聚类和FCM聚类对多峰值谱曲线的聚类效力,分析了地脉动H/V谱比聚类后类内相似度和类间差异及其与激励源和场地特征间的关系,构建了基于K-means法的场地相关H/V谱比提取方法。对20个复杂场地地脉动H/V谱比聚类分析结果显示,聚类结果不受初始值选择的影响,更稳定;与场地传递函数的对比显示,利用本文聚类分析方法确定的卓越频率在其中19个场地上精度得到明显提升。2.通过我国西北戈壁荒漠薄覆盖层场地和东南沿海巨厚覆盖层场地的地脉动观测和H/V谱比聚类分析,检验了基于地脉动单点谱比卓越频率的场地特征参数测试方法适用性,修正并扩展了其适用频带范围,给出了基于地脉动H/V谱比卓越频率的场地类别判定方法。结果表明,基于地脉动单点谱比的场地特征参数测定方法在计算场地覆盖层厚度、覆盖层等效周期时,对深厚覆盖层场地会低估,浅覆盖层场地会高估;对该方法修正后,适用频带范围扩展到了0.58~12.5Hz,计算的场地覆盖层厚度、覆盖层等效周期与实测值的平均相对误差提高到22%和27%;基于单点谱比卓越频率对235个场地类型的判别结果正确率为87%,远大于《场地微振动测量技术规程》方法28%的正确率。3.通过分析场地分类规范中不同覆盖层厚度、等效剪切波速V_(s20)和场地类别所对应的地脉动H/V谱比的差异,构造了适用于不同场地特征参数的地脉动H/V谱比聚类分析的距离函数,并与谱比曲线对比验证了其有效性;通过构造的距离函数和谱比标准曲线,分别给出了基于地脉动H/V谱比曲线的区域和单个场地分类方法。结果显示,采用构造的距离函数对所研究的79个场地地脉H/V谱比聚类,对场地类型分类时误判率为0;场地等效剪切波速分类误判率为9%。采用给出的方法对场地特征参数分类,并与地脉动H/V谱比卓越频率法对比,结果显示二者对覆盖层厚度的分类一致,场地类型、等效剪切波分类时,聚类法综合考虑了谱比的卓越频率、峰值等特征。利用单个场地特征参数分类新方法对4个不同场地的特征参数分类,结果显示只有一个场地的覆盖层厚度分类有误。
【学位单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU435
【部分图文】：

中国地震局工程力学研究所硕士学位论文过平均样本来更新簇中心；后者只考虑样本间的相似性，簇间具有相关的链接函数，不用更新样本中心。对于组成较复杂的样本集，K-means 在聚类时对样本平均，可以减小相似性差别大的样本对分类结果的影响，聚和型层次聚类完全按照样本间相似性进行聚类，最后的结果容易受单个样本影响。2.2.2 多峰值谱曲线聚类效果对比分析地脉动信号为各种振源激发并传播形成的不同时窗不同频率成分相互混扰的振动时程，单点谱比曲线一般为复杂的多峰值曲线。本小节构造了由 cos(2π 3 t)、cos(2π 3 t)+cos(2π 0.5 t)、cos(2π 3 t)+ cos(2 π 7 t)、2cos(2π 3 t)4 个主频率（0.5Hz，3Hz，5Hz，7Hz）不同时长信号混杂的简单时程曲线，时长为 500s，采样率为 100Hz，如图 2-1（左图）所示。对模拟信号施加 5.12s 的汉宁窗并采用20 点光滑函数平滑后得到 96 条富氏谱，如图 2-1（右图）所示。96 条富氏谱按卓越频率不同可分为三类。

第二章 基于聚类分析的场地 H/V 谱比提取相关距离： 撈 撈 撈 撈 撈 撈 撈 本曲线，其中 ux、uy为样本平均值函数计算结果知，如果按照欧式距离对曲线 A、B分成一类，如果按照曼哈顿距离分类， A、C 分成 A、B 将分成一类，并且 A、B 之间的相关距离远相关距离函数地对不同峰值频率曲线分类效果最优量谱比曲线间的相似性。

图 2-3 富氏谱 K-means 聚类结果按照聚和型层次聚类的步骤对 96 条富氏曲线聚类，簇间链接选择平均值，按照样本间相似性逐层绘制的树状图如图 2-4。如果想把谱分成三簇，需在相关距离为 0.25 处对树状图进行切割，每一簇的富氏谱如图 2-5。图 2-4 富氏谱聚和型层次聚类树状图
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杜建中;;大地脉动[J];人民黄河;2017年02期

2 郭明珠,谢礼立,于海英;地脉动机制分析方法研究[J];世界地震工程;2002年02期

3 雷立学;;地脉动的稳定性[J];工程勘察;1988年04期

4 李志雄;袁锡文;朱航;丁军;陈金燕;明穗花;;海南数字地脉动参数处理系统[J];地震;2008年02期

5 郑露露;林建民;倪四道;祝捍皓;郑红;;台风激发的第二类地脉动特征及激发模式分析[J];地球物理学报;2017年01期

6 夏英杰;倪四道;曾祥方;;汶川地震前地脉动信号的单台法研究[J];地球物理学报;2011年10期

7 李玉銮;;周边场地及建筑物对地脉动测试影响的探讨[J];福建建筑;2006年04期

8 郭明珠,周嗣平,徐国栋,俞瑞芳;基岩表面地脉动谱比研究[J];岩土力学;2004年07期

9 戚浩;黄显良;汪贵章;夏仕安;张炳;程鑫;;安徽地震台网地脉动处理系统的建设[J];地震地磁观测与研究;2011年03期

10 言利帮;;地脉动在场地卓越周期测试中的应用[J];工程地球物理学报;2009年S1期

相关博士学位论文 前2条

1 罗桂纯;基于强震动观测的场地效应非线性特性研究[D];中国地震局地球物理研究所;2015年

2 曾祥方;射线理论在地震动源和地球内部界面研究中的应用[D];中国科学技术大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈盛扬;基于聚类分析的地脉动单点谱比应用研究[D];中国地震局工程力学研究所;2019年

2 高雷;BMT-Ⅱ型地脉动测试设备研发及其工程应用[D];烟台大学;2019年

3 张振;玉溪盆地三维速度结构建模及地脉动H/V谱模拟[D];中国地震局地球物理研究所;2018年

4 王雅婷;台风激发地脉动特征及源区定位分析[D];浙江海洋大学;2018年

5 张彦;井下地脉动测试方法研究及设备研发[D];烟台大学;2018年

6 于凯;长周期地脉动特征及其在都市地震防灾中的应用研究[D];上海交通大学;2012年

7 郝冰;烟台市区工程场地地脉动特征分析[D];烟台大学;2017年

8 倪世伟;地脉动数据的并行处理方法[D];福州大学;2010年

9 刘宇实;基于地震记录和地脉动的场地速度结构探查研究[D];中国地震局工程力学研究所;2016年

10 戴嘉伟;利用地脉动和强震动观测数据分析汶川地震的场地效应[D];中国地震局工程力学研究所;2016年

本文编号：2888701