四川和云南地区场地平均剪切波速vS20和vS30经验预测模型研究

利用四川和云南地区共973个工程场地钻孔资料,分别基于常速度外推模型、对数线性模型和条件独立模型的经验外推方法建立了该区域20 m和30 m平均剪切波速v_S20和v_S30的经验预测模型。研究表明常速度外推模型的预测误差最大,当波速资料深度小于10 m时,常速度外推方法会显著低估实际场地平均波速。基于对数线性外推方法建立了四川和云南地区波速经验预测模型,对比结果表明四川和云南地区平均波速预测结果与北京和加州地区较接近,明显低于日本地区。基于三种不同外推方法的预测误差对比分析结果表明条件独立性模型的预测结果在不同深度时误差均为最小,建议优先采用该方法建立的区域波速预测模型。      

四川地区深度小于30m钻孔的_s(30)估计方法

本文收集了733个四川地区的实测钻孔数据,从中筛选出深度大于30m的268个钻孔剖面资料。分别获得了10m、15m、20m、25m和28m不同深度处的平均剪切波速_s(d)与_s(30)的对数线性相关关系。同时还与Boore(2004)的结果做了对比分析,比较了采用常数外推法和对数线性外推法得到的不同深度处剪切波速的残差分布。结果表明,不同深度处剪切波速_s(d)与_s(30)的对数相关关系可能具有一定的区域性特征,本文得到的对数关系更适合四川地区。对数线性外推法与常数外推法相比,前者的系统偏差更小;随着深度的增加,两种方法的外推误差均逐渐减小,但常数外推法普遍低估了_s(30)值;当深度较浅时,低估的情况更为明显。本文的研究结果为利用大量的不足30m的钻孔资料估计_s(30)值提供了参考。     

北京平原地区VS30估算模型适用性研究

本文使用基于钻孔测井数据的3类模型,即常速度外推模型、速度梯度模型、双深度参数外推模型,通过对北京地区460个深度超过30m的钻孔剪切波速资料进行分析,详细探究了V_S30估算模型在本研究区的适用性。研究结果表明双深度参数外推模型在估算V_S30上准确度很高,其不需要大量的数据进行回归分析,且不具有区域独立性,可以为全球包括北京地区场地类别划分提供依据,进而在震害快速评估中用于确定场地影响,是一种值得推广的估算模型。     

四川地区深度小于30m钻孔的估计方法

本文收集了733个四川地区的实测钻孔数据,从中筛选出深度大于30m的268个钻孔剖面资料。分别获得了10m、15m、20m、25m和28m不同深度处的平均剪切波速 与 的对数线性相关关系。同时还与Boore（2004）的结果做了对比分析,比较了采用常数外推法和对数线性外推法得到的不同深度处剪切波速的残差分布。结果表明,不同深度处剪切波速 与 的对数相关关系可能具有一定的区域性特征,本文得到的对数关系更适合四川地区。对数线性外推法与常数外推法相比,前者的系统偏差更小;随着深度的增加,两种方法的外推误差均逐渐减小,但常数外推法普遍低估了 值;当深度较浅时,低估的情况更为明显。本文的研究结果为利用大量的不足30m的钻孔资料估计 值提供了参考。     

雄安新区vS30经验估计研究

选用国际最常见的v_S30经验估算模型(常速度外推模型、速度梯度外推模型、双深度参数模型),利用雄安新区435个剪切波速剖面达30 m的钻孔数据,计算估算值v_SE30和实测值v_S30的相关性、v_SE30的相对误差,验证经验估算模型的适用性。结果表明：双深度参数模型不需要对大量场地数据做回归分析,没有区域依赖性,准确度也有显著提高。该模型更适用于雄安新区工程建设中v_S30的确定。     

雄安新区剪切波速剖面VS30估算模型研究

本文基于雄安新区起步区区域性地震安全性评价工程435个钻孔剖面数据,选取其中300个钻孔剖面进行回归分析,利用剩余的135个钻孔剖面数据进行模型可靠性检验。研究结果表明,当钻孔剖面深度小于15 m时,Boore等模型明显低估了V_S30;当深度小于10 m时,本研究中对数线性模型、对数二次模型、对数三次模型存在约3%的低估现象;对数三次模型相对误差、残差标准差均较小,因此,对数三次模型更适用于估算雄安新区缺乏钻孔资料或钻孔剖面深度未达30 m的 V_S30。     

强震动台站的场地V_(S30)估计及场地放大系数模型研究

场地条件对地震动具有显著影响,是确定抗震设计地震动参数时需要考虑的重要因素,因此,探究场地条件对地震动的影响规律具有重要意义。地震作用下产生的地面运动(地震动)是震源特征、路径特性和场地特征三方面因素的体现,其直接、客观地反映了场地条件对地震动的影响,因此是研究场地条件影响机制的重要数据基础。虽然目前全球强震记录较为丰富,但是受限于强震台站场地资料的完整性,大量已获取的强震记录无法应用,进而严重制约了对场地条件影响的研究。为了改变这一现状,本文提出了通过强震记录及部分台站的剪切波速数据估计缺乏勘测试验数据、或钻孔深度小于30 m的强震台站的场地条件参数V_(S30),利用日本、美国加州等地区强震资料对方法的效果进行检验。将方法应用于中国西部地区,估计了部分强震台站的场地参数V_(S30)。在确定中国西部地区台站场地V_(S30)的前提下,以其为变量建立了定量估计场地放大系数的经验模型。完成的主要工作包括以下几方面:(1)通过广义反演技术获取了强震台站的场地放大,再利用均方根阻抗比方法,建立了不同强震台站的场地1/4波长深度内等效剪切波速间的关系,根据剪切波速已知的台站,确定了缺乏剪切波速数据的台站的场地V_(S30)。利用日本、美国加州和中国西部地区的强震资料验证了估计方法的效果。将方法应用于中国西部地区,确定了部分强震台站的场地V_(S30)。(2)基于台站场地的浅层(深度小于30 m)土体剪切波速以及单台场地放大曲线,提出了确定钻孔深度小于30 m的台站的场地V_(S30)的方法。利用日本、美国加州等地区的强震资料验证了估计方法的效果。该方法避免了估计V_(S30)时对速度梯度延拓模型的依赖。将方法应用于中国西部地区,确定了部分钻孔深度小于30 m的台站的场地V_(S30)。(3)以中国西部地区强震台站的场地资料和数据为基础,通过分析场地卓越周期T0与场地V_(S30)的关系,建立了两者的经验模型。利用经验模型确定了中国西部地区缺乏剪切波速、且不满足广义反演前提的台站的场地V_(S30)。将经验模型与其他方法估计结果相比较表明:经验模型估计值在表征场地放大方面具有优势,其与场地放大系数之间表现出更强的相关性,利用其估计场地放大系数的离散性更小。(4)以中国西部地区实际钻孔资料为基础,利用数值方法研究了土体非线性特性对场地放大系数的影响规律,结合强震记录建立了考虑土体非线性效应的场地放大系数模型。对模型结果的分析表明,该模型符合中国西部地区场地条件对地震动的影响规律。利用包含这一场地放大系数模型的衰减关系计算了加速度反应谱,结果表明衰减关系能够反映土体非线性反应对加速度反应谱的影响。     

基于场地卓越周期的V_(S30)估计方法研究——以川甘地区强震台站为例

地表以下30 m深度内的平均剪切波速V_(S30)是广泛用于地震动衰减关系和场地分类的场地条件参数,但是由于一些强震台站的场地钻孔资料不完备,无法获得V_(S30)参数,从而影响和限制了台站获得的强震记录被深入挖掘和广泛应用。以中国四川、甘肃地区强震台站的场地资料和数据为基础,通过分析场地卓越周期T_0与场地V_(S30)的关系,建立两者的经验模型。将本研究方法与其他方法估计结果相比表明:本文估计的V_(S30)在表征场地放大方面具有优势,其与场地放大系数之间表现出更强的相关性,且其对场地放大系数的影响规律更符合场地条件对场地放大影响的物理本质;本文方法估计的V_(S30)可以显著减小中国川甘地区场地放大系数的标准差,特别是在周期0.3 s时,减小幅度可达19%。此外,依据不同地区的场地资料,建立了根据场地周期T_0估计V_(S30)的经验模型,不同地区比较表明,经验模型之间存在明显的区域性差别。结论表明,本研究方法可为缺乏详细场地钻孔资料地区估计V_(S30)参数提供参考。     

带有地质和地形约束的加利福尼亚州V_(S30)图

许多地震工程应用工作中,场地响应由直到30m深度的时间平均剪切波速(V_(S30))的经验关系式估计。因此这些工作要么依赖于特定场地的V_(S30)测量数据,要么依赖于全球、区域或局部尺度的V_(S30)图。由于V_(S30)测量数据稀少,所以我们通常需要代用值来估计未采样区域的V_(S30)值。我们给出了一幅计及像地质、地形与特定场地V_(S30)测量数据多源不同空间尺度观测约束的新加利福尼亚州V_(S30)图。我们使用回归克里格(RK)地学统计方法结合这些约束预测V_(S30)。对V_(S30)趋势,我们以基于地质的V_(S30)值开始,识别了两种清晰的介于地形梯度和地质V_(S30)模型残差的趋势。一种趋势适用于深、细砂第四纪冲积层,而第二种趋势略强,适用于更新世沉积单元。回归克里格框架确保形成的加利福尼亚州图在局部上精细地反映了整个加利福尼亚州快速扩展的V_(S30)数据库。我们比较了这种新制图方法与以前绘制的加利福尼亚州V_(S30)图的精度。通过比较使用我们的新图和现有图V_(S30)值的真实场景地震动区划图,我们也说明了地震动对新V_(S30)图的敏感性。     

工程地震中v_(S30)估算模型及其应用研究进展

在工程地震场地条件评价中,地表以下30m深度范围内的等效剪切波速(vS30)是一个重要的分类参数,但由于客观条件的制约,在很多实例中等效剪切波速度的计算深度未达到30m,因此如何更好地估算vS30就变得尤为重要。详细阐述vS30估算模型的演化发展:首先介绍基于钻孔测井数据的3类模型,即常速度外推模型、速度梯度模型、双深度参数外推模型;然后详述基于地质、地形坡度和地貌等替代指标的vS30估算模型,以及基于HVSR的反应谱比的估算模型。文章分析各模型的特点和适用性,同时在此基础上简述了vS30在现今工程地震领域的应用。     

喀什乌恰地区场地卓越周期T_0和V_(S20)相关性研究

以喀什乌恰地区为研究区,利用统计回归的方法,采用线性对数模型,拟合得到该地区V_(S10)和V_(S20)关系式,lgV_(S20)=0.3944+0.8616lgV_(S10);T_0和V_(S20)关系式,ln(V_(S20))=5.1497-0.4026ln(T_0),2个关系式决定系数均大于0.8,相关性较好。T_0和V_(S20)分析中,发现当场地覆盖层厚度较小时,场地卓越周期较小,此时T_0主要受剪切波速影响,2者相关性较好;当场地覆盖层厚度较大时,场地卓越周期较大,此时T_0受剪切波速影响有所减弱。     

新疆乌鲁木齐地区vS30经验估计研究

从新疆乌鲁木齐市2004—2015年得到的841个钻孔中选择深度达30 m以下且钻孔资料记录完整的有效钻孔123个,通过计算5~30 m范围内不同深度的等效剪切波速,分别利用线性拟合、二次拟合和三次拟合对各深度v_S（d）及其v_S30进行拟合。通过对比发现,三个方程的拟合误差都随深度的增加而减少,且三次拟合方程的误差始终小于同深度的线性拟合和二次拟合方程,因此推荐使用三次拟合方程来估计新疆乌鲁木齐市钻孔的v_S30值。同时将此结果和Boore的结果进行比较后发现,不同深度处的等效剪切波速v_S（d）和v_S30具有地域差异性;Boore得到的结果在钻孔深度小于20 m时明显高估v_S30值,拟合曲线偏离实际数据点较远,所以本文拟合结果更适用于新疆乌鲁木齐市。综合比较可知,三次拟合得到的研究结果可以为新疆乌鲁木齐市钻孔深度不足30 m的地区求解v_S30值提供参考。最后,利用新疆克拉玛依市2004—2015年钻孔资料检验三个拟合公式对克拉玛依市的适用性,发现深度越接近30 m,误差越小;线性模型和二次模型相对来说比较可靠,平均误差接近于0,并且对深度大于10 m的钻孔有高估现象;三次模型相对来说误差比较大,并且几乎在所有深度都有低估现象。     

四川、甘肃地区VS30经验估计研究

目前我国建筑工程抗震设计规范中对于工程场地条件的判断依据主要是地表以下20m深度范围内土层的等效剪切波速,简称VS20。相比之下,国外应用较广的是地表以下30m深度范围内的等效剪切波速,简称VS30。这种差别导致国内科研工作者在应用国外的地震工程、工程抗震模型时经常遇到对场地条件描述不准确的困难。为了解决这个问题,本文根据147个四川、甘肃地区国家强震动台站20m左右深度的钻孔剪切波速数据,利用延拓方法、场地分类统计方法以及基于地形特征的VS30估计方法研究各台站VS30与VS20的经验关系,对比发现基于速度梯度延拓的结果最为可取。参考国际上通用的Geomatrix Classification场地分类标准,最终得到四川、甘肃地区各类场地的平均VS30,此结果可以为缺乏钻孔数据的工程场地的VS30估计提供参考。     

根据浅层剪切波速度剖面(深度<30m)估计V_S(30)的新方法

建筑规范中,地表到地下30m深度的走时平均剪切波速度[VS(30)]是场地分类的重要参数。利用在两个不同深度[VS(z1)和VS(z2),且z1z230m]下得到的走时平均剪切波速度,提出了用井孔中测量的浅层剪切波速度剖面估计VS(30)的新方法。选用剪切波速度剖面达30m的日本KiK-net台网594个井孔和美国加利福尼亚州的135个井孔的数据,通过VS(30)实测值与VS(30)估计值之间的相关性和用VS(30)估算值给出场地分类的准确性验证了该新方法的可靠性。结果显示,该方法可以提高VS(30)的准确度,且VS(30)的实测值与估算值之间的皮尔逊相关系数等于0.999,VS(30)的估算值给出的场地分类准确率大于96%,而z1≥10m,z2=25m。利用来自日本的数据研究了VS(z)的实测值与估算值在6个不同深度(50,100,150,200,400,600m)时的相关性,结果表明当所选的两个深度(z1,z2)接近某个深度z时,利用该假设方法估算的VS(z)(z≥50m)的准确度有所提高。相比Boore(2004)和Boore等(2011)的方法,新方法不需要对大量场地做回归分析以获得经验关系,没有区域性依赖,准确度有显著提高,且在世界的许多地方均有潜在的用途。     

根据瑞雷波确定近地表品质因子Q

反演高频率(≥2Hz)的瑞雷波的相速度可得到分层地球模型从地表到地下30m以内的剪切(S)波速度。如果已知S波速度VS、压缩(P)波速度VP和瑞雷波速度,通过反演瑞雷波衰减系数就可以获得分层地球模型的P波品质因子QP和S波品质因子QS。模拟结果证明,根据瑞雷波衰减系数反演品质因子QS是可行的。当VS/VP达到0.45时,不能忽略QP对瑞雷波衰减系数的贡献,这种情况在近地表构造中并非罕见。从某些地质构造中的瑞雷波衰减系数反演得到QP是可能的,这是一种不同于一般认为的观点,即相对于P波的品质因子QP,瑞雷波的衰减系数对S波的品质因子QS更为敏感。在亚利桑那沙漠,采集了60道的面波数据。对一个层厚度超过20m的10层模型,首先利用多道面波分析(MASW)方法反演数据得到S波速度,然后通过反演衰减系数确定品质因子。     

融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V_(xx)、V_(yy)、V_(zz)和V_(xz)重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用IIR带通滤波器在5～41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明:引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.     

天然地震频率范围内首都圈地区近地表S波速度结构

近地表沉积层的S速度结构是强地面震动模拟和地震灾害估计的重要参数,尤其是浅部的S波速度结构在工程上具有重要的应用意义.目前大部分资料来源于工程钻孔或工程地震探测,很少有地震波频率范围内的S波速度结构,或者深度达数百米的S波速度结构.通过对天然地震的井下摆波形记录的分析,提供了一种测量地震波频率范围深达数百米的S波速度的有效方法.收集了首都圈地区44个井下摆的近震记录,利用广义射线方法确认了直达S波及其在地表的反射波震相,并通过测量不同台站上两个震相的到时差,获得了首都圈地区浅层100—500m深度范围的S波速度结构.研究发现,浅部100m的平均S波速度低于300m/s.当深度增加到500m时S波速增加到800m/s,平均速度梯度为0.8(m/s)/m.研究结果表明,井下摆地震记录波形是研究沉积盆地浅层S波结构的重要资料,将为沉积盆地的强地面震动模拟提供重要基础参数.     

天然地震频率范围内首都圈地区近地表S波速度结构c

近地表沉积层的S速度结构是强地面震动模拟和地震灾害估计的重要参数,尤其是浅部的S波速度结构在工程上具有重要的应用意义．目前大部分资料来源于工程钻孔或工程地震探测,很少有地震波频率范围内的S波速度结构,或者深度达数百米的S波速度结构．通过对天然地震的井下摆波形记录的分析,提供了一种测量地震波频率范围深达数百米的S波速度的有效方法．收集了首都圈地区44个井下摆的近震记录,利用广义射线方法确认了直达S波及其在地表的反射波震相,并通过测量不同台站上两个震相的到时差,获得了首都圈地区浅层100——500m 深度范围的S波速度结构．研究发现,浅部100m 的平均S波速度低于300m/s．当深度增加到500m 时S波速增加到800m/s,平均速度梯度为0.8 （m/s）/m．研究结果表明,井下摆地震记录波形是研究沉积盆地浅层S波结构的重要资料,将为沉积盆地的强地面震动模拟提供重要基础参数．      

基于瑞雷波法的都江堰市区场地剪切波速结构

场地剪切波速是建筑抗震设计中不可缺少的基础资料。因此,本文通过多道面波法对都江堰市区进行了剪切波速调查,为都江堰市区的建筑抗震设计及汶川地震的进一步研究提供基本数据。文中利用多道面波分析方法在都江堰市区(E:103°35’～103°41’,N:30°57’～31°02’)布置了35个面波测点进行场地剪切波速结构和覆盖层厚度的调查,测点间距约2 km。获得了都江堰市区场地等效剪切波速(VS20)和场地覆盖层厚度分布。结果显示,都江堰市区的等效剪切波速介于267m/s与389 m/s之间;覆盖层厚度在6～20 m之间。另外,本文利用欧美规范的方法计算了都江堰市区的5 m至20 m的平均剪切波速(TAV),通过对比各个深度的平均剪切波速发现,各个深度的平均剪切波速和VS20具有较高的线性相关性。利用这一特征,本文建立了都江堰市区利用不同深度的平均剪切波速估计VS20的经验公式(VS20=(a±Δa)+(b±Δb).VSz+σ)。利用这一经验关系式可以在都江堰市区钻孔深度或其它测试深度达不到20 m的情况下估计VS20。     

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波(P波)与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演(Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI)可获得近地表横波(S波)速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.