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。     

使用高分辨率的地形数据作为地震场地条件替代指标的研究

近年来,从美国航天飞机雷达地形测绘使命（SRTM）30弧秒（arcsec）的数字高程模型（DEM）中提出一种估计全球地震场地条件或者地下30m的平均剪切波速（Vs30）的新方法。在缺少基于地质和岩土的场地条件分布图的地区,使用该方法的前提是通过Vs30的测量值和地形坡度的相关性,可以把地形坡度作为一个可靠估计Vs30的替代指标。在这里,我们来检验使用高分辨率（3弧秒和9弧秒）的数字高程模型数据是否能够解析出比使用低分辨率航天飞机雷达地形测绘数据更详细的Vs30数据。在全球范围内,并不能全部获得比30弧秒更高分辨率的数字高程模型数据。然而,在存在这些数据的许多地区,这些数据被用来解译地形坡度的精尺度变化,并最终解译Vs30。我们使用美国地质调查局地球资源观测和科学（EROS）数据中心的国家高程数据集（NED）,在美国几个地区研究使用高分辨率的数字高程模型数据来估计VS30,这些地区包括加利福尼亚州的旧金山湾地区、洛杉矶、加利福尼亚州及密苏里州圣路易斯市。我们将这些结果与全球范围内都能获取的台湾台北市使用9弧秒航天飞机雷达地形测绘数据的例子作比较。使用较高分辨率的美国国家高程数据集重新得到更精细尺度的地形坡度变化,这可更好地与地质和地貌特征相关联,特别是在丘陵—盆地之间的过渡带,确保使用30弧秒的航天飞机雷达地形测绘数据是可行的。然而,统计分析表明,与低分辨率地形所得到的Vs30测量值相比,测量值很少或者没有得到改善提高。这表明一些地形平滑处理可能会提供更稳定的Vs30估计。此外我们发现,在精度高于30弧秒的航天飞机雷达地形测绘数据有遮盖的地区高程变化范围过大,不能解译出可靠的坡度,特别是在较低坡度的沉积盆地．     

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。     

四川省区域性场地分类的初步研究

本文讨论两种代表性的区域性场地分类方法(地形坡度法和地表地质法)在四川省应用。地形坡度法是直接利用地形数据估计区域性场地类别的方法。本文采用Wald提出的地形坡度和Vs(30),地表至地下30 m的平均剪切波速的相关关系,利用SRTM30 DEM数字地形高程模型计算地形坡度,推导获得了四川省范围的Vs(30)分布;最后根据美国NEHRP规范的场地分类方法,划分四川省场地类别。另外一种方法是地表地质法,采用Wills提出的地质单元与Vs(30)之间的相关关系,以四川省1∶50万地质图地质单元推测估计全省范围的Vs(30)分布,从而获得场地类别分类图。对两种方法在四川省内应用的结果,并结合特征区域场地条件调查结果进行对比分析。结果表明,(1)依据上述两种区域性的场地分类方法获得的四川省场地分类结果宏观分布大体一致、相互印证,说明两种方法应用在四川大体可行;(2)直接引用其他地区已有的关系成果估计四川省的场地分类将导致一定误差,需要四川省的实测数据对其修正后应用。     

基于地形倾斜值的场地效应校正方法研究

根据Wald等(2007)的研究发现,从地形数据里分离出来的倾斜值分布和用非单一来源得到的区域场地效应图有很好的相关性,但前者在质量和连续性方面又更胜一筹,且与实际观测所得到的速度分布较接近。本文阐述了以地形倾斜值求V3S0及做场地效应校正的原理和方法,据此方法从全球地形数据中得到研究区域的浅层剪切波速度V3S0分布图,并以2008年汶川地震为应用例子,求得场地放大因子,对初始地震动进行场地效应校正。     

考虑场地效应的ShakeMap系统研究

本文主要以地表地质状况与地形(坡度)的相似性为原则,将中国大陆地区分辨率30″的地形DEM(数字高程模型)数据经过坡度计算后,利用坡度与Vs30(地表至地下30m处的平均剪切波速)的相关关系,得到各场点近似的Vs30值,再用Vs30量化地震动的场地放大系数。将由此建立的场地放大系数运用到本文研发的ShakeMap系统中,校正震后理论计算所得到的基岩地震动参数值,从而获得其地表土层上的地震动参数分布。本文还详细介绍了ShakeMap系统的计算流程、计算模型及相关的软件系统等。最后以应用实例表明ShakeMap系统在中国大陆地区是可用的。     

龙门山及其相邻区域的剪切波高频衰减特性

在地震动模拟的随机性方法中,高频衰减参数κ是控制傅里叶加速度谱高频形状的关键参数。本文采用2008年汶川地震和2013年芦山地震期间在震中距0~300km范围内的44个强震动台站记录到的500多个地震事件(3.3MS8.0)的1 597组加速度记录研究了κ的特性。结果表明κ与震级无关,但是与近地表地质条件、局部场地条件和震中距有明显相关性。计算得到松潘—甘孜造山带(SGO)和四川盆地西部(WSB)的κ与距离的相关性分别为0.000 142 7s/km和0.000 103 1s/km,水平分量的平均κ0(κ_0~h)范围分别为0.0144~0.046 9s和0.032 1~0.053 9s。松潘—甘孜造山带和四川盆地西部的κ_0~h与局部场地条件的相关性表现出相反的变化趋势。松潘—甘孜造山带的结果表明,V S30不能完全描述近地表地质条件的特征,同时κ_0~h的大小主要由近地表地质条件控制。另外,本文观测到水平分量和竖向分量κ0的空间分布分别与地形高程和地下0~10km深度的剪切波速度结构具有较强的相关性。最后,研究发现龙门山地区、阿尔卑斯东南部和迪纳里德山脉北部地区和美国南加利福尼亚州ANZA地震台网的κ_0~h与地形高程之间具有较好的相关性。以上结果表明,地形高程可作为κ_0~h—V_(S30)相关性模型的一个补充参数,来建立区域的模型。     

地震烈度分布快速产出发展概况

通过对实时地震仪的数据采集,和新开发的地面运动参数和期望的震动烈度值之间的关系,美国已经实现了仪器地面运动和震动烈度图的快速(3～5min)产出。整个南加州震动值的估计是通过空间测量的地面运动的插值来完成的;插值是基于频率和依赖于振幅的台站修正的。震动图的产出是自动的;通过在南加州的重大地震来触发。通过因特网,公众和科学用途的震动图可以在几分钟内得到;对于紧急响应机构和应急用户,通过数据通信专线可以快速得到这些图。     

喀什—乌恰交汇区VS30经验模型估计

本文通过收集喀什—乌恰地区20个钻孔深度大于30 m的钻孔实测数据,分别获得了5、10、15及20 m深度处的等效剪切波速V_(SZ)与V_(S30)的对数线性关系,根据对数线性和对数二次回归的方法,得到了V_(SZ)与V_(S30)的经验关系。结果显示:速度梯度模型外推方法获得的V_(S30)经验模型,更加适合深度超过10 m的钻孔数据的估计。速度梯度模型外推方法中,对数二次回归和对数线性回归外推得到的V_(S30)经验模型呈现相同的规律,拟合优度差别不大,利用速度梯度外推方法获得V_(S30)经验模型,使用简单的线性模型就可以满足精度需求。     

2017年九寨沟MS7.0地震场地特征分析

场地条件对地震动具有较大影响, 研究不同场地条件下的地震动特征对地震动的校正具有重要意义。 本文以九寨沟地震为例, 收集了66个台站的198条三分量强震观测记录和SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)公里格网的DEM(Digital Elevation Model)数据, 从多个角度对场地特征进行分析。 首先根据坡度法使用DEM数据对九寨沟特征进行了场地分类, 然后讨论了不同场地类型下的加速度时程、 加速度反应谱、 地震动衰减等地震动特征。 研究表明, 缺少实测资料的情况下, 地形坡度可以作为Vs30(地表以下30 m范围的平均剪切波速度)的一种替代指标, 利用坡度法可以较快速地对场地进行分类; 利用强震观测记录能够从多角度对台站的场地特征进行分析, 不同场地类型对地震动影响不同, 其中, 土层对地震动具有明显的放大效应。 该结论可以为地震动结果的校正提供依据。     

自贡市西山公园地形对地震动的影响

不规则地形和土层对地震动的影响较大,建(构)筑物选址及其抗震设防必须考虑地形和土层场地的放大效应,以避免或减轻其震害.利用自贡地形台阵记录的汶川地震(M_s8.0)的主震加速度时程,基于传统谱比法分别研究了地形和土层场地对地震动的放大效应.结果表明:(1)地形场地在低频的放大效应不明显,最大仅为1.24;在高频的放大效应较显著,在1~10 Hz频带,山顶的放大效应最大,EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为4.15、3.61和2.41,对应频率分别为5.72 Hz、6.46 Hz和7.44 Hz;在10~20 Hz频带,靠近山顶的山脊上某个地震动分量的放大效应最大,7#台站EW、5#台站NS和7#台站UD地震动的最大放大效应分别为9.10、5.56和2.52,对应频率分别为16.97 Hz、16.91 Hz和17.91 Hz.(2)地形场地的最大放大效应随高度有增加的趋势,且在0.1~10 Hz频带随高度增加的趋势更加明显.(3)土层场地水平向地震动在2 Hz以上开始明显放大,竖向地震动在4 Hz以上开始明显放大;EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为13.4、12.168和6.0,对应频率分别为6.94 Hz、7.55 Hz和10.8 Hz.(4)土层场地与地形场地的最大放大效应相比较,前者显著大于后者,对于水平向地震动,前者至少是后者的3倍以上;对于竖向地震动,前者至少是后者的2.5倍以上.(5)无论是地形场地还是土层场地,地震动的最大放大效应均有水平向大于竖向的特征.     

基于决策树考虑地形特征的场地参数估计方法

发展基于地形特征的场地参数VS30估计方法因其具有重要应用需求而成为研究热点.以我国新疆维吾尔自治区和河北省的DEM数据和工程钻孔资料验证了基于决策树理论考虑地形特征的VS30估计方法在我国的适用性,检验方法的准确性和对DEM数据精度的敏感性.得到如下结论:(1)基于决策树理论考虑地形坡度、表面纹理和局部凸度划分了两个...     

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。     

Shakemap场地校正方法及其在云南地震动强度和烈度速报中的应用

将美国Shakemap场地校正方法用于云南地震动强度和烈度速报工作,通过分析Shakemap场地校正方法及其要点,将该方法应用于云南典型区域与实际场地情况进行对比分析,探讨了Shakemap场地校正方法相关参数问题,认为将该方法用于研究云南地区时应对相关参数做一些改进,首先要对其只基于地形坡度单指标的场地条件分类进行补充,即应该考虑V30S与多指标因素的相关性(如近地表地质状况、高程、距离河流的距离等)。同时,必须从实际场地情况出发考虑局部场地条件对地震动的影响,主要从盆地软弱土层、地质构造条件和局部砂土液化场地等方面修正局部场地条件对地震动的放大作用。这样,在完善理论计算结果的基础上结合对实际场地情况的修正,通过理论与实际双重的校正,达到提高预测结果精度的效果,为震后的应急决策提供有用的信息和帮助。     

基于台阵记录的土层山体场地效应分析

选取2008年5月25日至8月7日期间由甘肃省文县上城山地形效应台阵获取的12次汶川地震余震事件(M_S≥4.0),在分析其地震动基本参数的基础上,采用参考场地谱比(RSSR)法和水平-竖向谱比(HVSR)法,研究了不同地震作用下上城山地形台阵的场地效应.分析结果显示:随着高程和覆盖层的增加,记录台站地震动的PGA呈增大趋势,地震频谱形状由宽变窄;上城山台阵记录到的地震波在地形基阶频段(2—4 Hz)和浅部土层频段(7—9 Hz)的幅值明显放大,RSSR曲线显示山顶NS向的土层频段谱比大于山体地形频段谱比;由于土层山体竖向地震动在中高频段放大,使得HVSR方法谱比结果在中高频段较RSSR方法所得结果明显偏低,而在山体基阶频段附近两种方法的谱比值接近.松散土层山体的台阵记录特征体现了地形和土层对地震动的联合作用,揭示了强震区起伏地形场地震害加重及地震滑坡集中发生的原因所在.      

区域性场地V_s30及峰值加速度放大系数估算方法

地震动速报评估方法中常常考虑场地的影响,为了提高地形坡度模型的区域性地表30m的平均剪切波速Vs30估算精度,本文提出了基于工程钻孔资料的Vs30的修正方法。通过计算实际钻孔的Vs30值与坡度模型估算的Vs30值之间的残差,分析了残差的空间变化趋势,利用克里金插值对所研究区域的Vs30残差趋势面进行插值,并与估算的Vs30进行空间叠加,实现了Vs30的修正。选取K-net和Kik-net台网中台站的剪切波速资料和强震记录回归了峰值加速度放大系数与场地Vs30的经验关系,将其应用于基于ShakeMap框架的地震动快速评估系统绘制了汶川地震影响区域的基岩和地表加速度峰值,分析场地条件对于地震动的实际影响,结果表明区域性场地Vs30及峰值加速度放大系数估算方法具有一定的适用性。     

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。     

2018年2月12日河北永清4.3级地震强震动记录分析

2018年2月12日河北省廊坊市永清县发生4.3级地震,震中位于廊固凹陷内的河西务断裂附近,国家强震动台网中心获取74组强震动记录,本文对触发台站进行场地分类,结果显示大部分为Ⅰ类场地(51.35%),其次为Ⅱ类场地(35.14%)和Ⅲ类场地(13.51%)。根据5个典型台站加速度时程记录及反应谱分析本次地震强震动特征,并对各台站峰值加速度反应谱与方位角和震中距的关系进行分析。采用克里格插值方法绘制地震仪器烈度分布图,由于台站分布不均,导致极震区附近烈度影响场计算缺值现象,本文通过拟合本次地震强震动记录得到该地区地震动衰减关系,在空白区域建立空间随机假设台站进行补点插值,解决了计算缺值问题,为缺少台站记录的震区提供准确快速制作烈度分布图的思路,为震害调查和地震应急救援提供重要依据。     

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。     

山东Ⅱ、Ⅲ类场地地震动峰值加速度放大效应分析

利用山东地区实测的Ⅱ类场地358个钻孔和Ⅲ类场地140个钻孔的地震动峰值加速度,计算了各个钻孔不同超越概率的土层地震动峰值加速度的放大系数ks,结果表明:(1)同类场地土层放大系数ks值总体符合正态分布,既有相对集中性,也有离散性;(2)随着基岩面输入地震动强度的增大,ks值降低,且Ⅲ类场地ks值降低较Ⅱ类的更为明显;(3)Ⅱ类场地随着基岩输入面埋深的增加,ks值呈增加趋势,约达20m深后基本趋于稳定,而Ⅲ类场地基岩输入面埋深的增加对ks值的影响不甚显著;(4)Ⅱ类场地50年超越概率10％的平均ks值(1.47)略高于《中国地震动参数区划图》使用的全国平均ks值.本文尝试讨论了山东地区Ⅱ、Ⅲ类场地不同强度基岩峰值加速度输入的ks调整值.