地震动参数之阿里亚斯烈度和累积绝对速度的特征及其在概率地震危险性分析中的应用

地震动参数是表征地震动特性(振幅、频率和持时)的重要度量参数。目前使用最多的地震动参数主要有峰值加速度和谱加速度等,然而,任何单一地震动参数都不能全面有效地反映所有的地震动破坏特征(如峰值加速度仅反映振幅)。为了更加全面地描述地震动特征及其潜在的破坏作用,满足工程应用的需求,科学家们一直在寻找能够表征地震动多种属性和特定地震破坏的地震动参数。经研究发现,阿里亚斯烈度Ia(Arias Intensity)、累积绝对速度CAV(Cumulative Absolute Velocity)及Newmark位移在地震诱发滑坡预测、沙土液化评估、地震灾害损失估计以及地震危险性分析等方面优于峰值加速度,因此,开展Ia、CAV和Newmark位移的特征研究及与其相关的地震危险性分析方法研究对于拓展我们对地震动特性的认识和提高地震灾害预测水平具有重要的科学意义和应用价值。本文我们根据汶川地震的177个台站的528条可用记录的强震数据,在对地震记录进行基线校正后计算了地震动参数Ia、CAV及Newmark位移,并研究了这些地震动参数的相关特征,最后我们还开展了基于Ia、CAV及Newmark位移的概率地震危险性分析方法研究。我们研究了汶川地震la的空间分布特征、衰减特征、近断层特征以及la与其他地震动参数的相关性。在空间分布特征研究中,我们比较了竖向和水平向la值的差异,统计了二者的比值分布及随距离的变化特征;对于垂直断层走向和平行断层走向的la值也做了同样的工作。在衰减特征方面,我们主要研究了3种场地类型下的la衰减特征及其与现有la预测模型的比较,指出了他们之间的差异并分析了导致差异的原因。在近断层特征方面,主要研究了上盘效应和方向性效应对1a的影响。最后我们研究了la与PGA和Housner烈度的相关性,建立了la与PGA和Housner烈度之间的经验关系式,并分析了场地条件对地震动参数之间相关性的影响。我们对CAV也同样研究了其空间分布特征、衰减特征、近断层特征以及CAV与其他地震动参数的相关性。特别地,我们还研究了标准CAV的衰减特征和其与PGA的相关性,分析了场地条件对它们的影响。另外,我们简要分析了汶川地震Newmark位移的衰减特征及其与PGA和la的相关性。本文中我们还开展了基于Ia、CAV的概率地震危险性分析方法研究,开展了基于Newmark位移的概率地震滑坡危险性分析方法研究,梳理了相关的理论、方法,建立了相关的技术框架,编制了计算程序并在典型地区进行了试算。本文的研究对我们认识汶川地震乃至我国西部地震地质构造环境下地震的Ia、CAV及Newmark位移的相关特征具有重要的科学意义。建立的相关概率地震危险性分析方法的技术框架对于提高我国的概率地震危险性分析水平和地震灾害预测水平具有重要的应用价值。     

基于修正岩土体强度参数的简化纽马克位移法地震滑坡危险性快速评估技术

地震滑坡危险性评估可为震后应急响应等提供科学的决策依据。纽马克位移法可不依赖同震滑坡编目快速评估同震滑坡危险性。工程岩体物理力学参数是该方法的核心参数之一,但其赋值过于单一,难以反映复杂地质背景下岩体强度的空间差异性。针对上述问题,本文在分析地震滑坡影响因子的基础上,选择距断层距离、高程和距水系距离作为影响岩体强度的评价指标并建立岩体强度评价模型,获得区域岩体强度修正系数,进而修正传统方法的临界加速度。结合震后的即时地震动峰值加速度,采用简化纽马克位移法计算边坡累积位移,开展地震滑坡危险性快速评估,并以汶川M_W7.9地震的地震滑坡危险性评估为例验证本文方法。结果表明,相对于传统方法,本文方法划分的地震滑坡危险区与同震滑坡分布更加一致。     

芦山地震强地面运动之阿里亚斯强度及Newmark位移特征研究

本文以芦山地震强地面运动记录为基础资料,研究了阿里亚斯强度和Newmark位移两个地震动参数的空间分布特征、衰减特征以及与其它地震动参数的相关性。研究结果表明:阿里亚斯强度的空间分布与地震断层空间展布和地震破裂方向具有相关性;阿里亚斯强度与峰值加速度（PGA）有较好的相关性,场地条件对二者的相关性具有显著影响,PGA相同时,场地越软,阿里亚斯强度越大;震级也是影响阿里亚斯强度与PGA相关性的重要因素,PGA相同时,震级越大,阿里亚斯强度也越大;Newmark位移与PGA和阿里亚斯强度均具有较好的相关性,与阿里亚斯强度的相关性更强,相关系数可达0.94以上。研究还表明,现有模型不能较好地描述芦山地震的阿里亚斯强度和Newmark位移衰减特征,这说明了芦山地震在持时和破裂过程上的特殊性。芦山地震的特殊性揭示了我国西部地震地质构造环境与其它地区有显著差异,因此应该研究适用于我国西部地区地震的地震动参数预测方程。本文的研究结果对我们从更多方面了解地震动特性以及我国地震灾害的预测预防具有重要的科学意义和应用价值。      

概率地震滑坡危险性区划方法及应用

地震是滑坡的一个重要诱发因素。研究表明,4.0级以上地震即可诱发滑坡,而中、强地震即可诱发大规模的滑坡灾害,造成严重的人员伤亡和财产损失,特大型地震诱发滑坡导致的灾害程度甚至会强于地震造成的损失程度。我国地处太平洋地震带和欧亚地震带之间,山区面积广大,具有极高的地震滑坡危险性;随着经济发展、资源开发利用,经济发展战略向西部山区的转移,在进行越来越多的城市规划、铁路、公路、水库大坝及重要建筑物选址等土地利用的同时,也将承受着更加严重的地震滑坡风险。亟需进行地震滑坡危险性预测及区划,并在此基础上进行风险评估与管理,以减轻规模大且分布范围广的地震滑坡灾害。未来地震的发生具有一定的随机性,地震强度、位置及地震频度等都具有不确定性。对研究区地震诱发滑坡的危险性进行分析及区划,需要考虑所有潜在地震的影响。现有的研究以遭受给定超越概率水平的地震动作用下的滑坡危险性进行区划,忽视了部分潜在发生地震的影响,是一种条件概率下的危险性区划。本文在分析现有地震滑坡危险性区划研究成果的基础上,提出了一种考虑所有潜在发生地震影响的地震滑坡危险性区划新方法。为此,论文首先对影响地震滑坡的主要因素进行了归纳与总结,在此基础上结合概率地震危险性分析和地震滑坡危险性评价的Newmark累积位移模型,建立了考虑潜在地震影响的概率地震滑坡危险性区划方法;利用集集地震、汶川地震、东日本大地震及芦山地震中记录到的大量强震记录,系统分析了与地震滑坡密切相关的地震动参数阿里亚斯烈度(Arias Intensity)的空间分布特征,考察了现有阿里亚斯烈度衰减关系的适用性;以天水强震区为例,开展概率地震滑坡危险性区划方法的应用。在以上工作的基础上,本文取得了以下进展和成果:(1)初步建立了一种新的考虑潜在地震影响的概率地震滑坡危险性区划方法。该方法充分考虑了潜在地震发生的不确定性,并可修正震源机制、场地类型及地形高度的影响,区别于以往使用给定超越概率的地震动开展地震滑坡危险性区划,考虑了所有潜在地震对于诱发场点发生地震滑坡的贡献;(2)利用几次地震获取的大量强震数据,对现有阿里亚斯烈度衰减关系的适用性进行了系统深入的讨论,相关研究可为使用阿里亚斯烈度参数开展地震滑坡危险性区划以及今后建立我国的阿里亚斯烈度衰减关系提供参考;分析了阿里亚斯烈度的空间分布特征,包括断层走向对近断层地震动的影响、上盘效应、破裂传播方向性效应及地形效应等,对进一步认识地震滑坡的形成机理、有针对性地制定减轻和防御地震滑坡灾害的对策具有重要价值;(3)以天水强震区为例,基于我国新一代地震动参数区划图的潜在震源区模型以及本文利用实测强震数据,开展适用性对比分析所选出的阿里亚斯烈度衰减关系,结合根据研究区的地层岩性及高程等数据所获取的Newmark累积位移模型参数,采用本文建立的概率地震滑坡危险性区划方法,分析了研究区未来50年内不同地区的地震滑坡危险性(地震滑坡概率)。结果表明,地震滑坡中、高危险区主要分布在物质结构较为松散及垂直节理和裂隙发育的黄土丘陵和成岩性较差的泥岩出露且斜坡坡度较大(坡度大于30°)的地区,其中又以渭河及其支流藉河、牛头河两岸的地震滑坡危险性较高,对天水市区周边及陇海铁路构成极大的威胁,可为相关的土地规划利用及地震滑坡风险评估及管理提供参考。     

长周期地震动参数与隔震结构响应参数的相关性研究

从Chi-Chi地震动数据中选取20条近场长周期地震记录和20条远场长周期地震记录,再从汶川地震渭河地震动数据中选取20条远场长周期地震记录作为输入,研究各个地震动记录相对应的地震动强度参数及其之间的相关性,筛选出了适合于长周期地震动的地震动强度指标,采用Pearson相关系数对筛选出的地震动强度指标与隔震体系的隔震层位移响应之间的相关性进行分析。结果表明:①在近、远场长周期地震动作用下,中长周期隔震结构的隔震层位移响应与频谱特征参数的相关性比较好,在进行中长周期隔震结构的抗震性能研究时,PGD、Sd_avg及DSI与隔震结构的相关性较好,地震动强度指标在集集近场建议选取PGD和Sd_avg,集集远场建议选取DSI和D/V,渭河远场建议选取Sd_avg和DSI;②在强相关范围内考虑相关性的高低,近场和远场的长周期地震动强度指标建议分别选取PGD和DSI。     

基于阿里亚斯烈度估值的概率性地震危险性分析——以四川丹棱县及其周缘为例

以编制《中国地震动参数区划图》时所构建的地震潜在震源区模型和地震活动性模型为基本输入,在四川省丹棱县及其周缘地区开展基于阿里亚斯烈度的概率地震危险性分析,计算50年超越概率10%的阿里亚斯烈度(Arias Intensity,Ia)。结果表明:丹棱县及其周缘绝大部分地区的Ia值都在0.11m/s以上,部分地区在0.32m/s甚至0.54m/s以上,具有较高的地震诱发滑坡风险,应当加强人员密集区的地震诱发滑坡危险性评估。根据不同Ia预测方程计算得到的Ia分布有较大差异,因此在计算Ia时应考虑多个Ia预测方程,对最终结果进行加权平均,以减小Ia结果的不确定性。同时还发现Ia值与1.0s的谱加速度具有很好的相关性,这也印证了Ia和1.0s谱加速度与砂土液化的相关性。     

区域边坡地震危险性评价理论研究进展

地震滑坡会对自然环境和人民生活带来极大破坏,在大区域范围内对边坡遭受地震影响的程度进行评价判断,主要采用具有预测性质的潜在地震诱发滑坡危险性评估的方法。因此,深入研究边坡地震危险性分析的基本理论并作出符合实际的危险性分布图对工程建设和灾害防治具有较大意义。梳理并阐述具有预测性质的边坡地震危险性分析所需数据资料及各类数据的研究进展,将利用永久位移法进行边坡地震危险性评价所需数据归纳为三种：(1)边坡在地震影响下破坏程度的判定依据;(2)区域地震动参数如峰值加速度、阿里亚斯强度;(3)边坡坡体基本参数如黏聚力、摩擦角、重度、滑块厚度、坡角等。边坡地震危险性评价的准确程度与这三类数据的研究程度与准确性有关。文章对三类数据分别详细阐述各自的研究现状与成果应用,最后分析理论存在的部分问题以及以后的研究方向。     

地震动反应谱与RC框架结构地震响应相关性分析

弹塑性时程分析一般用来评估和验算结构抗震性能,如何选取合适的输入地震动是其中关键工作之一。为给结构弹塑性时程分析选取地震动提供合理的参考参数,本文讨论了地震动反应谱参数与结构地震响应之间的相关性。首先建立了6层和7层两个钢筋混凝土(RC)框架结构数值模型,分别对两个结构进行了大量地震动作用下的时程反应分析,并考察了地震反应特点;然后将结构地震响应与地震动反应谱参数建立关系并进行了相关性分析。结果表明:对RC框架而言,结构地震响应与弹性谱参数相关性较小,与等强度反应谱相关性随标准屈服强度降低而增大,与等延性反应谱相关性随延性增大而增大,而与地震动输入能量谱在标准屈服强度较小时相关性最大。建议RC框架结构在进行地震反应时程分析时,可以参考地震动的弹塑性输入能量谱、等强度速度谱和等延性加速度或位移谱,以选取引起结构不同地震反应水平的输入地震动。本文结果和结论可供结构弹塑性时程分析选取合适的输入地震动参考。     

潜在地震滑坡危险区区划方法

不同地区地震活动的强度和频率是不同的.基于地震危险性分析的地震滑坡危险研究在综合了地震烈度、位置、复发时间等因素的基础上,考虑了地震动峰值加速度时空分布的特点,可以有效地应用于潜在地震滑坡危险区区划.以汶川地震灾区为研究对象,根据研究区的地质构造、地震活动特点等划分出灾区的潜在震源区,对该区进行地震危险性分析,并在此基础上采用综合指标法做出基于地震危险性分析的地震滑坡危险性区划.所得地震滑坡危险性区划按照滑坡危险程度分为高危险、较高危险、较低危险和低危险四级,表示未来一段时间内研究区在遭受一定超越概率水平的地震动作用下,不同地区地震滑坡发生的可能程度. 本文给出的地震滑坡危险性区划结果中,汶川地震滑坡崩塌较发育的汶川、北川、茂县等部分区域均处于高危险或较高危险区域;在对具有较高DEM精度的北川擂鼓镇地区所作的地震滑坡危险性区划中,汶川地震中实际发生的地震滑坡灾害与地震滑坡危险区划结果表现出较好的一致性.对区域范围而言,基于地震危险性分析的地震滑坡区划,可为初期阶段的土地规划使用及重大工程选址提供参考.     

潜在地震滑坡的概率危险性分析——以陕西陇县为例

采用第五代地震动参数区划图的潜在震源区划分方案并结合Newmark位移模型,基于陇县工程地质岩性特征及地形高程数据,考虑地震动地形放大效应以及Newmark模型参数的不确定性,得出陕西陇县地区的地震动发生率为50年10%水平下滑坡的失稳概率,根据所得结果将研究区的潜在地震滑坡危险程度分为四个等级：极低危险区、低危险区、中危险区、高危险区。中、高危险区主要集中于陇县地区的泥岩、粉砂岩以及黄土覆盖地且斜坡坡度大于40°的地区,其中千河及其通关河两岸部分地区的地震滑坡危险性较高。本文结果可为该地区的地震滑坡风险管理和土地规划提供参考。     

地震动参数与地震灾害相关性分析——以汶川震区地震滑坡灾害为例

本文以汶川地震滑坡震害为例, 设计一种方法, 对几个反映不同地震动特性的地震动参数与地震滑坡灾害的相关性进行了分析比较.结果表明: Arias强度参数与地表破坏的相关性最好, 该参数比较适合小区域范围的震害预测评估; 峰值加速度与地表破坏的相关性较好, 但更适合作为较大区域的震害评估参数; 与持时和频率有关的参数对于具体场地的震害机理分析具有辅助作用; 垂向地震动对滑坡震害的作用不容忽视. 本文结论对于其它震害相关研究中评估因子的选取具有参考意义.      

Real-time mapping of earthquake-induced landslides

Rigid sliding block analysis is a common analytical procedure used to predict the potential for earthquake-induced landslides for natural slopes. Currently, predictive models provide the expected level of displacement as a function of the characteristics of the slope (e.g., geometry, strength, yield acceleration) and the characteristics of earthquake shaking (e.g., peak ground acceleration, peak ground velocity). These predictive models are used for developing seismic landslide hazard maps which identify zones with risk of earthquake-induced landslides. Alternatively, these models can be combined with Shakemaps to generate “near-real-time” Slidemaps which could be used, among others, as a tool in disaster management. Shakemaps (a publicly available free service of the United States Geological Survey, USGS) provide near-real-time ground motion conditions during the time of an earthquake event. The ground motion parameters provided by a Shakemap are very useful for the development of Slidemaps. By providing ground motion parameters from an actual earthquake event, Shakemaps also serve as a tool to decouple the uncertainty of the ground motion in sliding displacements prediction. Campania region in Italy is studied for assessing the applicability of using Shakemaps for regional landslide-risk assessment. This region is selected based on the availability of soil shear strength parameters and the proximity to the 1980 Irpina (M _w  = 6.9) Earthquake.     

Predictive model of Arias intensity and Newmark displacement for regional scale evaluation of earthquake-induced landslide hazard in Greece

Defining the possible scenario of earthquake-induced landslides, Arias intensity is frequently used as a shaking parameter, being considered the most suitable for characterising earthquake impact, while Newmark׳s sliding-block model is widely used to predict the performance of natural slopes during earthquake shaking. In the present study we aim at providing tools for the assessment of the hazard related to earthquake-induced landslides at regional scale, by means of new empirical equations for the prediction of Arias intensity along with an empirical estimator of coseismic landslide displacements based on Newmark׳s model. The regression data, consisting of 205 strong motion recordings relative to 98 earthquakes, were subdivided into a training dataset, used to calculate equation parameters, and a validation dataset, used to compare the prediction performance among different possible functional forms and with equations derived from previous studies carried out for other regions using global and/or regional datasets. Equations predicting Arias intensities expected in Greece at known distances from seismic sources of defined magnitude proved to provide more accurate estimates if site condition and focal mechanism influence can be taken into account. Concerning the empirical estimator of Newmark displacements, we conducted rigorous Newmark analysis on 267 one-component records yielding a dataset containing 507 Newmark displacements, with the aim of developing a regression equation that is more suitable and effective for the seismotectonic environment of Greece and could be used for regional-scale seismic landslide hazard mapping. The regression analysis showed a noticeable higher goodness of fit of the proposed relations compared to formulas derived from worldwide data, suggesting a significant improvement of the empirical relation effectiveness from the use of a regionally-specific strong-motion dataset.     

APPLICATION OF TWO SIMPLIFIED NEWMARK MODELS TO THE ASSESSMENT OF LANDSLIDES TRIGGERED BY THE 2008 WENCHUAN EARTHQUAKE

At present, with the wide application of the Newmark method, various Newmark empirical formulas with different ground motion parameters have been fitted by many researchers based on global strong-motion records. However, the existing study about the Wenchuan earthquake does not quantitatively evaluate the applicability of different Newmark models based on the actual landslides distribution. The aim of this paper is to present a comparison between observed landslides from the 2008 Wenchuan earthquake and predicted landslides using Newmark displacement method based on different ground motion parameters. The factor-of-safety map and critical acceleration(a_c)map in the study area are obtained by using the terrain data and geological data. The distribution of Arias intensity(I_a)and PGA in the study area is obtained by using the attenuation formulas of Arias intensity(I_a)and PGA, which is regressed by Wenchuan ground motion records. Based on the distribution of Arias intensity(I_a)and PGA parameters, we obtained the predicted locations of landslide using Newmark regression equations which are generated using global strong-motion records. The results shows that the assessment results can better reflect the macroscopic distribution characteristics of co-seismic landslides, most predicted landslide cells are distributed on the two sides of the Beichuan-Yingxiu Fault, especially the Pengguan complex rock mass in the hanging wall. The abilities to predict landslide occurrence of the two Newmark simplified models are different. On the whole, the evaluated result of simplified model based on parameter I_a is better than that based on PGA parameter. The GFC values obtained by the Newmark model of I_a and PGA parameters are 65.7% and 34.9%respectively. The evaluated result based on I_a can better reflect the macro distribution of coseismic landslides. The Ls_Pred value based on the Newmark model of parameter I_a is 26.5%, and the Ls_Pred value based on the Newmark model of PGA parameter is 10.3%. However the total area of predicted landslides accounts for 2.4% of the study area, which indicates that the predicted landslide cells are greater than the observed landslide cells. This reminds us that depending on the current input of shear strength and ground-motion parameters, we can only conduct landslide hazard assessment in macro areas, the ability to predict landslide can be improved using more accurate topographic data and input parameters.     

Empirical equations for the prediction of displacement spectrum intensity and its correlation with other intensity measures

Displacement spectrum intensity (DSI), defined as the integral of a ground motion's displacement response spectrum from 2.0 to 5.0 s, is proposed as an indicator of the severity of the long period content of a ground motion. It is demonstrated how the distribution of DSI can be predicted using existing ground motion prediction equations for (pseudo) spectral accelerations, which is necessary for it to be a useful intensity measure (IM) in either probabilistic or deterministic seismic hazard analysis. Empirical correlation equations between DSI and other common ground motion IMs are developed for active shallow crustal earthquakes using a dataset of ground motions from active shallow crustal earthquakes. The ability of DSI to account for near-source ground motions exhibiting forward directivity, potentially damaging far-source long-period ground motion, and its use with other spectrum intensity parameters to characterise short, medium, and long period severity of ground motions is discussed. The developed ground motion prediction and correlation equations enable DSI to be utilised in rigorous ground motion selection frameworks such as the generalised conditional intensity measure (GCIM) approach.     

中国仪器地震烈度增量与场地放大系数的关系研究

相对于基岩的中国仪器地震烈度增量可以作为地震小区划的一个重要指标,也可以作为研究区建（构）筑物差异抗震设防的可靠依据。使用2021年2月13日福岛地震期间日本KiK-net台网120个台阵记录的地震动数据,根据18种地震动参数的定义和《中国地震烈度表》中中国仪器地震烈度的算法,分别计算了相对基岩的、土层上的中国仪器地震烈度增量和这些地震动参数的放大系数,然后用一元、二元回归分析方法分别建立它们之间的经验关系式。结果表明:（1）一元回归分析中,中国仪器地震烈度增量与持时超过0.3秒的加速度阈值（a_0.3）的放大系数的相关系数最高且为0.918,与峰值地面加速度（PGA）、水平向最大谱烈度（SI）的放大系数的相关系数均在0.870以上;（2）从中国规范的II类场地到III类场地（或美国规范的C类场地到E类场地）,中国仪器地震烈度增量的均值逐渐增大;（3）相比于一元回归结果,二元回归分析中的中国仪器地震烈度增量与18种地震动参数放大系数两两组合的相关系数普遍有所提高,其中中国仪器地震烈度增量与PGA和SI放大系数组合的相关系数最高且为0.9261。     

Fully probabilistic seismic displacement analysis of spatially distributed slopes using spatially correlated vector intensity measures

Earthquake‐induced slope displacement is an important parameter for safety evaluation and earthquake design of slope systems. Traditional probabilistic seismic hazard analysis usually focuses on evaluating slope displacement at a particular location, and it is not suitable for spatially distributed slopes over a large region. This study proposes a computationally efficient framework for fully probabilistic seismic displacement analysis of spatially distributed slope systems using spatially correlated vector intensity measures (IMs). First, a spatial cross‐correlation model for three key ground motion IMs, that is, peak ground acceleration (PGA), Arias intensity, and peak ground velocity, is developed using 2686 ground motion recordings from 11 recent earthquakes. To reduce the computational cost, Monte Carlo simulation and data reduction techniques are utilized to generate spatially correlated random fields for the vector IMs. The slope displacement hazards over the region are further quantified using empirical predictive equations. Finally, an illustrative example is presented to highlight the importance of the spatial correlation and the advantage of using spatially correlated vector IMs in seismic hazard analysis of spatially distributed slopes. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.