Study on the Change of Earthquake Ground Motion Parameters for Different Classification Sites of Ocean Areas
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摘要: 基于海域场地分类标准，选取南海海域实测钻孔作为计算模型，同时人工构造部分钻孔计算模型，对126条不同特性地震动输入下5种类别场地计算模型开展土层反应分析计算，分析不同地震动输入下不同海域场地峰值加速度和特征周期变化规律。结果表明，场地类别和地震动输入强度显著影响峰值加速度放大系数和特征周期，场地土越软，地震动输入强度越大，峰值加速度放大系数越小，特征周期越大。根据研究结果给出不同地震动输入下不同海域场地峰值加速度放大系数、特征周期变化范围，为海域场地工程抗震设防和编制海域地震动参数区划图提供参考。Abstract: Based on site classification standards for ocean areas, the boreholes in the South Sea of China are selected as calculation model for site response. Due to the insufficiency of ocean geological data, some boreholes are also constructed for site response. By using 126 ground motions with different characteristics, site response was conducted for 5 kinds of classification sites. The change of peak acceleration and characteristic period under different input motions for different site classifications is analysized. Results show that site classifications and peak acceleration of input ground motion greatly influenced the amplification coefficients of peak acceleration and characteristic periods. The conclusion are as follows: amplification coefficient becomes smaller and characteristic period becomes longer when the site goes softer and input motion goes stronger. The variation range of amplification coefficients and characteristic periods under different input motions and site classifications are concluded. The results can be inferred to anti-seismic design of ocean engineering structures and to the earthquake ground motion parameters zonation of ocean areas.
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震源特性、传播路径和局部场地条件是影响地震动特性的3个关键因素，其中局部场地条件指对地震动特性有明显影响的局部地形地貌及近地表岩土介质非均匀性分布。历史震害资料和强震动观测记录均表明，局部场地条件引起的地震动场地效应是造成地震动强度和建筑物破坏程度在局部区域差异明显的主因，在工程抗震设防时必须予以考虑。
对地震动场地效应的关注至少可追溯到1898年，其依据为人工爆破地震的观测数据。1906年旧金山大地震后，局部场地条件对建筑物破坏程度的影响引起了人们的重视。例如，在1967年委内瑞拉MS6.5地震中，卡拉卡斯谷地内的建筑物震害与建筑物高度和覆盖层厚度密切相关，10～24层建筑物的破坏程度异常严重，且深厚覆盖土层上建筑物破坏率高达80%，而浅覆盖层上几乎没有破坏；在1985年墨西哥Michoacan MS8.1地震中，墨西哥城距震中达400 km，但市内湖湘沉积场地上的中高层建筑物破坏亦异常严重，强震动观测记录表明湖湘沉积场地上的地震动加速度峰值约为附近山区硬土场地上的5倍。1989年Loma Prieta地震、1994年Northridge地震、1999年集集地震、2008年汶川地震、2014年鲁甸地震均呈现了显著的地震动场地效应。
地震动场地效应研究主要有场地模型波动数值模拟和强震动观测记录统计分析2种方法。场地模型波动数值模拟适用于抗震设防要求较高的重要工程，主要包括3个环节：基于工程地质钻孔或地球物理方法的局部场地条件模型建立、基于现场实测和室内试验的岩土介质动力学参数确定和高效的波动数值模拟算法。随着计算机技术的发展，目前已完成考虑岩土介质动力非线性的大尺度复杂场地精细化模型的波动数值模拟，但其可靠性和计算速度仍有待进一步提高。随着近年来强震动观测数据的积累，利用强震动观测记录直接统计分析局部场地条件对地震动特性的影响再次成为研究热点，但统计结果的可靠性仍受样本量及其代表性的制约。地震动特性的影响因素过多且离散性较大，现有强震动观测记录数据量暂时仍难以满足地震动场地效应精细化研究的需求，场地模型波动数值模拟与强震动观测记录统计分析相结合仍是当前地震动场地效应研究的主要途经。
本期专题聚焦局部场地条件对地震动特性的影响研究，展示了场地模型波动数值模拟和强震动观测记录统计分析研究方面的最新成果，以期为重要工程抗震设计地震动确定中考虑地震动场地效应影响提供实用、有效的方法，为量大面广的一般工程提供考虑局部场地条件影响的参考，从而提高抗震设防地震动输入的可靠性。
（1）场地模型波动数值模拟方法
场地模型波动数值模拟是研究地震动场地效应的主要方法，如有限差分法、有限元法、谱元法等。数值模拟方法可充分考虑局部场地条件的差异性，建立与实际工程场地足够近似的场地模型，得到场地相关的地震动场地效应影响评价结果。丁海平等采用有限元法，研究了SV波入射下层状半空间相邻半圆凸起地形的地震反应，得到了地震动放大系数及其受凸起地形间距的影响规律。丁佳龙等采用有限元法，研究了龙头山集镇某斜坡地形在地震波垂直入射下的地震反应，发现斜坡坡顶处的地震动被显著放大，剖析了2014年鲁甸地震中此处建筑物破坏异常严重的缘由。杨笑梅等利用小田原试验场地实测强震动观测记录，对比分析了不同地震动输入方式及场地模型的可靠性，给出了地震动输入方式、土体非线性、介质横向不均匀性、几何非线性等因素对模拟结果的影响。黄朝龙等发展了有限元法，实现了海水、饱和土、基岩的耦合作用在计算框架中的统一，将建模-自由场-三维地震动模拟全流程自动化，并通过对东京湾区域模型SV波垂直入射地震反应的模拟，证实了该方法用于三维大规模海域场地地震波场模拟的高效性和可行性。巴振宁等采用谱元法，开展了直下型断层动力学震源模型下沉积盆地的地震反应数值模拟，探讨了不同断层面初始剪应力、不同成核区位置下三维沉积盆地的地表反应规律。
（2）局部场地条件影响的强震动观测记录统计分析
随着强震动观测技术的发展和全球强震动观测台网的建设，近几十年来强震动观测记录数量增长迅速，使基于强震动观测记录的地震动场地效应研究从个案分析发展为海量数据统计，获得了具有更普遍性的局部场地条件影响统计规律，与此同时，地脉动等观测数据在地震动场地效应研究中的应用也获得发展。师黎静等基于力平衡式加速度仪、速度仪和2款MEMS烈度仪在不同类别的24个场地上地脉动观测数据，探讨了地震预警仪用于场地条件评价的可行性。卢滔等基于11次地震事件中获得的地表、井下记录，讨论了地脉动水平/竖向谱比法与强震动地表/井下谱比法表征地震动场地效应的方向相关性。刘奥懿等基于滇西南242组强震动观测记录，利用2步非参数广义谱反演法获得了区域品质因子经验关系、台站场地条件影响和震源谱参数。张灿旭等基于日本KiK-net台网2817条强震动观测记录，发现盆地内地震动持时明显大于盆地外，并推荐使用NGA地震动预测方程中KS06、BRG21模型来预测关东盆地外的地震动持时。王玉石等基于我国1130个钻孔模型数值模拟结果、NGA-West2数据库中3584组全球强震动观测记录和KiK-net台网14万条强震动观测记录，结合他人近期研究成果，建立了考虑场地土体非线性影响的地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数方案。
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图 1 输入地震动加速度反应谱
Figure 1. Input earthquake acceleration response spectrum with different characteristic periods
图 2 土样动剪切模量和阻尼比随剪应变变化曲线
Figure 2. Change curves for shear modulus and damp ratio with shear strain of soil specimens
图 3 场地地表加速度反应谱与规准谱
Figure 3. Relationship between site surface acceleration response spectrum and calibration spectrum
表 1 海域场地分类标准
Table 1. Site classification standards for ocean areas
项目 沉积年代/厚度 Q3 Q4/H≤40 m Q4/40<H≤60 m Q4/60<H≤100 m Q4/H>100 m 40 m等效剪切波速Vse/m·s−1 Vse>500 350<Vse≤500 290<Vse≤350 240<Vse≤290 190<Vse≤240 Vse<190 场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 
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表 2 Ⅴ类场地计算模型
Table 2. Calculation model for V classification site
土层序号 土层描述 非线性特性土样编号 土层深度/m 层厚/m 波速Vs/(m·s−1) 密度/(kg·m−3) 1 非常软的粉质黏土至砂质黏土 S-18A 0.0～2.0 2.0 100 1 880 2 松散细砂 S-6A 2.0～5.2 3.2 136 1 892 3 密实的细砂至中砂 S-11A 5.2～12.7 7.5 170 1 898 4 稍硬的粉质黏土和粉土质砂互层 S-15B 12.7～14.8 2.1 196 2 000 5 稍硬至硬的粉质黏土 S-18A 14.8～17.8 3.0 210 1 904 6 密实的细砂 S-26B 17.8～28.0 10.2 220 1 900 7 密实至非常密实的细砂 S-26B 28.0～44.0 16.0 225 2 000 8 硬至非常硬的粉质黏土 S-41A 44.0～51.4 7.4 395 2 000 9 中密至密实的粉土质细砂 S-41A 51.4～60.6 9.2 298 1 970 10 密实至非常密实的细砂至中砂 S-53 60.6～72.5 11.9 416 1 920 11 硬至非常硬的粉质黏土 S-55C 72.5～76.0 3.5 468 2 045 12 密实的细砂至中砂 S-57 76.0～87.3 11.3 389 1 908 13 非常硬粉质黏土和砂质粉砂互层 S-60C 87.3～89.4 2.1 401 1 955 14 砂质粉土与粉质黏土迭层 S-61B 89.4～93.1 3.7 427 1 950 15 密实的细砂至粗砂 S-57 93.1～98.5 5.4 478 2054 16 硬至非常硬的粉质黏土和密实的粉砂、粉质细砂叠层 S-66A 98.5～114.6 16.1 449 1 900 17 非常密实的细砂至粗砂 S-57 114.6～120.2 5.6 490 2 000 18 计算基底 — 120.2 — 500 2 000
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表 3 Ⅰ1类场地钻孔计算模型
Table 3. Calculation model for Ⅰ1 classification site
土层序号 土层描述 非线性特性土样编号 土层深度/m 层厚/m 波速Vs/m·s−1 密度/kg·m−3 1 密实的细砂 S-26B 0.0～5.0 5.0 240 1 900 2 密实至非常密实的细砂 S-26B 5.0～10.0 5.0 273 2 000 3 中密至密实的粉土质细砂 S-41A 10.0～15.0 5.0 298 1 970 4 硬至非常硬的粉质黏土 S-41A 15.0～20.0 5.0 395 2 000 5 密实至非常密实的细砂至中砂 S-53 20.0～25.0 5.0 416 1 920 6 硬至非常硬的粉质黏土 S-55C 25.0～30.0 5.0 468 2 045 7 密实的细砂至粗砂 S-57 30.0～35.0 5.0 478 2054 8 非常密实的细砂至粗砂 S-57 35.0～40.0 5.0 490 2 000 9 计算基底 — 40.0 — 500 2 000
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4a Ⅰ1类场地峰值加速度放大系数
4a. Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site
特征周期/s 峰值加速度/gal 50 100 150 样本1 样本2 样本3 样本1 样本2 样本3 样本1 样本2 样本3 0.25 1.39 1.55 1.33 1.35 1.43 1.25 1.24 1.34 1.26 0.30 1.39 1.32 1.43 1.26 1.30 1.37 1.33 1.27 1.30 0.35 1.58 1.44 1.35 1.37 1.44 1.41 1.27 1.27 1.27 0.40 1.47 1.62 1.41 1.33 1.39 1.28 1.35 1.24 1.35 0.45 1.36 1.31 1.39 1.33 1.35 1.49 1.35 1.43 1.33 0.55 1.45 1.45 1.36 1.26 1.35 1.32 1.48 1.32 1.37 0.65 1.34 1.44 1.44 1.32 1.48 1.40 1.35 1.35 1.35
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4b Ⅰ1类场地峰值加速度放大系数
4b. Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site
特征周期/s 峰值加速度/gal 200 300 400 样本1 样本2 样本3 样本1 样本2 样本3 样本1 样本2 样本3 0.25 1.38 1.27 1.14 1.29 1.21 1.13 1.16 1.34 1.18 0.30 1.36 1.37 1.29 1.20 1.12 1.29 1.26 1.09 1.32 0.35 1.39 1.17 1.35 1.32 1.34 1.21 1.34 1.19 1.18 0.40 1.33 1.29 1.37 1.27 1.33 1.27 1.33 1.13 1.34 0.45 1.35 1.41 1.32 1.24 1.47 1.31 1.32 1.27 1.11 0.55 1.41 1.35 1.33 1.32 1.21 1.27 1.26 1.30 1.29 0.65 1.34 1.29 1.21 1.27 1.27 1.29 1.27 1.26 1.26
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表 5 不同类别场地峰值加速度放大系数
Table 5. Statistical charts of peak acceleration amplification coefficient for different classification sites
场地类别 峰值加速度/gal 50 100 150 200 300 400 Ⅰ1 变化范围 1.31～1.62 1.25～1.49 1.24～1.48 1.14～1.41 1.12～1.47 1.09～1.34 均值 1.42 1.36 1.32 1.32 1.27 1.25 Ⅱ 变化范围 1.22～1.60 1.05～1.35 1.06～1.52 1.06～1.36 1.08～1.34 1.03～1.31 均值 1.38 1.23 1.20 1.23 1.19 1.18 Ⅲ 变化范围 1.12～1.49 1.10～1.43 0.98～1.30 0.91～1.24 0.79～1.18 0.74～1.04 均值 1.26 1.21 1.13 1.05 0.92 0.91 Ⅳ 变化范围 1.05～1.41 0.99～1.47 0.87～1.25 0.84～1.31 0.65～1.03 0.53～1.10 均值 1.25 1.19 1.07 1.03 0.85 0.82 Ⅴ 变化范围 1.05～1.37 0.97～1.47 0.81～1.20 0.80～1.11 0.61～1.07 0.5～1.03 均值 1.24 1.18 1.07 0.98 0.75 0.70
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表 6 Ⅰ1类场地反应谱特征周期
Table 6. Characteristic period of acceleration response spectrum for Ⅰ1 classification site
特征周期/s 峰值加速度/gal 50 100 150 200 300 400 0.25 0.30 0.30 0.30 0.30 0.35 0.35 0.30 0.35 0.35 0.35 0.35 0.40 0.40 0.35 0.40 0.40 0.40 0.40 0.45 0.45 0.40 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.50 0.45 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.55 0.55 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.65 0.65 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.75
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表 7 不同类别场地地表反应谱特征周期
Table 7. Characteristic period of acceleration response spectrum for different classification sites
输入地震动特征周期/s 场地类别 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 0.25 变化范围 0.30～0.35 0.30～0.35 0.35～0.40 0.45～0.55 0.40～0.90 均值 0.32 0.34 0.37 0.51 0.63 0.30 变化范围 0.35～0.40 0.35～0.45 0.40～0.50 0.50～0.60 0.50～1.00 均值 0.37 0.41 0.47 0.57 0.74 0.35 变化范围 0.40～0.45 0.40～0.50 0.45～0.60 0.55～0.70 0.55～1.10 均值 0.42 0.46 0.52 0.62 0.79 0.40 变化范围 0.45～0.50 0.45～0.55 0.50～0.65 0.65～0.75 0.65～1.20 均值 0.46 0.51 0.61 0.72 0.85 0.45 变化范围 0.50～0.55 0.50～0.60 0.55～0.75 0.70～0.90 0.70～1.30 均值 0.51 0.55 0.64 0.81 0.88 0.55 变化范围 0.60～0.65 0.60～0.70 0.65～0.90 0.80～0.90 0.80～1.50 均值 0.61 0.65 0.74 0.86 0.95 0.65 变化范围 0.70～0.75 0.70～0.80 0.75～1.00 0.90～1.10 0.90～1.80 均值 0.71 0.75 0.86 0.98 1.2
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