【摘 要】通過(guò)傳統(tǒng)譜比法研究了場(chǎng)址的地震動(dòng)放大效應(yīng)與近地表地震地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的關(guān)聯(lián)性。利用IWTH地震觀測(cè)陣列記錄的強(qiáng)震數(shù)據(jù)和相關(guān)測(cè)井資料，計(jì)算了場(chǎng)址的地表相對(duì)基巖的地震動(dòng)振幅譜比和Vsb與Vs30的比值，發(fā)現(xiàn)Vsb/Vs30的值越大，地表在1-10Hz頻段內(nèi)的放大峰值也就越大。

【關(guān)鍵詞】譜比法 場(chǎng)址效應(yīng) Vs30

近地表場(chǎng)址的地震動(dòng)響應(yīng)特征一直是地震工程界研究的重要課題，而在重大工程設(shè)計(jì)施工中，評(píng)估場(chǎng)址的地震動(dòng)放大效應(yīng)非常重要。眾多地震災(zāi)害實(shí)例表明，在軟土沉積層結(jié)構(gòu)上的建筑設(shè)施、地質(zhì)體結(jié)構(gòu)受到的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堅(jiān)硬基巖上的房屋建筑的破壞程度[1]。而局部場(chǎng)址地震動(dòng)響應(yīng)特征與其近地表地震地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，其放大效應(yīng)的主放大峰值、主頻、頻寬范圍等因素受到近地表地層的參數(shù)的直接影響，因此研究?jī)烧咧g的關(guān)聯(lián)具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 研究方法

地表場(chǎng)址地震動(dòng)響應(yīng)特征定量研究的最直接方法是，計(jì)算地表出射與基巖入射地震波的振幅譜比。研究場(chǎng)址地震動(dòng)放大效應(yīng)通常采用的傳統(tǒng)方法是雙臺(tái)站譜比法：在研究場(chǎng)址和與其距離較近的基巖參考場(chǎng)址上放置相同參數(shù)的地震觀測(cè)儀器，用研究場(chǎng)址和基巖參考場(chǎng)址在同一地震事件中觀測(cè)的地震動(dòng)振幅譜之比，來(lái)定量刻畫(huà)研究場(chǎng)址的地震動(dòng)放大效應(yīng)，如下列公式所示：

公式（1）中Aij（f）、Pij（f）、分別表示第j觀測(cè)場(chǎng)址在第i地震中記錄的地震數(shù)據(jù)、路徑項(xiàng)，其中f為頻率；Si（f）、Gj（f）、Ij（f）和Rj（f）分別表示第i地震的震源項(xiàng)、第j觀測(cè)場(chǎng)址的場(chǎng)址項(xiàng)、儀器響應(yīng)和第j觀測(cè)場(chǎng)址的傅里葉振幅譜比；k表示第k參考場(chǎng)址。該方法的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是需要一個(gè)基巖場(chǎng)址作為參考場(chǎng)址。另外有單臺(tái)站譜比法：在研究區(qū)域沒(méi)有合適的基巖參考場(chǎng)址時(shí)，Nakamura （1989）提出了經(jīng)驗(yàn)式研究方法，該方法研究較低頻率的放大效應(yīng)是有效的。

2 數(shù)據(jù)分析

本文選取了日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（NIED）布置的KiK-net地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的IWTH陣列（IWTH01-24，IWTH26-28）所記錄的12個(gè)強(qiáng)地震事件的地震動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，地震事件震中和臺(tái)站分布位置如圖1所示。考慮到觀測(cè)陣列均有地表和基巖處的地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，因此本文的地震動(dòng)研究方法選擇雙臺(tái)站譜比法。強(qiáng)地震動(dòng)在地表水平方向產(chǎn)生的剪切振動(dòng)對(duì)表層建筑的破壞作用最為強(qiáng)烈，因此這里選用地震動(dòng)記錄的東西（EW）和南北（NS）分量的S波數(shù)據(jù)計(jì)算譜比；為消除背景噪音、散射波和面波的干擾，首先對(duì)地震動(dòng)數(shù)據(jù)采用1Hz的高通濾波；為避免P波與尾波的對(duì)研究的影響，本文所計(jì)算的地震動(dòng)時(shí)間域波形數(shù)據(jù)起始于S波到時(shí)，根據(jù)對(duì)地震數(shù)據(jù)震相分析，計(jì)算的數(shù)據(jù)統(tǒng)一震動(dòng)持時(shí)長(zhǎng)度為90s；再采用Hanning窗濾波并計(jì)算傅里葉振幅譜；然后根據(jù)公式（2）計(jì)算每個(gè)臺(tái)站的兩個(gè)水平分量之譜比，再以EW和NS分量的均方根值H分量來(lái)綜合反映場(chǎng)址的地表地震動(dòng)響應(yīng)情況；最終計(jì)算各個(gè)臺(tái)站在12個(gè)強(qiáng)震中的H分量的地震動(dòng)響應(yīng)函數(shù)的幾何平均值，以統(tǒng)計(jì)方法排除地震事件給計(jì)算帶來(lái)的偶然性和誤差。

這里我們首先選取具有顯著地震動(dòng)放大效應(yīng)的場(chǎng)址來(lái)分析。地表地震動(dòng)的主要能量集中的頻段分為一般在0-20Hz，而1-10Hz的放大效應(yīng)是地震工程領(lǐng)域特別關(guān)注的內(nèi)容。根據(jù)計(jì)算結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，IWTH08在10Hz以內(nèi)的放大效應(yīng)非常顯著，根據(jù)單臺(tái)站譜比法的結(jié)果（Surface to Borehole），第一放大主頻為2.9Hz，其放大峰值達(dá)到了28；接著在6.5Hz和9Hz出現(xiàn)兩個(gè)峰值，放大倍數(shù)分別為20和25，如圖2所示。其結(jié)果與F. Lopez（2012）的研究結(jié)果較一致[2]。同時(shí)比較單臺(tái)站譜比法（Horizontal to Vertical）的計(jì)算結(jié)果，其第一和第二方大主頻分別為2.6Hz和7.4Hz，與前一方法結(jié)果很接近，但是對(duì)應(yīng)的放大峰值相比之下低很多，分別為9.0和2.0。這說(shuō)明單臺(tái)站譜比法研究低頻放大效應(yīng)是很有效的；用該方法評(píng)價(jià)場(chǎng)址的地震動(dòng)放大效應(yīng)，當(dāng)其所計(jì)算出的低頻段內(nèi)的譜比值大于2時(shí)，可認(rèn)為研究場(chǎng)址具不可忽視的地震動(dòng)放大效應(yīng)。根據(jù)IWTH08場(chǎng)址的近地表地層參數(shù)，得到SH波地表放大效應(yīng)正演模擬結(jié)果[3]。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果一致性很好，對(duì)放大主頻和放大效應(yīng)函數(shù)的整體特征刻畫(huà)的很準(zhǔn)確，而參與模擬計(jì)算的參數(shù)值包括地層厚度、密度、橫波速度和品質(zhì)因子。其中，地層厚度和S波速度在估算場(chǎng)址地震動(dòng)響應(yīng)特征中占有非常重要的地位。

我們知道，Vs30（近地表30m地層的S波平均速度）通常用來(lái)預(yù)測(cè)或估算場(chǎng)址的地震動(dòng)放大效應(yīng)[4]。IWTH09和IWTH20的譜比函數(shù)值在1-10Hz有一個(gè)共同的特點(diǎn)：就是沒(méi)有明顯的放大峰值，并且在該頻段的譜比函數(shù)值均小于10，如圖3所示。IWTH08、IWTH09和IWTH20三者的Vs30分別為340m/s，1270m/s，430m/s，其中IWTH09具有較大的Vs30，因此該場(chǎng)址的放大主頻應(yīng)該是出現(xiàn)在高頻處；IWHT08和IWTH20的Vs30比較相近，但是兩者的基巖速度相差很大，前者為2120m/s，后者為500m/s。可以說(shuō)明，Vs30主要影響地震動(dòng)場(chǎng)址響應(yīng)的放大主頻位置，而Vs30與基巖的波阻抗差異值才是影響放大峰值大小的主要因素。

為此，我們計(jì)算了IWTH陣列所有臺(tái)站在3個(gè)強(qiáng)震中的譜比均值，討論Vsb/Vs30（Vsb表示測(cè)井得到的基巖S波速度）與第一放大峰值大小的關(guān)系。從圖4可以看出，隨著Vsb與Vs30比值的增加，地表的放大效應(yīng)峰值也隨之變大。盡管計(jì)算結(jié)果有一定程度的離散，但是整體上仍能體現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

場(chǎng)址的地震動(dòng)放大效應(yīng)與其近地表地震地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，主要受到近地表地層的層厚和S波速度的影響。其中Vs30能夠反應(yīng)場(chǎng)址地震動(dòng)效應(yīng)的放大主頻位置，并且能夠以Vs30與基巖的S波速度之比的大小來(lái)評(píng)價(jià)場(chǎng)址的放大效應(yīng)強(qiáng)度，通常表現(xiàn)為兩者速度差異越大，10Hz內(nèi)的主放大峰值也就越大。

參考文獻(xiàn)：

[1] Toshikazu， Makato， Nikolaos. A study on earthquake ground motions during the Mexican earthquake of Spetember， 19， 1985[J].Proceedings of Ninth World Conference on Earthquake Engineering，1988，3-3（18）：501-506

[2] F Lopez Caballero， C Gelis， J Regnier. Site response analysis including earthquake input ground motion and soil dynamic properties variability[A].15th WCEE， 2012.

[3] 余嘉順，賀振華.SH波在表面多層介質(zhì)中傳播的精確模擬[J].地震研究，2003（1）：14-19.

[4] John G Anderson， Yajie Lee， Yuehua Zeng. Control of strong motion by the upper 30 meters[J].Bulletin of the Seismological Society of America，1996，86（6）：1749-1759

致謝：感謝日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（NIED）提供KiK-net地震觀測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)井資料。

作者簡(jiǎn)介：韓超（1990—），男，四川廣元人，成都理工大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向：天然地震。