郭宗斌, 陳其峰, 馮恩國(guó), 溫麗媛, 連凱旋, 顏丙囤
(山東省地震局聊城地震監(jiān)測(cè)中心站,山東 聊城 252000)
大量地震災(zāi)害研究表明,場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)有重大影響,并且不同場(chǎng)地的抗震性能有著較大差別。工程場(chǎng)地條件是工程抗震設(shè)計(jì)中確定反應(yīng)譜峰值、特征周期的重要依據(jù),且對(duì)工程抗震設(shè)計(jì)的安全性有至關(guān)重要的作用[1-3]。于是,眾多學(xué)者開(kāi)展場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響的研究,主要集中在場(chǎng)地的覆蓋土層、地表地形或基巖面的影響[4-5]。現(xiàn)在不同國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范均有場(chǎng)地特征對(duì)地震反應(yīng)譜的研究,而且加入了場(chǎng)地分類(lèi)的定義。多年的工程實(shí)踐和地震后的災(zāi)害調(diào)查已經(jīng)驗(yàn)證,根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別推算地震動(dòng)參數(shù)并進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是減少地震災(zāi)害的有效方法之一。
在中國(guó)不同行業(yè)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可謂是母規(guī)范,它是眾多抗震設(shè)計(jì)的領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范于1959年發(fā)行第一版,迄今為止共有7個(gè)版本。其中,1989規(guī)范,2001規(guī)范和2010規(guī)范對(duì)場(chǎng)地類(lèi)別的劃分均采用等效(平均)剪切波速和覆蓋層厚度雙參數(shù)指標(biāo)劃分的思路[6-8]。在對(duì)目標(biāo)場(chǎng)地進(jìn)行研究時(shí),覆蓋層厚度愈大,等效剪切波速愈小,就將其劃分為愈高的場(chǎng)地類(lèi)別?,F(xiàn)在中國(guó)使用的2010規(guī)范把區(qū)域場(chǎng)地共分為4類(lèi)(表1),表中VS代表巖土剪切波速,Vse代表等效剪切波速。
表1 場(chǎng)地分類(lèi)方法表
美國(guó)從1976年起對(duì)場(chǎng)地類(lèi)別開(kāi)展研究,1978年出版的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)巖性特征把場(chǎng)地類(lèi)別劃分為3類(lèi)。Borcherdt根據(jù)1989年Loma Prieta地震不同場(chǎng)地上的強(qiáng)震觀測(cè)記錄,通過(guò)與土層地震反應(yīng)進(jìn)行分析和比較,提出以表層30 m范圍內(nèi)的等效剪切波速(VS30)為主,同時(shí)參考標(biāo)貫擊數(shù)、不排水剪強(qiáng)度等指標(biāo)的場(chǎng)地分類(lèi)方案[9]。該方案把場(chǎng)地類(lèi)別劃分為A~F類(lèi),這一方案也被1994版及隨后多版的NEHRP采納[10](表2)?!督y(tǒng)一建筑規(guī)范》[11]及《國(guó)際建筑規(guī)范》[12]也選用該分類(lèi)方法。
表2 美國(guó)規(guī)范中的場(chǎng)地分類(lèi)方法
歐洲各國(guó)通用的抗震規(guī)范是Eurocode8[13],該標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相似,且分類(lèi)指標(biāo)基本一致,僅在某些分檔細(xì)節(jié)存在不同。該規(guī)范把區(qū)域歸為A~E,S1,S2類(lèi),其中S1、S2是需做專(zhuān)門(mén)研究的特殊土類(lèi),例如高塑性土層、敏感粘土等。
日本現(xiàn)行場(chǎng)地分類(lèi)方案由《新耐震設(shè)計(jì)法》[14]首次頒布,依據(jù)場(chǎng)地土巖性的宏觀描述或相應(yīng)的場(chǎng)地周期為指標(biāo)將場(chǎng)地劃分為3類(lèi):硬土和基巖、一般土、軟弱土。另外場(chǎng)地卓越周期通過(guò)土層剪切波速計(jì)算,深度采用30 m。
地質(zhì)法是根據(jù)地質(zhì)圖,以VS30為橋梁,建立地質(zhì)單元和VS30之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系后推算出區(qū)域性的VS30分布情況,進(jìn)而獲得區(qū)域性的場(chǎng)地類(lèi)別分類(lèi)圖[15]。地質(zhì)圖資料相對(duì)豐富易得,許多學(xué)者通過(guò)建立巖石類(lèi)型、土層的地質(zhì)年代與VS30之間的關(guān)系,進(jìn)行場(chǎng)地條件研究。
Park等通過(guò)土層的地質(zhì)年代來(lái)進(jìn)行場(chǎng)地研究,發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)、古近紀(jì)與新近紀(jì)、中生代地層之間的VS30可以區(qū)分開(kāi),據(jù)此劃分為沉積層、軟巖、硬巖3類(lèi)場(chǎng)地,并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。Wills等利用加州地區(qū)1 000個(gè)鉆孔波速數(shù)據(jù)和1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖統(tǒng)計(jì)得出場(chǎng)地類(lèi)別與VS30間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,劃分美國(guó)加州地區(qū)的場(chǎng)地類(lèi)別[17]。在此基礎(chǔ)上,Lee等根據(jù)1∶50萬(wàn)及1∶20萬(wàn)的地質(zhì)資料,對(duì)中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)進(jìn)行場(chǎng)地分類(lèi)[18]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了這方面的研究工作,溫瑞智、史大成等利用全國(guó)地質(zhì)調(diào)查資料,基于GIS技術(shù)完成了中國(guó)全國(guó)范圍的場(chǎng)地分類(lèi)圖[19]。
該方法是通過(guò)地形資料來(lái)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分類(lèi)的方法,即根據(jù)地形坡度和VS30之間的關(guān)系,計(jì)算出該地區(qū)的VS30分布情況,根據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分類(lèi)。Wald等選取實(shí)測(cè)剪切波速資料豐富的地區(qū),建立地形坡度和VS30之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,依據(jù)NEHRP中對(duì)VS30的場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),推算出4類(lèi)場(chǎng)地類(lèi)別中地形坡度值的經(jīng)驗(yàn)范圍[20]。在此基礎(chǔ)上,Wald等研發(fā)了烈度速報(bào)系統(tǒng)(ShakeMap)。利用地形坡度法,Allen等對(duì)全球大部分國(guó)家和區(qū)域進(jìn)行了場(chǎng)地劃分[21],其結(jié)果已運(yùn)用于Shakemap系統(tǒng)的場(chǎng)地校正模塊。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也對(duì)該方法進(jìn)行了研究,陳鯤等根據(jù)中國(guó)數(shù)字高程資料得到地形坡度[22],對(duì)四川省區(qū)域進(jìn)行了場(chǎng)地分類(lèi),張雨婷利用多重地形特征的分離方法提升了分類(lèi)的準(zhǔn)確率[23]。
Borcherdt等提出利用強(qiáng)震動(dòng)記錄對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行劃分,并稱(chēng)之為反應(yīng)譜形狀法(RSS法)。在假設(shè)基巖場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)無(wú)放大的前提下,該方法將土層場(chǎng)地與參考基巖場(chǎng)地的反應(yīng)譜記錄對(duì)比估計(jì)土層反應(yīng)[24]。Seed等利用不同地震中的強(qiáng)震動(dòng)資料,計(jì)算出巖石、硬土、無(wú)黏性土、軟—中粘土及砂土4種場(chǎng)地條件下的5%阻尼比平均加速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)[25](圖1),由于當(dāng)時(shí)利用的強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)較少,計(jì)算出的曲線(xiàn)準(zhǔn)確度還有待提高。后來(lái)Lee等采用了11個(gè)大地震中捕獲的1 676條強(qiáng)震動(dòng)記錄,根據(jù)NEHRP中定義的場(chǎng)地描述,繪出一組更加合理的平均加速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)[18]。國(guó)內(nèi)學(xué)者Wen等提出采用反應(yīng)譜峰值周期和周期1 s的譜值2項(xiàng)指標(biāo)劃分場(chǎng)地類(lèi)別,并且運(yùn)用到中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的場(chǎng)地類(lèi)別劃分工作中[26]。
圖1 Seed等給出的四種場(chǎng)地條件下的平均反應(yīng)譜曲線(xiàn)
為了消除震源和傳播路徑的影響,Nakamura在1989年提出一種基于同一地表測(cè)點(diǎn)地脈動(dòng)水平分量與豎向分量傅里葉幅值譜比來(lái)估計(jì)場(chǎng)地特征的方法,即水平/豎向譜比法(HVRS法),也稱(chēng)Nakamura方法[27]。Yamazaki等將這種方法擴(kuò)展到利用強(qiáng)震記錄評(píng)估場(chǎng)地特征進(jìn)行場(chǎng)地分類(lèi)[28],并驗(yàn)證了同一場(chǎng)地的水平與豎向速度反應(yīng)譜譜比值受地震震級(jí)、震中距離與震源深度的影響不大。目前,利用水平/豎向譜比法(HVRS法)進(jìn)行場(chǎng)地分類(lèi)的方法包括卓越周期劃分法,譜比曲線(xiàn)匹配法,譜比形狀一致法等[29-30]。
卓越周期劃分法最早由Zhao提出[31],此分類(lèi)方法是參考日本抗震規(guī)范中各類(lèi)場(chǎng)地的卓越周期,利用不同臺(tái)站記錄到的地震數(shù)據(jù)計(jì)算出4種場(chǎng)地對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)譜比曲線(xiàn)(圖2),其峰值周期分別為0.15、0.25、0.5和0.8 s。在此基礎(chǔ)上,F(xiàn)ukushima等增加了2種分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[32],主要是針對(duì)不能判別卓越周期的場(chǎng)地區(qū)域。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家Wen對(duì)四川強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站進(jìn)行場(chǎng)地劃分也采用這種方法[26]。
圖2 HVRS譜比經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)
譜比曲線(xiàn)匹配法是為了應(yīng)對(duì)卓越周期劃分法中對(duì)較硬或較軟場(chǎng)地難判別的問(wèn)題,Zhao等人提出了另一種分類(lèi)方法[31],使用分類(lèi)參數(shù)SI,
(1)
譜比形狀一致法是在Zhao等人的研究思路上,根據(jù)斯皮爾曼秩相關(guān)理論,Ghasemi等提出了新的分類(lèi)參數(shù)SI[33],
(2)
式中,k是場(chǎng)地類(lèi)別;n是周期點(diǎn)數(shù)量;xi,yik分別是目標(biāo)區(qū)域譜比曲線(xiàn)和第k類(lèi)場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)在第i個(gè)擺動(dòng)周期處譜比值的秩;di是xi和yik的差。SIk取值范圍在-1和1之間,當(dāng)目標(biāo)場(chǎng)地譜比曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)完全重合時(shí),SIk=1。相似的,分別計(jì)算4種場(chǎng)地類(lèi)別對(duì)應(yīng)的SI值,4個(gè)結(jié)果中最大的就是待分類(lèi)場(chǎng)地的類(lèi)別。
冀昆等基于蘆山余震強(qiáng)震記錄計(jì)算41個(gè)固定臺(tái)站的場(chǎng)地H/V譜比曲線(xiàn),并按照中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),首次得出我國(guó)3類(lèi)場(chǎng)地的H/V譜比曲線(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)差[34]。黃俊等根據(jù)2016年青海門(mén)源MS6.4地震的強(qiáng)震數(shù)據(jù),計(jì)算出4個(gè)高鐵站的H/V速度反應(yīng)譜比曲線(xiàn),采用中國(guó)強(qiáng)震臺(tái)站經(jīng)驗(yàn)場(chǎng)地分類(lèi)方法,利用譜比曲線(xiàn)的卓越周期、峰值和譜形匹配指標(biāo)3個(gè)參數(shù)完成4個(gè)高鐵站的場(chǎng)地分類(lèi)[35]。
通過(guò)對(duì)中國(guó)、美國(guó)、歐洲和日本的抗震規(guī)范進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)不同國(guó)家采用的分類(lèi)參數(shù)基本相似,包括等效剪切波速、卓越周期、覆蓋層厚度、標(biāo)貫擊數(shù)、不排水剪強(qiáng)度等。不同國(guó)家通常選取一種或多種參數(shù)對(duì)場(chǎng)地類(lèi)別進(jìn)行劃分,大多分為2~5類(lèi)場(chǎng)地類(lèi)別。自1989年以來(lái),中國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范主要選取等效剪切波速和覆蓋層厚度2個(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)場(chǎng)地類(lèi)別進(jìn)行劃分。美國(guó)和歐洲場(chǎng)地類(lèi)別劃分以平均剪切波速為主,標(biāo)貫擊數(shù)和不排水剪切強(qiáng)度等指標(biāo)為輔,是一種考慮多種影響因素的綜合場(chǎng)地分類(lèi)方法,對(duì)高黏性土和可液化土等特殊場(chǎng)地,具有很好的適用性。中國(guó)地域面積大,高黏性土和可液化土等特殊場(chǎng)地多,在特殊場(chǎng)地應(yīng)適當(dāng)考慮標(biāo)貫擊數(shù)和不排水剪切強(qiáng)度等原位測(cè)試和試驗(yàn)指標(biāo),以細(xì)化特殊場(chǎng)地分類(lèi)。
歐洲、美國(guó)規(guī)范均未采用覆蓋層厚度這一指標(biāo),在工程實(shí)際中,準(zhǔn)確的覆蓋層厚度往往因缺乏詳細(xì)的地質(zhì)資料而不易獲得,實(shí)踐中經(jīng)常采用經(jīng)驗(yàn)值,受人為因素影響較大。另一方面,采用等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度雙指標(biāo)的分類(lèi)方法容易引起場(chǎng)地類(lèi)別的突變。
隨著對(duì)場(chǎng)地分類(lèi)方法研究的不斷深入,地震災(zāi)后救援、烈度速報(bào)等工作要求不斷提高,傳統(tǒng)抗震規(guī)范中的場(chǎng)地類(lèi)別劃分方法已不能滿(mǎn)足實(shí)際要求,因此許多學(xué)者對(duì)估計(jì)區(qū)域性場(chǎng)地類(lèi)別劃分開(kāi)展了研究。其中地表地質(zhì)法、地形坡度法對(duì)于大面積場(chǎng)地分類(lèi)取得比較好的效果。這兩種分類(lèi)方法在對(duì)大面積區(qū)域性場(chǎng)地進(jìn)行劃分時(shí),不需要獲取鉆孔數(shù)據(jù),因而降低了經(jīng)濟(jì)支出。在發(fā)生地震后,通過(guò)地質(zhì)和地形資料得到的場(chǎng)地分類(lèi)圖能夠迅速估計(jì)對(duì)區(qū)域的影響,可為地震救援等震后工作提供參考依據(jù)。
地表地質(zhì)法受地質(zhì)圖的影響較大,地質(zhì)編圖可能會(huì)忽略較薄的風(fēng)化層,而風(fēng)化層對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的影響較大;另外,該方法對(duì)同一類(lèi)地質(zhì)單元只分配一個(gè)VS30,容易忽略單元內(nèi)部的變化。地形坡度法不適用于大陸冰川作用的地區(qū)、未風(fēng)化的火山巖高原區(qū)或者平坦的碳酸鹽區(qū)。地表地質(zhì)法和地形坡度法得到的分類(lèi)結(jié)果普遍精度不高,適用于較大區(qū)域的場(chǎng)地分類(lèi),無(wú)法反應(yīng)工程中所關(guān)心的具體局部場(chǎng)地情況。
利用強(qiáng)震資料的反應(yīng)譜劃分場(chǎng)地類(lèi)別的方法是建立在豐富強(qiáng)震動(dòng)記錄的基礎(chǔ)上,這種方法更直觀的考慮場(chǎng)地條件對(duì)地震反應(yīng)譜的影響。對(duì)于含有強(qiáng)震記錄較多的美國(guó)、日本等地區(qū),H/V譜比法對(duì)于強(qiáng)震臺(tái)站的場(chǎng)地分類(lèi)取得較為理想的效果,是目前基于場(chǎng)地分類(lèi)的一種較為成熟可靠的方法。對(duì)于缺乏鉆孔數(shù)據(jù)的區(qū)域,該方法可以做為很好的補(bǔ)充。與傳統(tǒng)場(chǎng)地分類(lèi)方法相比,強(qiáng)震記錄反應(yīng)譜法不僅更為經(jīng)濟(jì)高效,而且場(chǎng)地劃分結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。
卓越周期劃界法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作,但是不足之處也較明顯,例如HVRS曲線(xiàn)出現(xiàn)多個(gè)相近的峰值時(shí),場(chǎng)地卓越周期并不唯一,這種現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)于土層性質(zhì)分層差異較明顯的場(chǎng)地。實(shí)際情況下,對(duì)于SC IV 類(lèi)和SC III類(lèi)場(chǎng)地,軟弱土層對(duì)于地震動(dòng)在長(zhǎng)周期放大十分顯著,卓越周期能較好地體現(xiàn)這種場(chǎng)地特征。相反對(duì)于SC I類(lèi)和SC II類(lèi)場(chǎng)地,地震動(dòng)在高頻部分雖有放大但不是很顯著,而且往往出現(xiàn)多個(gè)峰值,用卓越周期確定場(chǎng)地是SC I類(lèi)還是SC II類(lèi)顯然很模糊。另外,HVRS計(jì)算需要單一臺(tái)站的多條強(qiáng)震動(dòng)記錄才能較清楚的確定其場(chǎng)地卓越周期,如果臺(tái)站記錄很少量,該方法成功率將大大降低。
譜比曲線(xiàn)匹配法相比于卓越周期法,大大提高了場(chǎng)地分類(lèi)的成功率,尤其是對(duì)于SC I類(lèi)、SC III類(lèi)和SC IV類(lèi)場(chǎng)地,但對(duì)與SC II類(lèi)場(chǎng)地?zé)o明顯改變,如果配合S波在場(chǎng)地上覆蓋層 20 m 內(nèi)的傳播時(shí)間成功率會(huì)有明顯提升。在劃分強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)場(chǎng)地類(lèi)別時(shí),SC I類(lèi)場(chǎng)地劃分錯(cuò)誤為SC II類(lèi)和SC III類(lèi)的20%,SC III類(lèi)場(chǎng)地的劃分錯(cuò)誤是SC II類(lèi)場(chǎng)地的35%以上。
譜比形狀一致法相比于譜比曲線(xiàn)匹配法,除SC II類(lèi)場(chǎng)地,其他類(lèi)別場(chǎng)地分類(lèi)成功率略有提高。該方法實(shí)質(zhì)上是目標(biāo)HVRS曲線(xiàn)與四類(lèi)場(chǎng)地的HVRS曲線(xiàn)之間的形狀相似度比較,并沒(méi)有考慮兩者譜比值的大小。
工程場(chǎng)地分類(lèi)是抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作。中國(guó)和美國(guó)、歐洲、日本抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的場(chǎng)地類(lèi)別劃分所選用的參數(shù)對(duì)應(yīng)本國(guó)的場(chǎng)地及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,國(guó)家科技水平越高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展越好,實(shí)際場(chǎng)地分類(lèi)中所使用的參數(shù)指標(biāo)要求越高。而且,不同年代關(guān)于場(chǎng)地類(lèi)別劃分的最新研究方法也基本應(yīng)用到同年代建設(shè)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于場(chǎng)地類(lèi)別劃分的要求中。我國(guó)現(xiàn)在使用的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[6]經(jīng)過(guò)7次的修訂和更新,已通過(guò)大量實(shí)際工程的檢驗(yàn),根據(jù)場(chǎng)地覆蓋層厚度和等效剪切波速的雙參數(shù)分類(lèi)法適用于我國(guó)工程抗震和巖土工程勘察的實(shí)際情況。
隨著防震減災(zāi)要求的提高,需要對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè),而且大震發(fā)生后需對(duì)震害進(jìn)行快速評(píng)估,這都需要考慮大范圍的區(qū)域型場(chǎng)地條件。因此基于地質(zhì)地形數(shù)據(jù)的方法應(yīng)運(yùn)而生,通過(guò)利用地質(zhì)或地形資料推算不易獲得的VS30分布實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的場(chǎng)地分類(lèi)。這2種方法目前主要為震后快速響應(yīng)和地震災(zāi)害評(píng)估服務(wù)。
對(duì)基于強(qiáng)震記錄的H/V譜比場(chǎng)地分類(lèi)方法已經(jīng)用于中國(guó)、日本、伊朗、意大利、美國(guó)等強(qiáng)震臺(tái)站的場(chǎng)地分類(lèi),并取得了較為理想的效果。盡管我國(guó)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)在臺(tái)網(wǎng)規(guī)模和密度、強(qiáng)震動(dòng)記錄的獲取能力和質(zhì)量、數(shù)據(jù)積累等方面與日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家尚有一定的差距,但近年來(lái)我國(guó)強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)量增加較快,譜比法在我國(guó)工程場(chǎng)地分類(lèi)中應(yīng)用也越來(lái)越得到重視,并可作為與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場(chǎng)地分類(lèi)方法的一種有益補(bǔ)充。同時(shí),隨著強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站鉆孔資料的逐漸完善,適用于我國(guó)場(chǎng)地的譜比法場(chǎng)地分類(lèi)方法將進(jìn)一步得到發(fā)展。