場地劃分標準對基巖地震動參數衰減關系的影響1

王 珊張郁山尤 賀

1）中國地震災害防御中心，北京 100029

2）北京工業大學材料學院，北京 100022

場地劃分標準對基巖地震動參數衰減關系的影響1

王 珊1）張郁山1）尤 賀2）

1）中國地震災害防御中心，北京 100029

2）北京工業大學材料學院，北京 100022

基于美國NGA強震觀測數據庫中描述場地的不同指標，定義了五種不同的“基巖”場地類型，得到了相應的數據集；同時采用最小二乘法回歸得到了世界范圍內對應不同“基巖”定義的地震動參數衰減關系，并研究了不同場地劃分標準造成的基巖地震動參數衰減關系的差異。

NGA強震觀測數據庫 地震動衰減關系 峰值加速度 反應譜

引言

地震動是引起震害的外因，是工程地震研究的主要內容。地震動的特性十分復雜，為了研究與工程應用的方便，通常采用對特定地震動參數（主要指對工程結構地震反應有重要影響的參數，如幅值、頻譜和持時等）進行研究的方法來開展探索。以現有的強震觀測記錄為基礎，使用經驗模型，采用統計的方法得到地震動參數衰減關系，是地震動參數研究和工程應用中一種常用的方法，也是地震危險性分析工作的基礎。

美國太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center，簡稱PEER）的NGA（Next Generation Attenuation）項目的主要目標，是建立新的地震動衰減關系模型。針對該目標，NGA通過對已有PEER強震數據庫的修訂、補充、整理，已經形成目前國際上最為完整、先進的強震數據庫。利用該數據庫提供的強震觀測記錄，NGA不同研究小組（Abrahamson等，2008；Boore等，2008；Campbell等，2008；Chiou等，2008；Idriss，2008）已建立了世界范圍內地震動參數的衰減關系。但是，這些基于NGA數據庫的衰減關系并不能直接應用于我國的工程實踐，其主要原因在于：①NGA衰減關系使用的地震參數（包括震級、震源機制等）和場地參數（包括斷層距、剪切波速、盆地參數等）與我國常用的模型不同，且模型復雜，計算不便；②不同地區地震動衰減可能存在區域性差異，統一采用世界范圍的衰減關系不能反映我國不同地震區地震環境的差異。

另一方面，我國工程場地地震危險性分析的通常方法是利用基巖地震動參數衰減關系，確定對應于工程場址“自由基巖”面的地震動參數，之后通過開展場地土層地震反應計算考慮局部場地條件對地震動參數的影響，而且對土層場地條件下地震動參數衰減關系的使用持謹慎的態度（胡聿賢，1999）。而上述NGA衰減關系是將基巖和土層場地的觀測數據統一進行統計回歸，最后得到適用于所有場地類型的地震動參數衰減關系，并在模型中通過等效剪切波速來區分不同場地類別。這種做法盡管可以用一個連續的物理量（即場地等效剪切波速）來描述場地特性，但是，非基巖數據的引入也會導致對基巖地震動衰減規律的“扭曲”。因此，基于NGA強震觀測數據，確定適合我國實際情況的“基巖”地震動參數衰減關系是十分必要的。基于此，陳勇（2008）和肖亮（2011）分別利用NGA數據庫提供的基巖場地強震觀測記錄，采用不同的衰減模型，統計回歸出了美國西部地區地震動參數的衰減關系，并且通過轉換方法得到了我國不同分區的基巖地震動參數衰減關系（肖亮，2011）。

在上述兩種衰減關系中，均將地表30m范圍內平均剪切波速（Vs30）大于500m/s的場地定義為基巖場地。而NGA數據庫中，除Vs30外，描述場地的指標有多種，根據不同的指標可以劃分出不同的“基巖”場地，從而會得到不同的數據集，進而會對衰減關系的回歸結果產生一定的影響。基于這種考慮，本文擬利用NGA數據庫中世界范圍的觀測數據，回歸對應不同“基巖”場地定義的地震動參數衰減關系，并據此研究“基巖”場地劃分標準的不確定性對衰減關系計算結果的影響。

1 基礎資料

NGA強震數據庫經不斷擴充和更新后，截止到2007年該數據庫包含全世界范圍內175個地震的3551條強震記錄，并同時提供了用于建立衰減關系的各項詳細參數。本文研究主要使用了美國NGA強震數據庫提供的水平向基巖場地的強震加速度記錄及相關參數。

本文的研究對象是自由基巖場地的地震動參數衰減規律。在NGA數據庫中，描述場地的主要指標包括：①GMX’s C3（以下簡稱指標-1）；②GEOCODE（以下簡稱指標-2）；③SGS（以下簡稱指標?3）；④基于Vs30的NEHRP指標（以下簡稱指標-4）。上述不同指標及相應的“基巖”場地的定義如下。

1.1 指標-1

該指標根據地表地層的巖土工程特性，將強震儀所在場地分為如下五類：

A（rock，基巖）：基巖場地或覆蓋層厚度小于5m的土層場地；

B（shallow stiff soil，淺硬土場地）：覆蓋層厚度大于5m小于20m的土層場地；

C（deep narrow soil，深窄土場地）：覆蓋層厚度至少20m，且場地所在谷地寬度不超過幾公里；

D（deep broad soil，深寬土場地）：覆蓋層厚度至少20m，且場地位于寬度較大的谷地中；

E（soft deep soil，深軟土場地）：覆蓋層厚度較大，且平均剪切波速小于150m/s。

1.2 指標-2

該指標由Campbell等（2003）提出，其基于Wills等（1998）建議的參數Vs30（即地表30m范圍內平均剪切波速）和Wills等（2000）定義的拓展的NEHRP場地分類方法，將強震儀所在場地分為如下六類：

A（firm soil，硬土）：包括全新世、新近沖積層或沖積扇、未分化的第四紀沉積物；對應的等效剪切波速Vs30=298±92m/s；對應的NEHRP分類為D；

B（very firm soil，非常堅硬土）：更新世、老的沖積層或階地沉積物；對應的等效剪切波速Vs30=360±80m/s；對應的NEHRP分類為CD；

C（soft rock，軟基巖）：沉積巖、第三紀軟火山沉積物、“較軟”的弗蘭西斯科構造、淺變質巖（例如混合巖、蛇紋石和片巖）；對應的等效剪切波速Vs30=421±109m/s；對應的NEHRP分類為CD；

D（firm rock，硬基巖）：更老一些的沉積巖和堅硬的火山沉積物、高度變質巖、結晶巖、“更硬”的弗蘭西斯科構造；對應的等效剪切波速Vs30=830±339m/s；對應的NEHRP分類為BC；

E（shallow soils，淺層沉積土）：沉積層厚度小于10m；

F：極軟或松散的全新世土壤，例如海灘的泥沙或者最近的平原、湖、河口、三角洲沉積物。

1.3 指標-3

該指標由Bray等（1997）提出，用于定義如下七類場地：

A（hard rock，硬基巖）：堅硬、完整的巖石；對應的等效剪切波速Vs≥1500m/s；

B（rock，基巖）：大多數“未風化”的加州基巖（Vs≥760m/s或者風化的基巖或土壤厚度＜6m）；

C（weathered soft rock/shallow stiff soil，風化軟基巖/淺層沉積硬土）：風化基巖區域大于6m，并且等效剪切波速Vs由360m/s增加到700m/s的土層厚度小于60m；土層沉積厚度小于60m；

D（deep stiff soil，深硬土）：土層沉積厚度大于60m，并且軟土層厚度小于3m；

E（sofy clay，軟粘土）：軟粘土厚度大于3m；

F（special，特殊土）：可能液化的砂土或泥炭，包括全新世高水位（Zw≤6m）的松砂或有機泥炭。

U（unknown condition，未知場地條件）：指不能確定強震儀所在場地的具體條件。

1.4 指標-4

該指標基于場地地表30m內平均剪切波速Vs30將場地分為如下五類：

A：Vs30＞1500m/s；

B：760m/s＜Vs30≤1500m/s；

C：360m/s＜Vs30≤760m/s；

D：180m/s＜Vs30≤360m/s；

E：Vs30≤180m/s。

參照上述四類指標，同一臺站場地可能被劃分成不同場地類型。比如美國的Tracy-Sewage Treatm Plant臺站，按照“指標-1”的劃分方法定義為：A（“基巖”場地）；按照“指標-2”的劃分方法定義為：A（“硬土”場地）；按照“指標-3”的劃分方法定義為：D（“深硬土”場地）；按照“指標-4”的劃分方法則定義為：D（對應的等效剪切波速度范圍180m/s＜ Vs30≤ 360m/s）。由此可知，不同指標的選取對同一臺站場地類型的劃分是有影響的。

針對上述不同的場地劃分方法對“基巖”場地進行定義，所得到的衰減關系也將存在相應的差距。根據上述“基巖”場地定義，對NGA數據庫中強震數據進行篩選，得到可用數據見表1。由于陳勇（2008）和肖亮（2011）均將Vs30＞500m/s定義為“基巖”場地，因此，表1中也包括了這種基巖場地劃分方法。不同指標下，自由基巖場地對應的觀測數據的震級—距離分布如圖1所示。

表1 不同“基巖”場地的定義及數據Table 1 Definition of different rock sites and the corresponding data

圖1 對應不同基巖場地定義的強震觀測數據的分布Fig. 1 Distribution of strong-motion observation data corresponding to different definitions of rock sites

2 衰減模型與回歸系數

本文采用我國工程實踐中常用的如下衰減模型：

式中，Sa代表加速度峰值或加速度反應譜值，單位為cm/s2；M為震級；R是震中距（單位為km）；c2—c6為回歸系數；σ為滿足對數正態分布的隨機變量。

由于本文關注的重點在于不同“基巖”場地定義造成的地震動衰減關系的差異，因此在衰減關系中略去震級飽和項，即令c3=0。采用最小二乘原理，通過二步回歸方法得出公式（1）中的系數。所有衰減模型中，系數c5=1.0，c6=0.5；系數c1、c2、c4和方差與反應譜控制周期之間的關系如圖2所示。從中可以看出，不同“基巖”場地定義對應的回歸系數存在較大差別。而且由于回歸分析所用數據集不同（如圖1所示），導致不同定義對應的方差存在較大差別，數據量越大，其方差越大，如“指標-4”對應的數據量較小（如表1所示），其對應的方差明顯小于其他指標的方差。在場地地震危險性計算中，在開展衰減關系不確定性校正時，這種方差上的較大差異將導致概率地震危險性計算結果出現較大的差別。

3 結果分析

利用上述衰減關系系數，可以計算出不同震級、距離條件下的地震動加速度反應譜曲線。圖3給出了震級M=5、6、7、8，震中距R=30km、100km下，對應不同指標的“基巖”場地地震動反應譜曲線。可以看出，對應不同場地劃分標準的基巖地震動衰減關系計算得到的反應譜曲線存在較大差別。比如在震中距R=30km處，在周期T大于1.0s的長周期范圍內：在中小震級條件下（M=5、6），“指標-4”計算的反應譜顯著低于其他指標的反應譜；在大震級條件下，“指標-4”（M=8）計算的反應譜又顯著高于其他指標的反應譜。為了說明這種差別，以Vs30＞500m/s的計算結果Sa，0（T，M，R）為基準，定義如下比值：

圖2 系數c1、c2、c4和方差與反應譜控制周期之間的關系Fig. 2 Relationships between coefficient c1，c2，c4，variance and the natural period of response spectrum

式中，Sa,i(T,M,R) 表示對應于指標?i在震級M、震中距R、控制周期T處的地震動加速度反應譜值；震級M=6、7，震中R=30km、100km下，由（2）式計算的對應于“指標-1”—“指標-4”的譜比曲線如圖4所示。

從中可以看出，在震級M=6條件下：①“指標-3”和“指標-4”計算結果在大部分頻帶范圍內均低于Vs30＞500m/s的計算結果；②“指標-1”計算結果在大部分頻帶范圍內均高于Vs30＞500m/s的計算結果；③在R=30km處，對于T＜0.2s，“指標-2”的計算結果高于Vs30＞500m/s的計算結果，其比值最高可達約1.2；④在R=100km處，對于T＜0.3s，“指標-2”的計算結果高于Vs30＞500m/s的計算結果，其比值可高達約1.5。在震級M=7條件下：①在近場（R=30km）不同指標對應的譜比值在0.75至1.1之間變化；②在中遠場（R=100km）不同指標對應的譜比值在0.78至1.32之間變化。

圖3 對應不同指標的“基巖”場地地震動反應譜曲線（R=30km、100km，M=5、6、7、8）Fig. 3 Ground-motion response spectral curves of the rock sites corresponding to different indices（R=30km, 100km; M=5, 6, 7, 8）

圖4 “指標-1”—“指標-4”與Vs30＞500m/s的譜比曲線Fig. 4 Spectral ratios between index-1 through index-4 in regarding to that of Vs30＞500m/s

在震級M=6、7條件下，地震動峰值加速度PGA、T=1.0s對應的反應譜值與震中距之間的關系曲線如圖5所示；不同指標計算的參數與Vs30＞500m/s的計算結果之間的比值與震中距之間的關系曲線如圖6所示。可以看出，在不同距離范圍內，不同指標計算的地震動參數存在較大差別，在原始觀測數據相對集中的距離范圍內（即10—200km），不同指標計算的PGA與Vs30＞500m/s的計算結果之間的比值在0.8—1.4之間變化，T=1.0s對應的反應譜譜值比在0.65—1.2之間變化。

圖5 地震動峰值加速度PGA、T=1.0s 對應的反應譜曲線Fig. 5 Attenuation curves for peak acceleration and spectral acceleration at T=0.1s of ground motion

從圖3—6所示結果可以看出，對應于NGA不同場地指標回歸出的基巖場地地震動衰減關系，在不同震級、距離下計算出的地震動參數存在較大差別，這種差別在地震危險性計算中將會導致最終所得基巖一致概率反應譜的較大差別。而且，如果考慮對衰減關系的不確定性進行校正，由于方差的較大差異（如圖2所示），將會導致計算結果的更大差別。在我國工程場地地震危險性分析工作中，應考慮這種由于場地類別劃分標準的不同，引起的基巖地震動參數衰減關系的不確定性對最終計算結果的影響。

圖6 不同指標計算的參數與Vs30＞500m/s的計算結果之間的比值隨距離的變化Fig. 6 Attenuation curves for the ratios between the parameters computed corresponding to different indices and these for Vs30＞500m/s

4 結論

我國重大工程的場地地震安全性評價工作中，需要首先確定適用于工程場址所處地震環境的基巖地震動參數衰減關系，通過開展地震危險性計算確定基巖地震動反應譜，之后進行場地地震反應計算，以確定擬建工程的場址相關設計地震動參數。因此，確定合理的基巖地震動參數衰減關系是我國工程場地地震安全性評價工作重要的環節。NGA數據庫是目前面向地震動衰減關系研究的最全面的強震觀測數據庫，國際上最前沿的地震動衰減關系均是在其基礎上回歸得到的。在利用該數據庫確定基巖地震動參數衰減關系時，基于數據庫提供的不同場地類型指標將會得到不同的“基巖”場地的定義，并得到不同的統計數據集，相應地，最終所得基巖地震動衰減關系也會存在差異。針對該問題，本文利用NGA世界范圍內的觀測數據，回歸得到了對應于五種場地指標的“基巖”地震動衰減關系，并比較了不同衰減關系計算結果的差異。結果表明，由于對“基巖”劃分的不同，基于不同場地指標得到的基巖地震動參數衰減關系，對地震動參數的預測結果存在較大差異，而且這種差異隨著震級、距離以及反應譜控制周期的變化表現出不同的規律。

在實際工程中，應考慮這種由于場地類型劃分標準的不同，造成的地震動衰減關系的差異，并研究其對重大工程抗震設防要求的影響。具體可選用如下兩種方法考慮這種影響：第一種方法可引入多個“基巖”地震動參數衰減關系的計算方案，采用基于邏輯樹的概率地震危險性分析方法，以此反映對“基巖”場地認識的不確定性對場地地震危險性的影響；第二種方法是通過開展相關的研究工作，對比我國場地分類標準與NGA數據庫中不同指標對應的場地分類標準之間的異同，以此確定適用于我國情況的“基巖”場地，并在此基礎上確定適用于我國的“基巖”場地地震動參數衰減關系。

參考文獻

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Influence of Site Classification Criteria on Ground-Motion Attenuation Relationships for Rock Site

Wang Shan1），Zhang Yushan1）and You He2）

1）China Earthquake Disaster Prevention Center，Beijing 100029，China
2）College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China

Based on the different indices that classify the site condition in the strong-motion observation database of USA NGA，five different rock-type sites are defined altogether，and the corresponding data set are obtained．Then the ground-motion attenuation relationships corresponding to different definitions of rock site are regressed by the least square method．The difference of the attenuation relationships of rock ground-motion parameters caused by the different site classification criteria is also studied．

Strong-motion observation database of NGA；Ground-motion attenuation relationship；Peak ground acceleration; Response spectrum

王珊，張郁山，尤賀，2014．場地劃分標準對基巖地震動參數衰減關系的影響．震災防御技術，9（4）：759—769．

10.11899/zzfy20140403

國家自然科學基金（批準號：51178436）和國家科技支撐計劃（2012BAK15B01）資助

2014-05-22

王珊，女，生于1988年。實習研究員。主要研究領域：地震工程。E-mail：huli_077@163.com