基于單臺強震數據軟厚場地地震反應不確定性分析

摘要：選取新西蘭Canterbury地區12個強震臺站及2010—2012年間的臺站584條記錄，以淺硬場地LPCC作為參考臺站，系統分析Christchurch市區軟厚場地地震效應（即場地放大函數）的不確定性及地震動強度、震級、震源距及震源方位角等因素對場地放大函數不確定性的影響規律。分析結果發現：1）地震動強度水平對場地放大函數均值影響較小，僅在長周期（如大于1.0 s）段趨于增大場地的放大效應；以不同地震動強度值進行分組，地震動強度大于0.6 m/s2的分組場地放大函數標準差顯著高于地震動強度小于0.6 m/s2分組，特別是地震動強度大于1.0 m/s2時場地放大函數標準差最大，反映了場地土層非線性提高場地地震效應的不確定性；2）地震震級對場地放大函數不確定性影響小，不同地震震級分組場地放大函數均值及標準差的表現基本相當；3）震源距是場地地震反應不確定性的一個重要因素，震源距小于5 km時場地放大函數的標準差明顯大于其它情況，即震源距越小地震反應不確定性越大；4）場地放大函數不確定性與震源方位角的選取基本無關，即選取不同的震源方位角場地放大函數標準差無明顯差別。

關鍵詞：不確定性；軟厚場地；新西蘭地震；場地放大函數

中圖分類號：TU435；P315.9文獻標志碼：A文章編號：16744764（2015）03003507

Abstract：

12 strongmotion stations are selected and based on 584 seismic records recorded during the 20102012 Canterbury earthquake sequences， New Zealand， a systematic variability analysis of the deepsoft site response （SAF， i.e.， site amplification function） in Christchurch city area is conducted with a reference outcropping station LPCC. Thereafter， influence factors including ground motion intensity roughly measured by PGA， magnitude Mw， hypocentral distance Rhypo and azimuths on the variability of SAF are analyzed. The results show that： 1） ground motion intensity PGA has weak effect on mean lg（SAF） values except that PGA tends to strengthen amplification effect for long period components； while under different PGA subdividing bins， the standard deviations of lg（SAF） for bins with PGA greater than 0.6m/s2 are considerably larger than those for PGA less than 0.6m/s2 bins， indicating possible subsoil nonlinearity tends to increase the site response variability； 2） seismic magnitude shows little influence on the variability of site response and the means and standard deviations of log10（SAF） for different Mw dividing bins demonstrate similar patterns； 3） hypocentral distance is an another important influence factor on site response variability， that is， the variability of SAF with Rhypo less than 5km is larger than that with Rhypo were larger than 5km； 4） the variability of SAF is basically independent of source azimuths to stations which means the uncertainty of SAF remains closely similar in different azimuth bins.

Key words：variability；deepsoft site；New Zealand earthquake sequences；site amplification function

場地地震反應分析是地震安全評價的關鍵環節，目前主要采用的等效線性化程序，如Shake2000及LSSRLI1程序，進行場地地震反應數值計算，計算結果的可靠性難以得到實際地震數據的檢驗，且存在很大的不確定性。實際上，同一場地在不同地震中的反應亦不同，體現在地震動幅值、頻率成分的差異，這種差異主要源于震源機制、地震波傳播路徑以及場地土層動力特性的差異。準確評價場地地震反應的不確定性，可用于驗證現有場地地震反應分析結果的合理性。通過單臺地震數據探討場地反應不確定性及其影響因素，可以彌補數值結果可靠性的不足。但是，以往相關研究受到了單臺強震記錄缺乏這一客觀條件的限制，進而采用數值實驗手段。隨著全球地震臺網建設的加強，在地震活動性較為頻繁的地區可以獲取較為豐富的單臺地震數據。通過單臺地震數據研究場地反應是目前研究的熱門課題[14]。

地震中軟厚場地響應不同于其它類別場地，體現在對地震動長周期成分的放大作用。中國的建筑物抗震設計規范中明確規定對于軟弱土、可液化場地抗震設計要進行專門研究，抗震設計時需采取相應措施[5]。軟厚場地地基設計的關鍵問題之一就是地震動強度估計，現有場地反應分析程序在計算軟厚場地地震反應時基本失效，或者計算結果差異性很大。原因主要包括：場地基巖深度空間分布不均勻，即場地土層厚度分布空間不均，目前，雖然有較成熟面波測試法以及先進的地震測試設備，但是軟厚場地基巖面的確定仍然存在很大誤差[6]，這種誤差可能導致地震動強度估計誤差及規范中抗震設計譜中地震影響系數估計誤差。第二，對于軟厚場地尚無恰當特征參數能夠描述其地震反應，已有研究結果顯示場地特征參數都不能作為一般參數，用于描述軟厚場地地震反應的不確定性[78]。第三，中、強地震中軟厚場地土層表現出明顯的非線性特征，對于飽和砂土場地甚至會液化，所以，在選取場地模型描述土的粘彈性及耗能特性進行非線性分析時會產生很大的誤差，勢必導致分析結果的不確定性[9]。對軟厚場地地震反應不確定性分析最有效的方法就是采用實際地震數據，隨著單個地震臺記錄的累積，采用單臺地震記錄研究場地反應的不確定性。

通過單臺地震記錄研究場地反應的不確定性，首先需要選擇恰當的場地參數。筆者采用場地放大函數（Site Amplification Function， SAF），場地放大函數綜合反應了地震場地效應，是衡量場地反應的綜合指標。克服以往研究缺少實測地震數據驗證的限制，特別是軟厚場地地震記錄，選取新西蘭Canterbury平原地區軟厚場地臺站記錄，以及作為參考臺站的B類場地LPCC和作為對比分析的C類場地HVSC。通過實測地震數據分析軟厚場地地震反應不確定性，同時剖析地震反應不確定性的影響因素（即地震動強度PGA、震級、震源距、震源方位角）及影響規律。

1地震數據及場地地震反應

1.1地震臺站及強震數據的選取

Christchurch市位于Canterbury平原地區，為多條源于南Alps山脈的河流沖積而成的沖積扇形平原。Christchurch市坐落在Waimakiriri古河道上，Avon和Heathcote兩條河流穿城而過。附近地區地質構造復雜，地層主要由中間夾雜淤泥、黏土、泥炭、貝殼砂等的一系列卵石層組成，勘察結果顯示Christchurch地區的卵石層厚度多超過500 m，甚至超過2 km[10]。Christchurch市地區多為可液化的軟弱土層，2011年Christchurch Mw6.3地震中市區發生嚴重砂土液化，是自有液化調查歷史以來以液化震害為主要震害的一次地震，直接導致部分城區的廢棄[11]。

新西蘭擁有世界上較為完備的地震臺網（GetNet），擁有100多地震儀和180多個強震臺站，在地震中可以獲得高質量的地震數字記錄。在2010—2012年Canterbury地區一系列地震及余震中，GetNet獲得了豐富的地震數據，為地震研究提供了必要的寶貴資源。

選取Christchurch地區12個強震臺站（圖1），臺站主要位于Christchurch市區軟弱場地（主要是D、E類場地），搜集臺站2010—2012年系列強震記錄584條，地震震級Mw4.0～7.1，震源距100 km以內。圖2顯示選取臺站記錄的Mw與震源距的分布圖。根據新西蘭抗震設計規范NZS1170.5（2004），Christchurch地區多為D類場地，然而Wood等人根據現場實測剪切波速數據及場地土層厚度對Christchurch市區臺站場地類別進行修正，修正結果多為E類場地[12]。表1列出選取臺站場地信息，圖3給出臺站場地的剪切波速剖面。剪切波速剖面顯示，Christchurch市區覆蓋厚度超過20 m的軟弱土層，即軟厚場地。

1.2不確定性分析

選取反映場地地震反應指標，即場地地震放大函數（SAF），定義為場地地表加速度反應譜值與基巖輸入地震動反應譜的比值。由于新西蘭強震臺網沒有安裝井下強震儀，不能直接確定基巖輸入。為克服這一難題，選取參考臺站LPCC為出露基巖輸入。臺站LPCC位于Christchurch市東南部Lyttleton港口，臺站位于B類場地，場地為覆蓋于火山基巖上的淺薄土層（小于5 m）。選取參考臺站計算傳遞函數時，場地與參臺站地之間的距離相對于其震源距應很小，可以忽略傳播路徑的影響，否則進行傳播路徑幾何擴散的修正，即反應譜比值乘以震源距的比值近似進行修正[13]，計算式如式（1），采用對數值以便于進行分析。

基于式（1），圖4給出選取臺站記錄計算得到的lg（SAF）曲線。由于選取的地震震級主要集中在40～4.8，且長周期信號噪音干擾影響較大，避免噪音影響，選取周期選取0～3.0 s，涵蓋了工程結構普遍的周期范圍。

由圖4可以得到：1）周期0～0.2 s，除CMHS、HVSC及PRPC臺站，其余臺站lg（SAF）均值小于0，即這些場地相對于參考LPCC對地震動具有減震效應；2）周期0.2～0.4 s，lg（SAF）均值隨著周期的增大而增大，且均大于0，即場地相對于參考LPCC對地震動具有放大效應；3）周期大于0.4 s，C類場地臺站HVSC，相對較硬，剪切波速vs30為422 m/s，lg（SAF）均值最小，且隨著周期的增大趨于減小，即硬土層對地震動中長周期的放大效應較弱；剪切波速最小的臺站REHS，vs30為141 m/s，lg（SAF）均值最大，說明軟弱土層對地震動長周期放大效應明顯，但隨著周期增大趨于降低；其余位于市區臺站的lg（SAF）均值基本相當，且隨著周期的增長保持穩定，這些臺站中，RHSC場地剪切波速vs30為293 m/s，場地相對較硬，lg（SAF）均值在長周期段相對小于其他臺站的lg（SAF）均值。

標準差隨著周期的增長趨于降低。而較硬場地HVSC的lg（SAF）標準差最小，而對于軟弱場地D和E類場地，lg（SAF）標準差基本相當。圖6分別給出C、D和E類場地lg（SAF）均值和標準差均值。軟厚D和E類場地的場地放大函數較為接近與C類場地，HVSC有明顯區別；而E類場地離散性比D類場地小，比C類場地大。原因可能是D類場地空間分布較為分散，而E類場地則集中在市區東部近海地區。需要說明的是C、D和E類場地是指沒有進行修正的場地類別，即表1中的第4列。

2不確定性影響因素分析

LPCC作為參照場地，那么僅剩HVSC為C類場地，記錄數量有限。由圖3的剪切波速剖面可見，位于Christchurch市區的D與E類場地均是厚度超過20 m軟厚場地，剪切波速140～300 m/s，多數200 m/s左右。通過上一節分析，D和E類場地對地震動響應較為接近（圖4和圖5），所以市區的D和E類場地記錄統一分析，即CBGS、CCCC、CHHC、CMHS、HPSC、NNBS、PRPC、REHS、RHSC和SHLC臺站記錄編為統一數據庫，計356條地震記錄，進行場地地震響應不確定性影響因素分析。

2.1地震動強度（PGA）

首先，考慮地震動強度與場地SAF不確定性的關聯性。根據地表加速度PGA值，將記錄分為5組，即PGA≤0.2 m/s2、0.2 m/s2

通過分析可知，場地地震動強度，雖僅選擇PGA作為地震動強度指標，對場地的放大函數lg（SAF）均值影響很小，僅在長周期階段有增大放大函數的趨勢；而地震動強度對場地放大函數不確定性影響明顯，當地震動強度大于一定數值時顯著增大放大函數的不確定性。原因可能與場地土層強震下非線性有關，即場地土非線性提高了場地對地震動放大效應的不確定性。

準差明顯大于其它2個分組，而且其它2個分組lg（SAF）標準差基本重合。所以，距離震源較近區域場地放大函數的不確定性明顯大于距離震源較遠的區域，而且震源距超過一定數值的場地，其放大函數的不確定性與距離基本無關。

2.4震源方位角

震源方位角是影響場地地震反應不確定性的另一因素，其體現了地震波傳播路徑以及不同震源區對場地放大函數不確定性的影響。采用的地震數據的震源與臺站的方位角主要分布在0～220°范圍內，所以按照20°、30°、40°、60°、90°和120°震源方位角進行分組。同一方位角分組中，場地lg（SAF）標準差取平均值。這樣得到的不同震源方位角分組下，場地lg（SAF）標準差（圖13）以及給定周期下lg（SAF）標準差隨著方位角的變化規律（圖14）。由圖13可以看出，不同震源方位角分組場地lg（SAF）標準差基本接近，即場地放大函數不確定性與震源方位角選取基本無關。另一方面，給定周期條件下，圖14直觀顯示場地lg（SAF）標準差存在隨著方位角的增長的趨勢，但其增長幅值甚微，基本保持穩定。

3結論

選取新西蘭Christchurch市區12個強震臺站2010—2012年間的臺站記錄584條，以淺硬場地LPCC作為參考輸入場地，對比分析選取場地的場地放大函數的不確定性。結果發現，較硬C類場地場地放大函數的不確定性最小。為探究場地放大函數不確定性源因，克服地震記錄數據量上的限制將Christchurch市區軟厚D類和E類場地臺站作統一分析，分析了地震動強度PGA、地震震級Mw及震源距Rhypo以及震源方位角等因素對場地不確定性的影響，分析結果發現：1）地震動強度水平對場地放大函數均值影響較小，僅在周期大于1.0 s段有差別，但場地放大函數標準差在PGA大于0.6 m/s2分組下顯著高于PGA小于0.6 m/s2分組；2）不同地震震級下，不同震級分組的場地放大函數標準差表現基本相當，即地震震級對場地放大函數不確定性影響小；3）地震震源距是影響場地放大函數不確定性的一個重要因素，距離震源越近的場地，其放大函數不確定性越高；4）不同震源方位角分組下場地lg（SAF）標準差差別很小，即場地放大函數不確定性與震源方位角的選取基本無關。

震源距（近場）、強地震動是場地放大函數不確定性的主要來源，而地震震級以及震源方位角的影響可忽略；另外，場地土層非線性趨于提高場地反應不確定性，其中機理有待深入探討。

軟厚土層場地反應分析的關鍵是場地放大函數模型的構建以及不確定性評估，采用合適的參數量化場地效應的不確定性是目前研究的重點，也是軟厚場地地震反應分析需要解決的問題。

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（編輯胡英奎）