四川、甘肅地區VS30經驗估計研究①

喻 畑， 李小軍

(1.中國地震局地殼應力研究所，北京 100085； 2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

四川、甘肅地區VS30經驗估計研究①

喻 畑1， 李小軍2

(1.中國地震局地殼應力研究所，北京 100085； 2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

目前我國建筑工程抗震設計規范中對于工程場地條件的判斷依據主要是地表以下20 m深度范圍內土層的等效剪切波速，簡稱VS20。相比之下，國外應用較廣的是地表以下30 m深度范圍內的等效剪切波速，簡稱VS30。這種差別導致國內科研工作者在應用國外的地震工程、工程抗震模型時經常遇到對場地條件描述不準確的困難。為了解決這個問題，本文根據147個四川、甘肅地區國家強震動臺站20 m左右深度的鉆孔剪切波速數據，利用延拓方法、場地分類統計方法以及基于地形特征的VS30估計方法研究各臺站VS30與VS20的經驗關系，對比發現基于速度梯度延拓的結果最為可取。參考國際上通用的Geomatrix Classification場地分類標準，最終得到四川、甘肅地區各類場地的平均VS30，此結果可以為缺乏鉆孔數據的工程場地的VS30估計提供參考。

場地反應； 場地分類；VS30估計

0 引言

我國建筑抗震設計規范[1]中場地分類判別標準主要依靠兩個參數：一是覆蓋層厚度，普遍取地面至剪切波速大于500 m/s且其下臥土層剪切波速均不小于500 m/s的土層頂面的距離；二是覆蓋層厚度和20 m兩者較小值深度范圍內的等效剪切波速。因此，我國許多工程場址工程勘察鉆孔深度均在20 m以下，等效剪切波速一般取VS20。相比之下，美國、歐洲、新西蘭等國家和地區[2-3]的抗震設計規范以及地震工程專業普遍用30 m深度的等效剪切波速(VS30)判斷工程場地的類別。這種差別導致我國地震工程以及工程抗震等專業的科研人員在應用國外抗震設計規范和地震動估計模型時極不方便。例如：我國建筑抗震設計規范依據VS20分為四類，而美國建筑抗震設計規范依據VS30分為五類；我國地震動估計一般只分基巖和土層兩種場地類型[4-5]，而美國地震動估計的模型全部采用VS30。因此，如何將VS20轉換成VS30是一個亟待解決的問題。

目前，國內主要是基于大量剪切波速與深度的數據，建立數學模型以統計的手段獲取剪切波速與鉆孔深度的經驗關系[6-7]。基于淺鉆孔數據估計大于鉆孔深度的等效剪切波速成果較少。本文為研究VS20與VS30的經驗關系，收集四川和甘肅地區土層場地強震動臺站的鉆孔數據。2008年我國強震動臺網正式運行以來，四川和甘肅地區建設了數百個強震動觀測臺站獲取數字強震動記錄[8-9]，其中有147個為土層場地強震動臺站，圖1展示了這147個臺站的位置。參考我國建筑抗震設計規范要求，大部分土層場地強震動臺站的鉆孔深度均小于20 m，小部分臺站由于覆蓋土層很薄，鉆孔深度甚至小于10 m。本文擬基于這些強震動臺站的鉆孔數據，利用延拓方法、場地分類統計方法以及基于地形特征VS30估計方法研究VS20與VS30的經驗關系。通過各種方法的結果對比分析發現速度梯度延拓方法的結果最為可取，依據該方法的結果統計得到了四川、甘肅地區基于Geomatrix Classification場地分類標準的各類場地的平均VS30。對于沒有鉆孔數據的場地，可以依據場地的地形地貌條件判斷其Geomatrix Classification類別，進而估計其VS30。

圖1 本文所用強震臺站分布圖Fig.1 Distribution of strong-motion stations used in the study

1 延拓方法

延拓方法是根據鉆孔剪切波速數據，基于一些經驗的假定或模型，得到經驗的剪切波速剖面以計算等效剪切波速值的方法。主要有兩種：一是簡單延拓，另一種是速度梯度延拓。

1.1 簡單延拓

簡單延拓假定：從鉆孔的底部至30 m深度的介質與孔底一致，即從底部至30 m的剪切波速等于孔底層的剪切波速，從而構造經驗的剪切波速剖面，計算VS30。這里定義基于簡單延拓方法得到的VS30為VS30Profile。

(1)

(2)

其中，VS(Z)為Zm深處的土層剪切波速。

一般情況下，深度越大的土層剪切波速應該呈遞增的趨勢。而簡單延拓的假定較小地估計了孔底至30 m深度范圍土層的剪切波速，因此簡單延拓是一種保守的估計，VS30Profile會小于真實的VS30。但當鉆孔深度大于或接近20 m時，這種估計的誤差很小；而當鉆孔深度小于20 m時，誤差會很大。

由于簡單延拓是基于真實鉆孔數據獲取等效剪切波速，以VS30Profile為估計的參考值，而將其他方法得到的結果與之對比來粗略估計方法的精度。

1.2 速度梯度延拓

速度梯度延拓假定：在某地區或地質構造相似的國家和地區，VS30與某一深度的等效剪切波速存在經驗關系，這種經驗關系可以是線性的或者高次的。它首先由Boore提出[10]。為了估計美國加州142個鉆孔深度小于30 m的臺站的VS30，基于135個鉆孔深度大于或等于30 m的臺站的鉆孔數據，Boore得到了加州地區VS30基于速度梯度延拓的線性模型。

(3)

其中VS(d)為地表至深度為d的土層等效剪切波速。

Boore的模型[10]很好地擬合了135個臺站真實的VS30，因此認為其模型可以可靠地估計其他142個鉆孔深不到30m臺站的VS30。表1給出了Boore的線性模型系數及統計參數。

表1 Boore的線性模型系數及統計參數[10]

為了獲取更好的估計結果，本文嘗試性地選擇了74個鉆孔深度均超過30 m的日本Kik-net臺站鉆孔數據。這些臺站按照Geomatrix Classification分類標準(見表2)被分為60個基巖臺站(Geomatrix Classification A和B)以及13個土層臺站(Geomatrix Classification C和D)。

表2 NGA 臺站場地分類標準

為了能夠更好地擬合數據，本文做了2個改進：一是將線性模型改進為三次模型；二是對基巖臺站和土層臺站分別擬合，得到不同場地類型的模型。 三次模型如下：

(4)

表3給出了73個Kik-net臺站鉆孔數據基于線性模型以及三次模型擬合的系數以及統計參數。圖2展示了73個Kik-net臺站鉆孔數據5、10、20、28 m深度的線性擬合和三次擬合的對比。由圖2可以看出，除了5 m深度外，其他深度線性擬合和三次擬合基本一致。而且5 m深度也只有在VS(d)小于150 m/s或者大于1 000 m/s時擬合結果略好。因此三次擬合相對于線性擬合并不能顯著地提高精度。相比于更麻煩的三次模型，本文認為線性模型更好。

表3 73個Kik-net臺站的線性擬合和三次擬合的系數

圖2 深度和速度梯度延拓模型的線性擬合和三次擬合對比Fig.2 Comparison of linear fitting and cubic fitting of contiuation model at different depths and velocity gradients

表4給出了對73個臺站進行場地分類后，分別基于一次模型和三次模型延拓結果的對比。可以看出，誤差隨著深度減小；三次模型相對于一次模型改善有限，并且基于場地分類的擬合方法要比無場地分類的擬合方法結果好，但改善的程度很小。本文認為不需要進行臺站場地分類的線性擬合結果可行，原因有二：一是簡單、可行；二是線性擬合的結果即使是基于10 m深度的鉆孔估計VS30，整體誤差為0.51%,方差為20%左右。這種估計可以滿足工程應用的精度要求。

表4 73個Kik-net臺站鉆孔數據的基于各類場地的線性擬合以及三次擬合結果相對于真實VS30的對比

注： +表示低估，-表示高估。

2 基于Geomatrix Classification場地分類的場地平均VS30估計

PEER的NGA數據庫[11]有全球范圍內561個強震動臺站的鉆孔數據。根據鉆孔數據以及地形信息，按照Geomatrix Classification分類標準(見表2)[11]，561個強震動臺站被分為74個A類、97個B類、44個C類，306個D類以及40個E類臺站。對每類場地的所有臺站取對數平均，統計各類場地的平均VS30。表5給出了5類場地的平均VS30以及統計參數。

表5 NGA數據庫強震臺站基于Geomatrix Classification場地分類標準的各類場地的平均VS30以及統計參數

我國147個臺站按照Geomatrix Classification標準被分為9個A 類、52 個B類、83 個C類以及3個D類場地。圖3顯示了147個臺站的各類場地平均剪切波速剖面與NGA數據庫同類場地平均剪切波速剖面的對比。從圖中可以看出，四川、甘肅地區地表土層非常軟，平均剪切波速為150 m/s左右。當深度大于5 m時，除了B類場地稍大外，四川、甘肅地區的其他類型場地的平均剪切波速與NGA數據庫的同類型場地的平均剪切波速非常接近。

因此，根據臺站的Geomatrix Classification，判定NGA數據庫同類場地的平均VS30即為四川、甘肅臺站的VS30是可取的，定義為VS30Geo。這種方法的好處是即使臺站沒有鉆孔數據，也可以根據臺站的局部地形以及地質條件估計該場地的VS30。

圖3 我國四川、甘肅地區與NGA數據庫的各類場地平均剪切波速剖面對比Fig.3 Comparison of average shear-wave velocities undervarious site conditions between Sichuan，Gansu provinces and NGA database

3 基于地形特征的場地分類方法

基于地形特征的場地分類方法主要是基于地形的衛星數據或實測數據進行分析。主要有兩種，一種是根據地區的地形和地質相似性，對地區的VS30做一階近似[12]。這種方法認為地區的地形梯度與地區的VS30有相關性。因為巖石層厚的地區的地形梯度要大而陡，而盆地或者沉積區相對來說地形梯度要小而平。美國的USGS根據加州的地形模型構造了全球的VS30與地形的經驗模型，簡單實用并且可以網絡操作。進入網址http://earthquake.usgs.gov/hazard/app s/vs30/custom.php，選取目標區域劃分網格，即可得到網格點的VS30。選取網格點離147個臺站的距離小于0.6 km，該網格點的VS30近似為該臺站VS30，定義為VS30W。另一種為Young[13]提出的基于1 km分辨率的加州地形弧度模型，構造了VS30與地形的經驗關系。根據Young的模型給出147個臺站的VS30，定義為VS30arc。同時Young考慮加州地區與我國四川、甘肅地區地形的差異，進行了調整，得到了新的VS30的估計，定義為VS30R。

4 對比與討論

表6 相對于VS30profile，五種其他方法VS30估計值的平均誤差以及均方差

表7 相對于VSe，3種VS30估計值的平均誤差及均方差

表8 我國四川、甘肅地區基于Geomatrix Classification各類場地的平均VS30

5 總結

本文采用多種方法經驗地估計了四川、甘肅地區147個鉆孔深度小于20 m的強震動臺站的VS30。通過對各種方法的結果對比分析認為：對于鉆孔深度小于20 m的臺站，應用本文基于73個Kik-net強震動臺站數據得到的速度梯度線性模型延拓估計四川、甘肅地區強震動臺站的VS30是比較可靠的，該方法可以應用到四川、甘肅地區其他工程場地。而且，對于沒有鉆孔數據的工程場地，可以根據局部場地地形地貌條件或者利用Google Earth得出該場地的Geomatrix Classification場地類別，進而用各類場地的平均VS30值估計。本文模型如需拓展到我國其他地區的VS30估計，需要用目標地區的鉆孔數據進行試驗，以判別目標地區與四川、甘肅地區土層結構的差異性對模型的影響。

References)

[1] 中華人民共和國建設部.(GB50011-2010)建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.Ministry of Construction of People's Republic of China.(GB50011-2010)，Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2010.(in Chines)

[2] European Committee of Standardization.EN 1998 Euro code 8：Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 1：General Rules，Seismic actions and Rules for Buildings[S].Landon：Taylor and Francis，1998.

[3] Building Seismic Safety Council (BSSC).Edition NEHRP Recommended Provision for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, FEMA368/369[R].Washington D C，2001

[4] 唐麗華，李錳，王海濤.伽師—巴楚地區中強地震加速度衰減關系[J].西北地震學報，2007，29(4)：377-379.TANG Li-hua，LI Meng，WANG Hai-tao.Research on the Acceleration Attenuation Relationship of Moderate Strong Earthquake in Jiashi—Bachu Region[J].Northwestern Seismological Journal，2007，29(4)：377-379.(in Chines)

[5] 姚凱，孫崇紹，朱珊珊，等.2008年汶川地震后的三次強余震地表峰值加速度衰減場研究[J].西北地震學報，2012，34(1)：99-104.YAO Kai，SUN Chong-shao，ZHU Shan-shan，et al.Study on PGA Attenuation of Three Strong Aftershocks of 2008 Wenchuan Earthquake[J].Northwestern Seismological Journal，2012，34(1)：99-104.(in Chines)

[6] 李帥，趙純青，葛鳴.喀什場地土剪切波速與土層深度經驗關系[J].地震工程學報，2013，35(3)：702-707.LI Shuai，ZHAO Chun-qin，GE Ming.Empirical Relationship Between Shear-wave Velocities and Soil Depths in Kashi City[J].China Earthquake Engineering Journal，2013，35(3)：702-707.(in Chines)

[7] 薛鋒，王慶良，胡亞軒，等.西安市巖土體剪切波速與土層深度關系的研究[J].地震工程學報，2014，36(2)：249-255.XUE Feng，WANG Qin-liang，HU Ya-xuan，et al.Study on the Relationship Between Soil Depth and Shear Wave Velocity of Rock and Soil Mass in Xian City[J].China Earthquake Engineering Journal，2014，36(2)：249-255.(in Chines)

[8] 盧壽德，李小軍.汶川8.0級地震未校正加速度記錄[M].地震出版社，北京，2008.LU Shou-de，LI Xiao-jun.Uncorrected Acceleration Records of Wenchuan 8.0 Earthquake[M].Beijing：Seismological Press，2008.(in Chines)

[9] 李小軍.汶川8.0級地震余震流動臺站觀測未校正加速度記錄[M].北京：地震出版社，2009.LI Xiao-jun.Uncorrected Acceleration Records of Wenchuan Aftershocks from Mobile Observation Stations[M].Beijing：Seismological Press，2009.(in Chines)

[10] Boore D M.EstimatingVS30(or NEHRP Site Classes) from Shallow Velocity Models (Depth<30 m) [J].Bull Seism Soc Am，2004，94：591-597.

[11] Chiou B，R Darragh，N Gregor，et al.NGA Project Strong-Motion Database[J].Earthquake Spectra，2008，24：23-44.

[12] Wald D J，Trevor I，Allen.Review Article：Topographic Slope as a Proxy for Seismic Site Conditions and Amplification[J].Bull Seism Soc Am，2007，97：1379-1395.

[13] Yong A，Hough S E，Braverman A，et al.A Terrain-basedVS30Estimation Map of the Contiguous United States[J].Seismological Research Letters，2010，81(2)：294.

Empirical Estimation ofVS30in the Sichuan and Gansu Provinces

YU Tian1， LI Xiao-jun2

(1.InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China；2.InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China)

At present， Chinese seismic design codes for engineering projects classify site conditions primarily by their equivalent shear wave velocity at a depth of 20 m below the surface, which is referred to asVS20.However, the parameter widely used abroad in seismic design codes is the equivalent shear wave velocity at a depth of 30 m below the surface，VS30.This non-standardized parameter has led to inaccurate site condition descriptions when foreign models for earthquake engineering or seismic resistance are applied to Chinese engineering projects.Several methods have been used in an attempt to estimateVS30from site profiles with 20 m-deep boreholes for strong motion stations located in the Sichuan and Gansu Provinces.These estimation methods include: extrapolation (constant and gradient), Geomatrix site classification correlation via shear-wave velocity, and remote sensing (terrain and topography).In this study, gradient extrapolation was the preferred estimation method for sites with shear-wave velocity profile data.When combined with Geomatrix site classification, the averageVS30for each site was derived from 147 estimatedVS30.Thus, gradient extrapolation followed by Geomatrix site classification can be used to assign aVS30to a site without 30 m-deep borehole data, unifying global engineering design codes.

site response； site classification； estimation ofVS30

附錄(Appendix)

續

51NNS22．00280NoC26126733828731651951976051PGD22．00380NoC230265338260287??68851PGL22．00413NoC30133133833736851951976051PGQ22．00557NoC22828433826329051951976051PJD22．00433NoC31935033835738940249726751PJW22．00440NoC27231233830833836337421651PWM25．00753YesB32337342435737651951958951PZF22．00700YesA525573660588628??76051PZT22．00750YesA373448660427463??76051PZW22．00800YesB331411424381415??45351QCD20．00893YesB308394424345386??61151QLY22．00747YesB41448642447250854751952751SFB20．00548YesB30235542433837951951947651SMC22．00340NoC29530933832635751951976051SMK22．00405NoC34636333838241651951976051SML22．00395YesC31333633834838051951976051SMM22．00320NoC26327933829132051951976051SMW22．00405NoC24428133827630551951976051SMX22．00400NoC27831033831234351951976051SPA21．00473YesC30134233833837451951952751TQL22．001066YesB42752942448952651951976051WCW20．10485YesC315357338353395??76051XCC22．00351NoD25127727428030936338822451XCH22．00522NoC34138633838541854754751851XCL22．00504NoC27532433831334354754734851XCT22．00510YesB347389424390424??44951XCY21．00358YesC21724933824327454754760651XDG22．00507NoC30735333834737951951957351XDM22．00700NoC33540533838441751954776051XJB21．00430NoC293327338328364??76051XJD21．00498NoC29734333833437051951976051XXC22．00431NoD30433627434037245945972651YAD22．00721YesB185245424216240??25351YAL22．001168YesB42954442449753551951937251YAM22．00877YesA49357766056160054738876051YAS22．00694YesB35242242440343751954776051YBA22．00760YesB400475424456493??58951YBG15．101302YesA518739660631693??51651YBH22．00566YesB303358424345377??37651YXX22．00364NoC28230433831334354754763051YXZ22．00444NoC31434833835238554754775751YYJ22．00555YesB332384424376410??76051YYM22．00550NoC29334733833436538854728251YYW22．50420NoC20624833823826438845943051ZJJ22．30523YesB30535442434838051951976051ZJQ20．80520YesB29734642433837951954752462ANY30．00562NoC384425338425425??51962BAS23．00530YesC25430733829331851951968762DAT13．50532YesB35243242443852238838834862ERT13．00528YesB26737142433041724651933362GLA30．00523YesC19022933822922940240236862GXT24．00510YesC20625633824326240251940362HEP30．00290NoC22223833823823854751960562HEZ20．00540YesB284338424318358??58962HJI28．00506YesC329372338373381??56362JAI30．00540NoC23428233828228238851926962JCH22．00550NoC448477338498535??30662KLE16．00562YesB26435142431137651951933962LJB25．00540NoC30735833835437332854730462MXT22．00638YesC23830133827530340254737862PAN30．00530YesC29334333834334351938854862PJY30．00284NoC237249338249249??32062QCH28．00510NoC32136233836237037434532262SHW22．00510NoC34238433838541951951976062TCH16．00790YesB28140242433239751951969862TSH22．00540YesC36340833840944354754757462WUD28．00262NoD20522127422322851951952262XGU24．00548YesC24329833828530651954732562XHS26．00530YesB289341424337351??64262XIC30．00506NoC24628433828428438837435662YGX20．00525YesB258311424288327??54462YLG12．00810YesB335517424423513??66662ZNI9．00730YesB185387424?36351940276062ZPU20．00516YesB367406424411456547519475

2015-05-09

金基項目：國家自然科學基金項目(51308509，51278469)；中國地震局地殼應力研究所基本科研業務費專項資金項目(ZDJ2013- 04)

喻 畑(1983-)，男，助理研究員，主要從事巖土工程及地震工程等方面的科研.E-mail：yutian0721@yeah.net

P315.9

A

1000-0844(2015)02-0525-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0525