四川雅安地區(qū)場(chǎng)地地震動(dòng)影響特征分析1

閆靜茹 張郁山 鄧 菲 李 偉

（中國(guó)地震災(zāi)害防御中心, 北京 100029）

引言

2022 年6 月1 日四川雅安地區(qū)發(fā)生6.1 級(jí)地震，現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)地震造成道路中斷，隧道及公路破壞嚴(yán)重。這種災(zāi)害情況一方面與地形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、山區(qū)落石較多有關(guān)，另一方面還應(yīng)關(guān)注場(chǎng)地條件導(dǎo)致的震害表現(xiàn)，尤其是峰值加速度、峰值速度、峰值位移等參數(shù)的放大效應(yīng)影響。大量研究表明，場(chǎng)地的地震效應(yīng)與場(chǎng)地結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，場(chǎng)地條件不同對(duì)基巖運(yùn)動(dòng)的放大縮小效應(yīng)不同，引起的地震災(zāi)害形式不同。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注近地表土壤條件對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的影響，馮希杰等（2001）通過(guò)實(shí)際土層地震反應(yīng)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析和強(qiáng)震加速度觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比，討論了不同場(chǎng)地條件對(duì)基巖峰值加速度的放大效應(yīng)及特點(diǎn)；薄景山等（2003a，2003b）通過(guò)構(gòu)造場(chǎng)地計(jì)算剖面，研究了不同土層結(jié)構(gòu)對(duì)地表加速度峰值及反應(yīng)譜平臺(tái)值的影響；陳黨民等（2013）基于西安地區(qū)大量鉆孔資料，進(jìn)行了典型場(chǎng)地剖面的地震反應(yīng)計(jì)算，得到場(chǎng)地峰值放大系數(shù)隨等效剪切波速、覆蓋層厚度及基巖輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的變化關(guān)系。綜上所述，學(xué)者們關(guān)于場(chǎng)地效應(yīng)的研究多集中于峰值加速度及加速度反應(yīng)譜，對(duì)峰值速度、峰值位移等其他地震動(dòng)參數(shù)的研究較少。

通過(guò)工程實(shí)踐及相關(guān)研究表明（O’Rourke 等，2001；陳波，2013），峰值速度、峰值位移可表征地震動(dòng)的中低頻信息，對(duì)中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)影響較大，尤其是峰值速度與地震震級(jí)有較好的相關(guān)性，可提供有關(guān)地震動(dòng)頻率含量和強(qiáng)震持時(shí)的有關(guān)信息，相較于其他強(qiáng)度指標(biāo)，峰值速度與變形需求的相關(guān)性更好（Akkar 等，2005），同時(shí)，O’Rourk 等（2001）在生命線工程巖土性能研究中發(fā)現(xiàn)峰值速度與埋深管道的地震破壞有密切關(guān)系，推測(cè)本次隧道與公路的嚴(yán)重破壞及峰值速度的變化關(guān)系有關(guān)。本文在全面分析雅安地區(qū)場(chǎng)地地震動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，以峰值速度作為地震動(dòng)參數(shù)指標(biāo)，研究四川雅安地區(qū)場(chǎng)地條件引起的峰值速度放大效應(yīng)，分析等效剪切波速與覆蓋土層厚度及峰值速度的變化關(guān)系，研究雅安地區(qū)峰值速度引發(fā)震動(dòng)反應(yīng)的一般特征。本文研究成果可用于雅安地區(qū)場(chǎng)地峰值速度放大倍數(shù)指標(biāo)的確定，為地震備災(zāi)工作提供技術(shù)支持。同時(shí)，本文明確指出本地區(qū)軟土場(chǎng)地更易引起場(chǎng)地峰值速度的放大，可為生命線工程的抗震選址等工作提供參考。

1 雅安地區(qū)鉆孔基礎(chǔ)資料

雅安地區(qū)鉆孔基礎(chǔ)資料的獲取來(lái)源于已通過(guò)評(píng)審的雅安地區(qū)重大工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目，通過(guò)收集整理，獲取雅安地區(qū)鉆孔有效數(shù)據(jù)27 個(gè)，基本可描述雅安地區(qū)的場(chǎng)地情況。根據(jù)對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的土層分布、剪切波速、覆蓋層厚度、成孔信息進(jìn)行梳理后，建立相應(yīng)鉆孔的土層反應(yīng)模型，同時(shí)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011?2010）（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）中場(chǎng)地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立的27 個(gè)模型均屬于Ⅱ類場(chǎng)地，鉆孔分布情況如表1 所示。

表1 場(chǎng)地鉆孔資料分布情況Table 1 Site borehole data distribution map

為更清楚地認(rèn)識(shí)雅安地區(qū)的地形條件及場(chǎng)地土層情況，圖1 給出了本次地震震中及蘆山縣地形地貌，圖2 給出了所選雅安地區(qū)場(chǎng)地鉆孔土層的剪切波速隨埋深的變化曲線。由圖1 和圖2 可知，該地區(qū)地形有一定起伏變化，周邊山區(qū)較多，選取的場(chǎng)地土層較堅(jiān)硬，大部分土層等效結(jié)構(gòu)剪切波速大于350 m/s，且場(chǎng)地上覆蓋土層較淺。

圖1 雅安及周邊蘆山縣地形地貌Fig. 1 Topographic and geomorphological map of Ya'an and surrounding Lushan

圖2 場(chǎng)地剪切波速隨埋深變化Fig. 2 Site shear wave velocity varies with burial depth

2 時(shí)程輸入信息

由于發(fā)震時(shí)間距今較短，未搜集到本次地震較有效的強(qiáng)震觀測(cè)記錄信息，但地震備災(zāi)及災(zāi)后重建需建立在基于場(chǎng)地條件的地震災(zāi)害影響分析基礎(chǔ)上。本文為全面分析雅安地區(qū)場(chǎng)地條件對(duì)強(qiáng)震輸入峰值速度的影響效應(yīng)，為本地區(qū)今后的地震災(zāi)害防御工作提供技術(shù)支撐，本文采用可搜集到的雅安蘆山縣7.0 級(jí)地震的強(qiáng)震記錄作為基巖輸入時(shí)程（表2、圖3）。同時(shí)，為全面考慮當(dāng)?shù)卣疠斎敕逯导铀俣纫恢聲r(shí)，峰值速度及頻譜分布特征不同造成的結(jié)果變化，從NGA 數(shù)據(jù)庫(kù)中選取震級(jí)和震源深度較相近的地震事件作為補(bǔ)充，NGA 強(qiáng)震數(shù)據(jù)如表3、圖3 所示。

圖3 基巖反應(yīng)譜Fig. 3 Bedrock response spectrum

表2 輸入基巖時(shí)程信息（蘆山地震強(qiáng)震數(shù)據(jù)）Table 2 Input bedrock time-histories information（Data from Lushan earthquake）

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為分析雅安地區(qū)場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)特征，本文設(shè)計(jì)如下計(jì)算分析方案：

（1）分別建立場(chǎng)地計(jì)算模型；

（2）利用表2、表3 中的時(shí)程記錄信息作為輸入進(jìn)行土層反應(yīng)分析；

表3 輸入基巖時(shí)程信息（NGA 強(qiáng)震數(shù)據(jù)）Table 3 Input bedrock time-histories information（Data from NGA）

（3）利用等效線性化方法進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算。

3.1 計(jì)算結(jié)果

3.1.1 場(chǎng)地地表加速度反應(yīng)譜

圖4 為不同基巖輸入下場(chǎng)地地表地震反應(yīng)譜。由圖4 可知，地表反應(yīng)譜譜形受基巖輸入譜譜形影響，不同鉆孔反應(yīng)譜譜形較一致，說(shuō)明選取的雅安地區(qū)鉆孔場(chǎng)地基巖上覆土層結(jié)構(gòu)變化較小，土類較一致。對(duì)比蘆山地震及NGA 強(qiáng)震記錄輸入下的場(chǎng)地反應(yīng)計(jì)算結(jié)果，在相同PGA 基巖輸入的基礎(chǔ)上，由于輸入譜譜形的不一致，導(dǎo)致場(chǎng)地加速度峰值及反應(yīng)譜變化不同，尤其是在記錄0789 與HYT-0201 基巖輸入下，計(jì)算反應(yīng)譜和峰值加速度均出現(xiàn)明顯差異，這說(shuō)明場(chǎng)地的震動(dòng)破壞不僅與震級(jí)和震源深度有關(guān)，而且與地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的基巖地震動(dòng)頻譜分布特征密切相關(guān)。此外，除記錄0789 基巖輸入外，隨著震動(dòng)強(qiáng)度的增加，譜加速度在短周期范圍內(nèi)出現(xiàn)顯著的發(fā)散，這是由于記錄0789 基巖輸入長(zhǎng)周期成分較豐富，能量較強(qiáng)，對(duì)地震峰值反應(yīng)起主導(dǎo)作用，而大量的長(zhǎng)周期成分不易被土層過(guò)濾，受土層放大效應(yīng)的影響較小，短周期反應(yīng)譜譜值發(fā)散不明顯。同時(shí)，不同地震作用下的場(chǎng)地反應(yīng)譜峰值多處于0.2 s 周期范圍，說(shuō)明雅安地區(qū)場(chǎng)地卓越周期處于此區(qū)間，可導(dǎo)致自振周期為0.2 s 的建筑物發(fā)生較嚴(yán)重的破壞。

圖4 場(chǎng)地地表加速度反應(yīng)譜Fig. 4 Site ground acceleration response spectrum

3.1.2 場(chǎng)地地表峰值加速度分布情況

圖5 和圖6 分別給出了蘆山地震及NGA 強(qiáng)震輸入下的場(chǎng)地地表峰值加速度分布情況。由圖5 和圖6 可知，隨著基巖峰值加速度的增大，地表峰值加速度呈增大趨勢(shì)，但這種增大趨勢(shì)在高震級(jí)地震動(dòng)輸入時(shí)趨于放緩。蘆山地震與NGA 強(qiáng)震輸入下，除記錄 HYT-0201 和0789 外，場(chǎng)地地表峰值加速度變化區(qū)間較一致。同時(shí)，弱地震記錄PXZ-0202 和3390 輸入下得到的場(chǎng)地地表峰值加速度為12.7～25.5 Gal，強(qiáng)地震記錄TQL-0202 和0994 輸入下得到的場(chǎng)地地表峰值加速度為291.7～591.2 Gal。

圖5 場(chǎng)地地表峰值加速度分布（蘆山地震輸入）Fig. 5 Site ground peak acceleration distribution（Lushan earthquake）

圖6 場(chǎng)地地表峰值加速度分布（NGA 地震輸入）Fig. 6 Site ground peak acceleration distribution（NGA）

3.1.3 場(chǎng)地地表峰值速度分布情況

圖7 和圖8 分別給出了蘆山地震及NGA 強(qiáng)震輸入下場(chǎng)地地表峰值速度分布情況。由圖7 和圖8 可知，隨著基巖峰值速度的增大，地表峰值速度呈顯著增大趨勢(shì)，且隨著地震強(qiáng)度的提高，地表峰值速度呈更大的增長(zhǎng)趨勢(shì)。與峰值加速度不同的是，場(chǎng)地峰值速度在蘆山地震及NGA 強(qiáng)震輸入下呈不同的變化情況，普遍來(lái)說(shuō)，NGA 強(qiáng)震會(huì)引起較大的地表峰值速度，地震強(qiáng)度越大，這種影響越明顯。同時(shí)，相比峰值加速度，峰值速度未呈現(xiàn)同樣的增大趨勢(shì)，如記錄PXZ-0202 及0789 的峰值速度大于記錄MNC-0202 及1021，這與峰值加速度的變化不同。峰值速度反映了場(chǎng)地的變形指標(biāo)，與地下管道和隧道公路的破壞關(guān)系較大，因此在以往研究中單一進(jìn)行場(chǎng)地峰值加速度分析易忽略峰值速度對(duì)場(chǎng)地變形的影響，從而影響分析結(jié)果的全面性。

圖7 場(chǎng)地地表峰值速度分布（蘆山地震輸入）Fig. 7 Site ground peak velocity distribution（Lushan earthquake）

圖8 場(chǎng)地地表峰值速度分布（NGA 地震輸入）Fig. 8 Site ground peak velocity distribution（NGA）

3.2 峰值速度放大效應(yīng)分析

為進(jìn)一步分析峰值速度變化特征，引入場(chǎng)地速度放大系數(shù)kvi：

式中，kvi為編號(hào)為i的基巖地震輸入速度放大系數(shù)；vsi為編號(hào)為i的地震輸入地表峰值速度；vpi為編號(hào)為i的基巖地震輸入峰值速度。

3.2.1 峰值速度放大系數(shù)隨基巖輸入的變化

圖9 和圖10 分別給出了蘆山地震及NGA 強(qiáng)震輸入下峰值速度放大系數(shù)隨基巖輸入的變化曲線。由圖9和圖10 可知，不同地震輸入下峰值速度放大系數(shù)為1～1.8，除記錄PXZ-0202、0789 和1091 外，其他地震輸入下的地表峰值速度放大系數(shù)均較分散。觀察基巖反應(yīng)譜，發(fā)現(xiàn)記錄PXZ-0202 及0789 均存在中低頻成分豐富，而高頻成分較少的現(xiàn)象，說(shuō)明場(chǎng)地峰值速度放大效應(yīng)變化與加速度反應(yīng)譜頻譜特性分布有一定的相關(guān)性。蘆山地震下，高強(qiáng)度地震輸入（如記錄TQL13-0202）引起的場(chǎng)地放大效應(yīng)程度更大，但此規(guī)律在NGA輸入時(shí)并不明顯。

圖9 場(chǎng)地地表峰值速度放大系數(shù)分布（蘆山地震輸入）Fig. 9 Site ground peak velocity magnification factor distribution

圖10 場(chǎng)地地表峰值速度放大系數(shù)分布（NGA 地震輸入）Fig. 10 Site ground peak velocity magnification factor distribution

3.2.2 峰值速度放大系數(shù)隨場(chǎng)地特征的變化

為比較蘆山地震和NGA 強(qiáng)震輸入下，雅安地區(qū)場(chǎng)地結(jié)構(gòu)對(duì)峰值速度的影響效應(yīng)，給出地表峰值速度放大系數(shù)隨場(chǎng)地等效剪切波速和覆蓋層厚度的變化曲線，如圖11 所示，其中散點(diǎn)為各場(chǎng)地鉆孔的峰值速度放大系數(shù)，直線為根據(jù)散點(diǎn)圖繪制的擬合曲線。由圖11 可知，除極個(gè)別情況外，峰值速度放大系數(shù)kv在不同強(qiáng)度基巖輸入下，大致呈隨等效剪切波速的增大而減小的趨勢(shì)，而kv隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律不明顯，說(shuō)明場(chǎng)地剪切波速對(duì)峰值速度的影響較大，軟土場(chǎng)地更易引起場(chǎng)地效應(yīng)的放大。由峰值速度放大系數(shù)kv隨等效剪切波速的變化特征可知，蘆山地震與NGA 強(qiáng)震引起的場(chǎng)地峰值速度隨等效剪切波速的放大趨勢(shì)不同，以記錄PJD-0201 和1091 為例，可看出場(chǎng)地剪切波速對(duì)記錄1091 的放大效應(yīng)影響不明顯。總體來(lái)說(shuō)，雅安地區(qū)軟土場(chǎng)地（等效剪切波速較小）在蘆山地震作用下呈現(xiàn)出更大的放大效應(yīng)，這種情況尤其在強(qiáng)震輸入時(shí)更顯著。

圖11 場(chǎng)地峰值速度放大系數(shù)隨場(chǎng)地特征變化情況Fig. 11 Site ground peak velocity magnification factor varies with site characteristics

4 結(jié)論

本文采用等效線性化方法進(jìn)行雅安地區(qū)場(chǎng)地反應(yīng)計(jì)算，得到該地區(qū)各類參數(shù)的場(chǎng)地反應(yīng)特征，重點(diǎn)開(kāi)展峰值速度對(duì)場(chǎng)地的放大效應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

（1）雅安地區(qū)鉆孔反應(yīng)譜譜形較一致，土層結(jié)構(gòu)變化較小、土類分布均勻。該地區(qū)場(chǎng)地卓越周期約為0.2 s，本次地震引起的自振周期為0.2 s 的建筑物破壞相對(duì)嚴(yán)重。

（2）對(duì)比蘆山地震及NGA 強(qiáng)震記錄輸入下的場(chǎng)地反應(yīng)計(jì)算結(jié)果，在相同PGA 基巖輸入的基礎(chǔ)上，由于輸入譜譜形的不同，導(dǎo)致場(chǎng)地加速度峰值及反應(yīng)譜變化不同。

（3）不同地震動(dòng)輸入下峰值速度放大系數(shù)為1～1.8。隨著基巖峰值加速度的增大，地表峰值加速度和峰值速度均呈增大趨勢(shì)，同時(shí)峰值加速度在高震級(jí)地震動(dòng)輸入時(shí)增大趨勢(shì)減緩。普遍來(lái)說(shuō)，NGA 強(qiáng)震會(huì)引起較大的地表峰值速度，地震強(qiáng)度越大，影響越明顯。

（4）峰值速度放大系數(shù)kv在 不同強(qiáng)度基巖輸入下，大致隨等效剪切波速的增大而減小，而kv隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律不明顯，說(shuō)明場(chǎng)地剪切波速對(duì)峰值速度的影響較大，軟土場(chǎng)地更易引起場(chǎng)地峰值速度的放大。同時(shí)，這種放大效應(yīng)在蘆山地震強(qiáng)震動(dòng)作用下更為顯著。

致謝 感謝四川省地震局提供的大量場(chǎng)地鉆孔資料，感謝中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所工程技術(shù)研究中心提供的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，感謝中國(guó)地震災(zāi)害防御中心張郁山研究員提供的建議和幫助。