區(qū)域場(chǎng)地分類方法研究綜述

張雨婷,任葉飛,米欣雪,溫瑞智,王宏偉

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080;2.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

大量的理論研究及實(shí)際震害情況表明：局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)特性及震害情況有顯著影響,通常表現(xiàn)為地震動(dòng)的放大作用,尤其是在軟土場(chǎng)地上這種放大作用尤為明顯。如在汶川MS8.0級(jí)地震中,陳拓等[1]通過現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)甘肅山體上黃土場(chǎng)地的地震動(dòng)具有明顯放大效應(yīng),且放大效應(yīng)與黃土的覆蓋層厚度及黃土邊坡坡度有直接關(guān)系;夏坤等[2]選取了汶川地震中四川、甘肅及寧夏三省范圍內(nèi)的部分強(qiáng)震動(dòng)記錄研究場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)的影響,結(jié)果表明：黃土地區(qū)自振周期為0.3～1 s以及3～4 s的結(jié)構(gòu)物對(duì)地震動(dòng)放大顯著,且黃土場(chǎng)地上地震動(dòng)相較于基巖場(chǎng)地持時(shí)更長(zhǎng)。場(chǎng)地效應(yīng)在其他地震相關(guān)研究中也被充分考慮,如在震后烈度速報(bào)ShakeMap系統(tǒng)中[3],以及在地震動(dòng)衰減關(guān)系研究中[4-7],地震保險(xiǎn)業(yè)務(wù)和強(qiáng)震動(dòng)flatfile建設(shè)中均需考慮到局部場(chǎng)地的影響[8-10]。為此,區(qū)域場(chǎng)地分類逐漸成為地震工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題,通過劃分場(chǎng)地的類別或確定場(chǎng)地參數(shù)的數(shù)值以考慮不同場(chǎng)地上地震動(dòng)的放大效應(yīng)。

傳統(tǒng)的場(chǎng)地分類方法一般是基于鉆孔剖面數(shù)據(jù),各國(guó)的場(chǎng)地分類依據(jù)之間略有差異,美國(guó)以及歐洲各國(guó)采用VS30(即地表下30 m范圍內(nèi)剪切波速的平均值)作為場(chǎng)地分類的依據(jù),而我國(guó)采用的是VSE(等效剪切波速)及覆蓋層厚度雙指標(biāo)[11-13]。然而通常由于經(jīng)濟(jì)等條件的限制,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)整片區(qū)域的鉆孔勘探。有研究發(fā)現(xiàn)地形、地貌、地質(zhì)等宏觀表面特征與場(chǎng)地參數(shù)(VS30、VSE和覆蓋層厚度)之間具有良好的相關(guān)性[14-21],且隨著高精度地形地質(zhì)數(shù)據(jù)的完善,基于地形地質(zhì)的區(qū)域場(chǎng)地分類方法迅速發(fā)展。

本文主要對(duì)現(xiàn)有基于地形條件、地貌條件、地質(zhì)條件及綜合條件的場(chǎng)地分類方法研究進(jìn)行探討,分析各方法之間的差異及其優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)在使用過程中需要注意問題進(jìn)行了說(shuō)明。

1 基于地形條件的場(chǎng)地分類方法研究

FUMAL等[14]通過對(duì)第四紀(jì)沉積單元土壤粒徑分布及巖石性質(zhì)的研究,表明了坡度與剪切波速存在相關(guān)性;在此研究基礎(chǔ)上,WALD等[15]使用全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的鉆孔波速數(shù)據(jù)和由30弧秒DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到的坡度,將全球劃分為活動(dòng)構(gòu)造區(qū)和穩(wěn)定大陸區(qū),分別建立了NEHRP場(chǎng)地類別和坡度之間的相關(guān)關(guān)系;隨后ALLEN等[16]進(jìn)一步使用更高精度的9弧秒DEM研究坡度與VS30之間的關(guān)系,結(jié)果表明高精度數(shù)據(jù)能夠更加細(xì)化坡度的變化,且與地形地貌具有更好的相關(guān)性,尤其是在丘陵和盆地之間的過渡帶。但是通過統(tǒng)計(jì)分析證明相比于30弧秒的數(shù)據(jù),高精度的9弧秒數(shù)據(jù)對(duì)VS30估計(jì)效果相對(duì)較差,表明平滑的地形坡度能夠得到更穩(wěn)健的VS30估計(jì);而LEMOINE等[17]使用歐洲數(shù)據(jù)驗(yàn)證了WALD等[15]建立的坡度與剪切波速之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的適用性,發(fā)現(xiàn)對(duì)于特殊的火山高原、碳酸鹽巖和冰川大陸等地區(qū)該關(guān)系是不適用的。

我國(guó)也有許多學(xué)者分別應(yīng)用地形坡度估算了各地區(qū)的場(chǎng)地VS30[18-20]。張雨婷[21]通過分析發(fā)現(xiàn)由于四川沉積環(huán)境特殊,基于地形坡度的方法在四川并不適用,僅使用河北、新疆及陜西鉆孔數(shù)據(jù),建立了適用于我國(guó)的地形坡度與VS30相關(guān)關(guān)系(見表1);但張雨婷等[22]隨后在研究中發(fā)現(xiàn)：新疆與河北鉆孔的統(tǒng)計(jì)特性具有明顯差異,其地形特征也明顯不同,因此分別建立了適用各自區(qū)域的坡度-VS30關(guān)系,并分析了與WALD等[15]給出的全球活動(dòng)構(gòu)造區(qū)的坡度-VS30經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的差異,如圖1所示。從圖1中可見相比于WALD等[15]給出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,在多數(shù)劃定的VS30分類范圍內(nèi),新疆與河北地區(qū)對(duì)應(yīng)的坡度上邊界要低于WALD等[15]中的上邊界值,且新疆與河北的坡度-VS30對(duì)應(yīng)關(guān)系也有明顯的差異,尤其是在低坡度范圍(<10-2m/m),因此對(duì)于不同地區(qū)分區(qū)建立坡度-VS30關(guān)系是很有必要的。李昕蕾[23]也檢驗(yàn)了WALD等在USGS上提供的全球VS30估計(jì)結(jié)果在新疆地區(qū)的適用性[24],結(jié)果表明：當(dāng)坡度值小于0.001時(shí),WALD等普遍低估了鉆孔剪切波速,當(dāng)坡度值大于0.03時(shí),WALD等普遍高估了鉆孔剪切波速;ZHOU等[25]并未直接建立VS30與地形坡度的關(guān)系,而是基于地統(tǒng)計(jì)方法,建立了基于坡度數(shù)據(jù)的協(xié)同克里金VS30插值模型,更直觀的反映了地形坡度與VS30的空間關(guān)系。

表1 地形坡度(m/m)與VS30 (m/s)及NEHRP場(chǎng)地類別對(duì)應(yīng)關(guān)系Table1 Correlations between topographic slope (m/m) and VS30 (m/s) for NEHRP site classes

圖1 河北和新疆地區(qū)的場(chǎng)地VS30 與地形坡度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系及Wald和Allen給出的全球VS30 與地形坡度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[15,22]Fig. 1 Regional empirical relationship between VS30 and topographic slope in Hebei and Xinjiang and the global empirical relationship provided by Wald and Allen[15,22]

基于地形坡度的區(qū)域場(chǎng)地VS30估計(jì)方法較為簡(jiǎn)單,且坡度數(shù)據(jù)較容易獲取,USGS上提供的全球VS30估計(jì)值被廣泛使用,但是上述多個(gè)研究表明不同區(qū)域之間坡度與VS30之間的關(guān)系有較大差異[17,21-23],因此在應(yīng)用時(shí)需先驗(yàn)證其在本區(qū)域的適用性。且在部分地區(qū),由于其特殊的地質(zhì)地貌條件坡度方法并不適用[17,21],建議可采取直接賦值的方法,將研究區(qū)域內(nèi)VS30的均值或中位值直接賦予整個(gè)區(qū)域。現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)也多基于30弧秒DEM數(shù)據(jù),未來(lái)研究應(yīng)考慮不同精度數(shù)據(jù)對(duì)VS30估計(jì)的影響。

除地形坡度外,DEM數(shù)據(jù)中包含的其他地形信息也可用來(lái)作為場(chǎng)地分類的指標(biāo),如表面紋理,局部凸度等[26]。IWAHASHI等[27]提出一種基于決策樹理論,使用地形坡度、表面紋理及局部凸度作為指標(biāo)的自動(dòng)劃分場(chǎng)地類型的方法(圖2)。在此研究基礎(chǔ)上YONG 等[28]直接應(yīng)用IWAHASHI等[27]的16類地形分類結(jié)果及加利福尼亞的VS30數(shù)據(jù),將VS30與地形類別相關(guān)聯(lián),建立了區(qū)域VS30預(yù)測(cè)結(jié)果(Y12模型);但是由于研究所采用的VS30值并非全由測(cè)量得來(lái),為了提高模型預(yù)測(cè)效果的準(zhǔn)確性,YONG[29]采用503個(gè)加州實(shí)測(cè)VS30數(shù)據(jù)重新確定每一個(gè)地形類的代表VS30值(Y16模型),并分析了Y12模型與Y16模型之間預(yù)測(cè)效果的差異。YONG[28-29]提出的這種方法也被廣泛應(yīng)用到各項(xiàng)研究項(xiàng)目中,如NGA-West2場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),希臘VS30預(yù)測(cè)模型及北美洲西太平洋VS30模型[30-32],而CONTRERAS 等[33]在研究中將智利鉆孔數(shù)據(jù)區(qū)分為南北和北部,分別建立了VS30模型以驗(yàn)證方法的區(qū)域性差異,結(jié)果表明：在相同地形類別下北部鉆孔的VS30值比南部鉆孔的VS30值要高的多,證實(shí)了區(qū)域性的存在。

圖2 基于三項(xiàng)地形特征的場(chǎng)地地形類別劃分流程[22,27] Fig. 2 A terrain classification scheme based on three morphometric parameters[22,27]

在這些研究基礎(chǔ)上,張雨婷等[22]應(yīng)用IWAHASHI等[27]的分類流程(圖2),對(duì)新疆與河北分區(qū)計(jì)算地形分類的閾值重新劃分地形類別,并應(yīng)用各區(qū)的鉆孔數(shù)據(jù)分別建立VS30預(yù)測(cè)模型。通過兩個(gè)地區(qū)之間分類閾值的比較及各地形類下預(yù)測(cè)值的比較,更加證實(shí)了基于地形特征的VS30估計(jì)方法的區(qū)域性的存在。張雨婷等[22]也將兩地區(qū)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與Y12模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)(圖3),結(jié)果表明：不同模型在同一地形類別下的預(yù)測(cè)值雖有差異,但模型整體的變化趨勢(shì)是相似的。隨后ZHANG等[34]利用我國(guó)廣西、云南及北京等七個(gè)省份(或直轄市),劃分為3個(gè)區(qū)域,基于各自區(qū)域的地形分類閾值及地形分類結(jié)果建立了區(qū)域VS30預(yù)測(cè)模型,其研究結(jié)果可為我國(guó)區(qū)域地震動(dòng)衰減關(guān)系研究及地震災(zāi)害情景構(gòu)建提供場(chǎng)地分類依據(jù)。但是由于這種方法區(qū)域性的存在,應(yīng)用時(shí)首先需利用本地區(qū)的實(shí)測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型,且模型的VS30預(yù)測(cè)值很大程度受現(xiàn)有鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的影響,某些地形類別下鉆孔數(shù)據(jù)量較少也會(huì)導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)效果的變異性增強(qiáng)。

圖3 新疆與河北地區(qū)16個(gè)地形類別下模型預(yù)測(cè)值及Y12模型預(yù)測(cè)結(jié)果[22]Fig. 3 The prediction values of VS30 for 16 terrain categories in Xinjiang and Hebei and the results in Y12[22]

2 基于地貌條件的場(chǎng)地分類方法研究

MATSUOKA等[35]應(yīng)用日本約2 000個(gè)測(cè)點(diǎn)研究了日本工程地貌分類圖(JEGM)中的19個(gè)地貌分類單元與VS30之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了各地貌單元內(nèi)鉆孔VS30的均值與單元的沉積物的粒度大小相對(duì)應(yīng)(礫石>沙>粘土)。除此之外,他們還發(fā)現(xiàn)均由厚礫石層組成的礫石階地和沖積扇由于前者表層為更新世(洪積層)單元,而后者表層為全新世(沖積層)單元,礫石階地單元具有更高的剪切波速值,在一定程度上說(shuō)明了地貌單元與地質(zhì)單元存在某些內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。

MATSUOKA等[35]還引入海拔、坡度、與山的距離作為新的地貌指標(biāo),采用多元線性回歸擬合不同地貌單元下這些指標(biāo)與VS30之間的關(guān)系,關(guān)系式如式(1)。通過擬合的回歸系數(shù)得出結(jié)論：一般條件下海拔越高、坡度越陡和距離山的距離越近,剪切波速值越大,且總體上海拔對(duì)VS30的影響較大。

logVS30=a+blogEv+clogSp+dlogDm±σ

(1)

式中：a、b、c和d表示回歸系數(shù),σ表示標(biāo)準(zhǔn)差,Ev代表海拔高度,Sp代表坡度,Dm代表鉆孔點(diǎn)距離山(第三紀(jì)或第三紀(jì)前形成的山,單位：km)的距離。

史大成[36]也對(duì)我國(guó)廣東地區(qū)的地貌單元進(jìn)行了研究,分析了各地貌單元內(nèi)VS30均值的差異(圖4),并引入海拔高度、地形坡度及與山的距離作為估算VS30的參數(shù),建立各地貌單元下各參數(shù)與VS30的函數(shù)關(guān)系。其研究結(jié)果表明通常情況下山、山坡和巖石等較硬的巖石場(chǎng)地幾乎不受高程和坡度的影響,而礫石階地和山谷洼地會(huì)同時(shí)受到高程、坡度及與山的距離的因素共同影響;THELEN等[37]通過對(duì)洛杉磯盆地附近河流的研究表明：水利梯度影響著河流沉積物粒度,因此水利梯度與VS30具有良好的相關(guān)性可以作為估計(jì)VS30的指標(biāo)。

基于地貌條件的VS30估計(jì)方法通過建立地貌指標(biāo)(海拔、坡度、及與山的距離)與VS30的函數(shù)關(guān)系改善了分類單元中VS30值單一的情況,相對(duì)于使用平均值或中位值作為某一單元的估計(jì)值來(lái)說(shuō)更加符合實(shí)際場(chǎng)地條件,但是這種地貌圖僅可在日本獲得,在其他國(guó)家或地區(qū)難以獲得高精度的地貌單元分類,且距離山脈的距離難以得到較為準(zhǔn)確的值。

注：1p、1t及2～15 分別表示的地貌單元如下：1p.山(第三紀(jì)之前),1t.山(第三紀(jì)之后)1);山坡2);山丘3);巖石階地4);礫石階地5);山谷洼地6);沖積扇7);天然河岸8);漫灘沼澤9);荒廢的河道10);沿海低地和三角洲11);沙礫12);沙丘13);三角洲14);填土15)

3 基于地質(zhì)條件的場(chǎng)地分類方法研究

地質(zhì)圖中包含的年代、巖性和成因等性質(zhì)常被用來(lái)作為估算VS30的指標(biāo),通常情況下,年代越久遠(yuǎn)并且?guī)r石越堅(jiān)硬,剪切波速值越高,而不同成因類型的沉積單元其土壤粒徑不同導(dǎo)致其剪切波速也有差異,例如風(fēng)積單元多為細(xì)砂,其剪切波速值較低,而沖洪積單元多為卵碎石,其剪切波速值相對(duì)較高。

BORCHERDT[38]通過研究舊金灣附近的強(qiáng)震記錄發(fā)現(xiàn),位于人工填土或海灣泥場(chǎng)地上的最大水平地面加速度通常隨著地層厚度的增加而增加,并且比附近基巖場(chǎng)地上記錄的速度大幾十倍,證實(shí)了局部地質(zhì)條件對(duì)地震波有重要影響;隨后,BORCHERDT[39]將地表地質(zhì)與剪切波速結(jié)合完成了舊金山的場(chǎng)地分類;PARK等[40]通過整合地質(zhì)單元與剪切波速資料得到了南加州的復(fù)合剪切波速分布圖。但由于當(dāng)時(shí)剪切波速資料匱乏,因此所得到的結(jié)果相對(duì)較為簡(jiǎn)單且具有一定的局限性。

WILLS[41]利用556個(gè)鉆孔剖面數(shù)據(jù)將加利福尼亞州的地質(zhì)成因、巖性與NEHRP定義的場(chǎng)地類別相匹配,并為處于兩個(gè)場(chǎng)地類別邊界的地質(zhì)單元?jiǎng)?chuàng)建了中間類別(BC、CD或DE類)。但是其定義的場(chǎng)地類別波速范圍重合較高,劃分的7個(gè)類別在對(duì)地震動(dòng)的放大特性上是否不同也有待研究;為了得到更加適用且簡(jiǎn)單的分類圖,WILLS等[42]將具有相似波速性質(zhì)的單元整合到一起,重新對(duì)加州的地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃?9個(gè)地質(zhì)類,以地質(zhì)單元特性來(lái)描述場(chǎng)地的特征,為每個(gè)定義的地質(zhì)單元賦予VS30值;STEWART 等[43]通過實(shí)測(cè)VS30數(shù)據(jù)以及地層地質(zhì)等相關(guān)信息為意大利101個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站提供合理的VS30值,并通過殘差分析驗(yàn)證了WILLS等[42]模型對(duì)意大利臺(tái)站估計(jì)的可靠性;VILANOVA等[44]直接應(yīng)用WILLS[42]模型以及STEWART 等[43]相關(guān)結(jié)果為西伊伯利亞半島缺少VS30信息的臺(tái)站提供VS30估計(jì)值以進(jìn)行地震動(dòng)分析;SILVA等[45]建立了葡萄牙地質(zhì)單元與WILLS等[42]及STEWART等[43]研究中的地質(zhì)單元類別之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以得到葡萄牙VS30空間分布信息;隨后VILANOVA 等[46]收集了葡萄牙的剪切波速數(shù)據(jù)及地表地質(zhì)信息,劃分不同地質(zhì)單元并驗(yàn)證不同單元間VS30的統(tǒng)計(jì)差異,建立了基于地質(zhì)單元的葡萄牙VS30估計(jì)模型。LI等[47]檢驗(yàn)了德克薩斯州不同地質(zhì)年代單元中不同巖性的VS30統(tǒng)計(jì)特性差異,整合并建立基于地質(zhì)單元VS30模型,然后應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)Kriging方法將VS30測(cè)量值融合到地質(zhì)單元模型中,得到了德克薩斯州的VS30空間分布結(jié)果。這些研究都是在認(rèn)為地質(zhì)單元與VS30具有相關(guān)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,然而THELEN等[37]對(duì)圣加布里埃爾河附近的VS30數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),第四紀(jì)地質(zhì)單元河流沉積年代與測(cè)量的VS30沒有相關(guān)性,并且通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在同一地質(zhì)和土壤單元內(nèi)VS30差異很大,說(shuō)明了以某一VS30值表示地質(zhì)單元特性并未考慮到單元內(nèi)VS30的變異性。

我國(guó)也有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,如LEE等[48]考慮地質(zhì)年代及巖性因素,完成我國(guó)臺(tái)灣省場(chǎng)地的地質(zhì)單元分類,根據(jù)分析判斷各地質(zhì)單元應(yīng)屬的NEHRP場(chǎng)地類別,確定自由場(chǎng)地臺(tái)站的場(chǎng)地類別;亢川川[18]使用四川高精度的1∶50萬(wàn)地質(zhì)數(shù)據(jù),僅考慮地質(zhì)年代劃分地質(zhì)單元,確定各地質(zhì)單元所屬NEHRP場(chǎng)地類別;張雨婷[21]在地質(zhì)年代的分類基礎(chǔ)上,考慮了風(fēng)積單元的影響,對(duì)新疆的地質(zhì)單元進(jìn)行分類;史大成等[36,49]綜合考慮了地質(zhì)年代、成因與巖性,得到全國(guó)范圍內(nèi)地質(zhì)成因與NEHRP場(chǎng)地分類指標(biāo)關(guān)系矩陣與1∶250萬(wàn)場(chǎng)地分類結(jié)果;XIE等[50]利用VS30數(shù)據(jù)及地質(zhì)年代和沉積環(huán)境建立了適用于北京平原的VS30預(yù)測(cè)模型,并通過分析表明這種基于地質(zhì)條件的方法相比于基于地形條件的方法在北京平原上對(duì)VS30的預(yù)測(cè)更有效。我國(guó)部分研究區(qū)域中地質(zhì)單元與NEHRP場(chǎng)地類別對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 我國(guó)不同研究區(qū)域中,地質(zhì)單元與NEHRP場(chǎng)地類別對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table 2 Correlations between geological units and NEHRP site classes in different areas of China

這種基于單一地質(zhì)條件的場(chǎng)地分類方法,在確定場(chǎng)地類別時(shí)多由主觀經(jīng)驗(yàn)判斷所得,或以單元內(nèi)采樣點(diǎn)的VS30值均值表示單元特性并未考慮到VS30變異性,且對(duì)不同地區(qū)的地質(zhì)單元定義場(chǎng)地類別時(shí)也有差異,在使用其他地區(qū)的模型時(shí)應(yīng)先驗(yàn)證在本地區(qū)的合理性。

4 綜合條件場(chǎng)地分類方法研究

在上述僅依靠單一指標(biāo)進(jìn)行場(chǎng)地研究的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者綜合使用地質(zhì)、地形及地貌等條件以提高場(chǎng)地VS30預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。如WILLS等[51-52]在地質(zhì)單元分類基礎(chǔ)上,引入坡度與距離基巖的距離兩個(gè)指標(biāo)分別定量對(duì)沖積單元進(jìn)行詳細(xì)的劃分,最終通過將坡度分為3類以識(shí)別沖積單元中不同的VS30波速范圍。WILLS等[53]結(jié)合了WILLS等[42]地質(zhì)單元分類與WILLS等[52]坡度細(xì)分沖積層的準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)了更加精準(zhǔn)的區(qū)域VS30估計(jì)。

THOMPSON等[54]提出了兩種綜合地質(zhì)地形條件提高場(chǎng)地VS30估計(jì)的方法,得到了中國(guó)臺(tái)灣省場(chǎng)地的VS30估計(jì)結(jié)果,并分析了兩種結(jié)果的差異;張雨婷[21]將這兩種方法運(yùn)用到新疆地區(qū),通過研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于THOMPSON等[54]提出的第一種方法由于其僅在坡度預(yù)測(cè)的結(jié)果上進(jìn)行簡(jiǎn)單的殘差疊加,仍舊有部分估計(jì)結(jié)果偏高或偏低;而對(duì)于第二種方法,張雨婷[21]發(fā)現(xiàn)全新統(tǒng)與更新統(tǒng)單元坡度與VS30具有相似的函數(shù)關(guān)系,且由于鉆孔缺少高波速值(>760m/s)的限制,導(dǎo)致使用這種方法得到的分類結(jié)果缺少A類和B類場(chǎng)地,但是相比于傳統(tǒng)的地質(zhì)方法,使用函數(shù)關(guān)系取代單一的均值能夠更好的解決地質(zhì)單元內(nèi)VS30值單一的問題;THOMPSON等[55]隨后提出了將回歸克里金的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)與地形、地質(zhì)及鉆孔測(cè)點(diǎn)等約束條件結(jié)合的場(chǎng)地參數(shù)估計(jì)方法,估測(cè)了加州場(chǎng)地的VS30;AHDI 等[32,56]分別為北美太平洋西北地區(qū)和阿拉斯加州建立了綜合地質(zhì)與地形坡度的VS30估計(jì)方法;PARKER等[57]綜合考慮了地質(zhì)信息,地形坡度及冰川作用范圍和沉積盆地結(jié)構(gòu),為北美中部和東部地區(qū)建立了綜合條件的VS30估計(jì)方法;KWOK等[58]建立了基于地質(zhì)單元、地形坡度和海拔的中國(guó)臺(tái)灣省場(chǎng)地的VS30預(yù)測(cè)方程,同時(shí)建立了基于16類地形類別的VS30預(yù)測(cè)模型,并結(jié)合兩個(gè)模型之間的離散性和相關(guān)性分析提出一種多模型加權(quán)方案;FOSTER等[59]利用新西蘭VS30數(shù)據(jù),基于地統(tǒng)計(jì)方法(MVN)分別建立了基于地質(zhì)的VS30模型和基于地形特征的VS30模型,并對(duì)兩個(gè)模型賦予相同的權(quán)重,建立了綜合地質(zhì)與地形特征的MVN模型;ZHOU等[60]分析了坡度、地質(zhì)及巖土類別對(duì)VS30的影響,將這些參數(shù)組合成不同參數(shù)模型建立VS30估計(jì)模型以提高VS30估計(jì)的準(zhǔn)確性,并建立了基于不同條件的參數(shù)模型篩選流程。

以上研究均基于以美國(guó)規(guī)范定的VS30作為劃分場(chǎng)地的指標(biāo),此外還有許多區(qū)域場(chǎng)地分類研究是基于我國(guó)規(guī)范所定義的場(chǎng)地類別,如陳學(xué)良等[61]基于地形坡度,考慮VS30與VS20的經(jīng)驗(yàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)我國(guó)云南的玉溪盆地、江川盆地和通海盆地進(jìn)行場(chǎng)地類別劃分,并表明這種方法直接用于深厚的和成因復(fù)雜的沉積盆地的場(chǎng)地類別劃分是有局限性的;李昕蕾[23]分別建立了新疆地區(qū)坡度與VSE和覆蓋層厚度的關(guān)系,并綜合考慮了區(qū)域地貌、宏觀地形與地質(zhì)因素,建立了“地貌-巖體堅(jiān)硬程度-沉積物成因-地形坡度”四級(jí)劃分原則的多因素融合場(chǎng)地分類方法如圖5所示,得到基于我國(guó)規(guī)范的新疆場(chǎng)地分類圖,但其所提出的這種分類方法在確定類別時(shí)也是由經(jīng)驗(yàn)判斷所得;LI 等[8]在依據(jù)地質(zhì)年代、成因和巖性劃分地質(zhì)單元的基礎(chǔ)上,引入WALD等[15]和 ALLEN等[16]的研究成果作為確定地質(zhì)單元場(chǎng)地類別的關(guān)鍵因素,并通過中美分類指標(biāo)的對(duì)比關(guān)系得到基于坡度-地質(zhì)資料的中國(guó)全國(guó)場(chǎng)地類型圖,但是其直接應(yīng)用WALD等[15]和ALLEN等[16]的研究結(jié)果并未進(jìn)行驗(yàn)證,且認(rèn)為同一地質(zhì)單元具有相同的場(chǎng)地類別并未考慮到單元內(nèi)VS30的變異性;CHEN等[62]分別利用我國(guó)1∶100萬(wàn)地質(zhì)圖和1∶250萬(wàn)第四紀(jì)沉積圖劃分地質(zhì)單元確定各單元的場(chǎng)地類別,并將得到的兩幅場(chǎng)地分類圖進(jìn)行整合,對(duì)場(chǎng)地類別有差異的區(qū)域進(jìn)行修正得到最終的全國(guó)場(chǎng)地分類結(jié)果,但其在確定單元場(chǎng)地類別時(shí)很大程度也是依賴主觀經(jīng)驗(yàn)。

續(xù)表

5 結(jié)語(yǔ)與展望

地形、地質(zhì)和地貌等因素在無(wú)法直接獲得場(chǎng)地VS30值或場(chǎng)地類別時(shí)常被用來(lái)作為場(chǎng)地分類或確定VS30值的替代指標(biāo),基于地形、地質(zhì)和地貌等因素的場(chǎng)地分類方法發(fā)展迅速且已取得了巨大成果,但仍存在一些問題在應(yīng)用時(shí)需值得注意：

1)基于地形坡度的場(chǎng)地分類方法簡(jiǎn)單,且被廣泛應(yīng)用,但是已有許多研究證明不同地區(qū)的地形坡度與VS30值的關(guān)系存在區(qū)域性差異,因此在使用坡度方法時(shí)應(yīng)首先驗(yàn)證在本地區(qū)的適用性,在冰川、火山平原及四川盆地等特殊地區(qū)坡度方法并不適用,建議可采用直接賦值的方法,且現(xiàn)有坡度模型多建立在30弧秒DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,未來(lái)也應(yīng)研究不同精度數(shù)據(jù)對(duì)于估計(jì)VS30的影響;而基于地形特征的VS30估計(jì)方法很大程度上受鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征的影響,所得到的類別主要集中于C類和D類場(chǎng)地,缺少B類和E類場(chǎng)地,且不同地區(qū)也具有區(qū)域性的影響,因此不可直接引用其他地區(qū)的模型,需應(yīng)用本地區(qū)的鉆孔數(shù)據(jù)建立本地區(qū)的模型。

2)基于地貌指標(biāo)建立VS30函數(shù)關(guān)系的方法在一定程度上改善了分類單元中VS30值單一的情況,相對(duì)于采用平均值或中位值作為某一單元的估計(jì)值來(lái)說(shuō)使用函數(shù)關(guān)系更加符合實(shí)際場(chǎng)地條件,但在多數(shù)國(guó)家高精度地貌圖不易獲取,且難以判斷與山的距離。

3)基于地質(zhì)條件的場(chǎng)地分類方法在確定地質(zhì)單元的場(chǎng)地類別時(shí)很大程度是根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)的判斷,且通常認(rèn)為同一單元只存在相同的場(chǎng)地類別,或以采樣點(diǎn)的VS30均值作為單元的代表值,并沒有考慮到單元內(nèi)VS30的變異性。

4)綜合地形、地質(zhì)和地貌等因素的場(chǎng)地分類方法也發(fā)展迅速,但通過建立地貌單元、坡度和海拔等參數(shù)與VS30的關(guān)系時(shí)由于缺少高值波速鉆孔的原因會(huì)導(dǎo)致最后的場(chǎng)地分類圖缺少A類和B類場(chǎng)地,且部分研究直接應(yīng)用Wald和Allen的研究結(jié)果并未驗(yàn)證坡度方法在本地區(qū)的適用性[12],而直接建立這些因素與場(chǎng)地類別的直接關(guān)系時(shí)也很大程度依賴主觀經(jīng)驗(yàn)判斷。

不同地區(qū)之間的VS30預(yù)測(cè)模型存在區(qū)域性,未來(lái)的研究應(yīng)專注于各地區(qū)模型之間的差異,分析不同模型在本地區(qū)的適用性,提供本地區(qū)估計(jì)VS30的最優(yōu)模型。且各種模型都存在其優(yōu)缺點(diǎn),在建立模型時(shí)地質(zhì)信息與地形信息能夠互相補(bǔ)充,綜合多因素的VS30預(yù)測(cè)模型相比于單因素VS30預(yù)測(cè)模型能夠提升VS30預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,未來(lái)研究也應(yīng)專注于建立基于多因素的VS30預(yù)測(cè)模型。