土層結(jié)構(gòu)對漢源烈度異常的影響

李 平 薄景山 齊文浩 劉德東 肖瑞杰

1）中國河北三河市065201防災(zāi)科技學(xué)院

2）中國哈爾濱150080中國地震局工程力學(xué)研究所

土層結(jié)構(gòu)對漢源烈度異常的影響

李 平1，2），薄景山1，2）齊文浩2）劉德東2）肖瑞杰1）

1）中國河北三河市065201防災(zāi)科技學(xué)院

2）中國哈爾濱150080中國地震局工程力學(xué)研究所

汶川MS8.0大地震在遠(yuǎn)離震中近200km的漢源縣縣城產(chǎn)生了高烈度異常，其原因比較復(fù)雜.為了分析土層結(jié)構(gòu)對汶川大地震中漢源縣老縣城高烈度異常的影響，在漢源縣城震害科學(xué)考察基礎(chǔ)上，依據(jù)地震烈度異常的分布情況，在背后山滑坡前緣地帶布設(shè)5個工程地質(zhì)勘察鉆孔，獲得了漢源縣老縣城場地土層結(jié)構(gòu)資料.在現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，給出了漢源縣老縣城場地各層土體動力學(xué)參數(shù).本文利用汶川地震九襄強震臺的強震記錄，結(jié)合其臺站的場地資料反演給出了漢源縣老縣城的基巖地震動時程，作為地震反應(yīng)分析的基巖輸入地震動.在此基礎(chǔ)上利用土層地震反應(yīng)一維等效線性方法對漢源縣老縣城場地進行了地震反應(yīng)分析，并將計算所得結(jié)果與Ⅵ度區(qū)其它強震臺站獲得的強震記錄進行比較.研究結(jié)果表明，漢源縣老縣城土層結(jié)構(gòu)對地震動的放大作用導(dǎo)致地表地震動異常，是漢源縣老縣城高烈度異常的主要原因之一.

汶川地震 土層結(jié)構(gòu) 烈度異常 地震反應(yīng)

引言

2008年5月12日四川省汶川縣發(fā)生MS8.0大地震，強烈的地震造成了巨大的社會經(jīng)濟損失和人員傷亡，摧毀了大量的工業(yè)與民用建筑和基礎(chǔ)設(shè)施.從汶川MS8.0地震烈度分布簡圖（圖1）可以看出，極震區(qū)的烈度高達Ⅺ度，等烈度線整體上呈近橢圓型分布（袁一凡，2008）.在烈度評定中發(fā)現(xiàn)，位于震中西南方向約200km的漢源縣老縣城是Ⅵ度區(qū)內(nèi)的Ⅷ度異常區(qū)，這種跨兩度的烈度異?，F(xiàn)象十分罕見.這一現(xiàn)象已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)的一些學(xué)者通過汶川地震科學(xué)考察初步分析了造成這種高烈度異常原因.高孟潭等（2008）從場地條件，場區(qū)的地震構(gòu)造背景，漢源縣附近地震臺震相特征，以及震源過程等方面的影響對該烈度異常進行了初步解釋，并提出上述幾方面是造成漢源縣老縣城高烈度異常的主要因素.薄景山等（2009）利用汶川地震科學(xué)考察所收集到的資料，經(jīng)過簡要的計算提出了漢源背后山古滑坡復(fù)活和土層結(jié)構(gòu)對漢源縣老縣城烈度異常有較大的影響.齊文浩等（2010）通過對漢源縣老縣城地脈動測試數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)得到了軟弱場地是造成漢源縣老縣城烈度異常的主要原因之一.以上的研究成果只是基于汶川地震科學(xué)考察基礎(chǔ)上的初步分析結(jié)果，缺乏具體實際計算數(shù)據(jù)支撐.本文在此基礎(chǔ)上基于場地深入調(diào)查和鉆孔勘察資料，從土層結(jié)構(gòu)著手進行場地土層地震分析，并以此獲得了漢源場地土層結(jié)構(gòu)對漢源縣地震烈度異常的影響.

圖1 汶川MS8.0地震烈度分布簡圖［據(jù)袁一凡（2008）圖修改］Fig.1 Sketch of seismic intensity distribution during Wenchuan MS8.0 earthquake（modified after Yuan Yifan，2008）

1 場地勘察

漢源縣城位于四川省雅安市南部，是一座典型山城，大渡河和流沙河流經(jīng)縣城附近并在此交匯.該縣城分為老縣城和新縣城，漢源縣老縣城處于流沙河河畔的二級、三級階地和山前洪積扇的交匯地帶.漢源河谷盆地北部山前地帶，地下土質(zhì)相對松散，為第四系沉積物分布，層位不穩(wěn)定，覆蓋層較厚.本次現(xiàn)場勘察的鉆孔布設(shè)在老縣城，在震害調(diào)查和工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，在地震烈度異常集中地帶、背后山滑坡前緣共布置了5個工程地質(zhì)鉆孔進行了補充場地勘察，鉆孔平面如圖2所示.鉆孔ZK1進尺60m，鉆孔ZK2進尺58m，鉆孔ZK3進尺62m，鉆孔ZK4進尺44m，鉆孔ZK5進尺30m，總進尺254m.除ZK1鉆孔于50.7m處見到惜格達泥巖地層，其余鉆孔未鉆至基巖面，根據(jù)同一工程地質(zhì)單元可知其余鉆孔覆蓋層厚度都大于50m.通過場地工程地質(zhì)鉆孔勘察，獲得了漢源縣老縣城較詳細(xì)的場地土層結(jié)構(gòu)資料.各鉆孔按《巖土工程勘察規(guī)范》（中華人民共和國建設(shè)部，2009）中的要求完成了鉆孔取樣、標(biāo)貫、剖面分層、巖土性狀描述等工作，共取有代表土樣27組.通過原位試驗和室內(nèi)土常規(guī)試驗、共振柱試驗，獲取了土體剪切波速及動剪切模量比、阻尼比隨剪應(yīng)變的變化等土動力學(xué)參數(shù)，為分析和計算提供了基礎(chǔ)資料和計算參數(shù).

圖2 鉆孔分布示意圖Fig.2 Location of boreholes（black dots）

根據(jù)場地勘察資料，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（中華人民共和國建設(shè)部，2010）進行場地類型劃分，計算結(jié)果如表1所示.從表1可以得知漢源縣老縣城為Ⅲ類軟弱場地.從鉆孔資料可知，漢源縣老縣城出現(xiàn)的土類有雜填土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、中砂、細(xì)砂和漂卵石等土，土層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.場地土層結(jié)構(gòu)可以改變基巖地震動的峰值、頻譜及持時等特性.國內(nèi)外學(xué)者對場地土層結(jié)構(gòu)及覆蓋土層厚度的影響進行了大量的研究（薄景山等，2003a，b；2004）.通常采用一維土層地震反應(yīng)分析方法（李小軍，廖振鵬，1989）來研究場地土層的影響.這次地震場地土層結(jié)構(gòu)對漢源縣震害究竟有多大影響，下面通過地震反應(yīng)分析的方法來揭示.

表1 漢源縣老縣城場地類型Table 1 Site types of Hanyuan old town

圖3 漢源縣老縣城鉆孔柱狀圖Fig.3 Borehole columns in Hanyuan old town

2 計算參數(shù)的確定

在研究漢源縣老縣城上述獲取的5個工程場地鉆孔資料基礎(chǔ)上，整理選取了有代表性的ZK1和ZK2鉆孔剖面作為計算剖面，如圖3所示.地震反應(yīng)計算分析所需要剪切波速數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場測試結(jié)果，剪切波速值隨深度變化如圖4所示.根據(jù)現(xiàn)場所取土樣的試驗測得的動剪切模量比及動阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系，利用最小二乘法進行回歸分析，得到了粉質(zhì)粘土（軟塑、可塑、硬塑）、中砂、細(xì)砂和粉砂4種典型土7個狀態(tài)下的動剪切模量比、阻尼比隨剪應(yīng)變的變化，以及雜填土、卵石和基巖動力學(xué)參數(shù)等參考經(jīng)驗值，如圖5所示.

3 基巖輸入地震動的確定

目前，基巖輸入地震動的確定方法有人工合成地震動和強震動記錄匹配兩種方法.人工合成法的缺點是無法模擬實際地震動的豐富頻譜特性；地震動記錄匹配方法的缺點是很難找到與場地條件符合較好的強震記錄.在對汶川地震強震記錄及其臺站的場地資料細(xì)致的分析后，沒有找到適合作為漢源縣地震反應(yīng)分析的基巖輸入地震動的強震記錄.考慮到汶川地震地震動特有的頻譜特性以及時程長的特點，為了使基巖輸入地震動盡量反映汶川地震時漢源縣老縣城的基巖地震動情況，本文選用汶川地震中離漢源縣老縣城最近的九襄強震臺的強震記錄作為反演記錄.強震記錄共63 459記錄點，時間步長0.005s，其峰值加速度東西向為72.7cm／s2、南北向為80.35cm／s2.該強震記錄時程曲線如圖6a所示.由于九襄強震臺有詳細(xì)的場地土層和土體動力學(xué)參數(shù)資料，所以可以采用一維等效線性方法進行反演.這一方法是以地表記錄到的強震記錄時程作為輸入，反演計算出基巖地震動時程.經(jīng)計算得到了九襄強震臺基巖輸入地震動時程，時程曲線如圖6b所示.

圖6 九襄強震記錄（a）及反演基巖地震動時程（b）曲線Fig.6 Strong motion record（a）of the Jiuxiang station and inverted bedrock time history（b）

表2 地表峰值加速度及放大倍數(shù)表Table 2 Peak ground acceleration and the amplification factors

4 計算結(jié)果分析

震害調(diào)查表明，絕大部分結(jié)構(gòu)的破壞是強烈地震動所致.一般情況下，震害嚴(yán)重則地表峰值加速度較大；震害輕則地表峰值加速度較小.因此漢源縣烈度異常的主要原因可能是由于該場地地震動異常造成的.經(jīng)地震反應(yīng)分析計算，本文得到了漢源縣老城地表峰值加速度及其放大倍數(shù)M（M定義為地面峰值加速度比基巖輸入地震動峰值），計算結(jié)果如表2所示.其中，放大倍數(shù)最大值已達到4.92倍，這表明老縣城場地土層結(jié)構(gòu)對基巖輸入地震動有顯著的放大作用.為了分析漢源縣場地土層結(jié)構(gòu)對地表地震動的影響，選取了5個Ⅵ度區(qū)的強震記錄與計算所得的漢源縣老縣城地表地震動峰值加速度進行比較.強震臺臺站的土層結(jié)構(gòu)與漢源縣老縣城的土層結(jié)構(gòu)完全不同，從強震臺建臺報告中可知，這5個臺站的土層結(jié)構(gòu)簡單且單一，除表層填土外均為碎石土或卵石土且覆蓋層厚度均不超過20m.為了消除斷層距、斷層上下盤以及斷裂方向性的影響，所選取的臺站與漢源縣老縣城位于同一斷層盤且斷層距基本相當(dāng)，對比結(jié)果如表3所示.表中C1EW表示漢源縣老縣城鉆孔ZK1的地表峰值加速度與強震臺EW向強震記錄峰值加速度的比值，其它3個符號的意義依此類推.從表3可以得知，其比值最小的是1.3倍，最大的達到了6.29倍.這表明漢源縣老縣城的地表地震動峰值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于強震臺的強震記錄峰值，也就是說高烈度異常區(qū)的峰值加速度大于非烈度異常區(qū)的峰值，從而說明了漢源縣老縣城的土層結(jié)構(gòu)對地震動顯著的放大作用導(dǎo)致地表地震動異常，這種異常的地震動超出了已有地面房屋的設(shè)計抗震能力，從而造成了震害異常.

表3 地表峰值加速度與強震記錄峰值加速度比較表Table 3 Comparison between calculated peak ground acceleration and peak strong motion record

5 討論與結(jié)論

地震高烈度異常是地震震害中一種常見現(xiàn)象.烈度異常產(chǎn)生原因很多，通常認(rèn)為與場地條件有密切聯(lián)系.本文只從場地土層方面采用一維土層地震反應(yīng)分析方法對漢源縣老縣城的震害異常進行分析，得到了造成漢源縣地震烈度異常的原因是漢源縣老縣城的場地屬于軟弱深厚的Ⅲ類場地，同時其土層結(jié)構(gòu)對地震動具有顯著的放大作用，地震動峰值加速度超過了周圍場地所記錄到的地震動峰值加速度，造成了嚴(yán)重的震害現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了漢源縣老縣城的高烈度異常.

烈度異常的原因是復(fù)雜的，造成漢源縣高烈度異常的原因不只是一個，應(yīng)在收集更廣泛的地質(zhì)構(gòu)造以及地形地貌等資料基礎(chǔ)上，對其進行更深入的研究.擬采用二維或三維的數(shù)值模擬研究地形地貌對高烈度異常的影響，同時考慮其背后山古滑坡的影響，只有綜合分析各個影響因素才能對這一現(xiàn)象的成因給出科學(xué)的解釋.

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李 平 防災(zāi)科技學(xué)院講師.2010年中國地震局工程力學(xué)研究所防災(zāi)減災(zāi)工程及防護工程專業(yè)畢業(yè)，獲碩士學(xué)位；2010年至今在中國地震局工程力學(xué)研究所攻讀巖土工程專業(yè)博士學(xué)位.現(xiàn)主要從事城市防震減災(zāi)規(guī)劃基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用、地震安全性評價和地震烈度異常機理等研究工作.

Effects of soil structure on abnormal intensity in Hanyuan old town

Li Ping1，2），Bo Jingshan1，2）Qi Wenhao2）Liu Dedong2）Xiao Ruijie1）

1）InstituteofDisasterPreventionScienceandTechnology，SanheCity，HebeiProvince065201，China
2）InstitueofEngineeringMechanics，ChinaEarthquakeAdministration，Harbin150080，China

Hanyuan town，Sichuan，is 200km away from the epicenter of the 2008Wenchuan great earthquake，yet high abnormal seismic intensity was observed there.In order to analyze the effects of soil structure on the abnormal intensity at Hanyuan old town，based on scientific investigation on seismic damage distribution there，five boreholes were drilled on the frontal landslide slope of the Beihou Mountain and the data of soil layer structures were obtained.On the basis of field test and laboratory experiment，the dynamic parameters of soils in different layers in Hanyuan old town were deduced.By inverting the strong motion data recorded at Jiuxiang strong－motion station and associate site information of this station，the time－h(huán)istory of ground motion was derived，and was taken as input bedrock waves for ground seismic response analysis.With 1－D equivalent linearization wave motion method，which is widely used in ground response analysis，Hanyuan old town ground motion parameters were calculated.The calculation result was compared with the strong motion record corresponding to intensity Ⅵ during the Wenchuan earthquake.The analysis result shows that the soil structure of Hanyuan old town region amplified ground motion，hence leading to abnormal ground motion.This is one of the main reasons for abnormal intensity.

2008Wenchuan earthquake；site soil structure；abnormal intensity；ground seismic response

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.011

P315.9

A

李平，薄景山，齊文浩，劉德東，肖瑞杰.2012.土層結(jié)構(gòu)對漢源烈度異常的影響.地震學(xué)報，34（6）：851－857.

Li Ping，Bo Jingshan，Qi Wenhao，Liu Dedong，Xiao Ruijie.2012.Effects of soil structure on abnormal intensity in Hanyuan old town.ActaSeismologicaSinica，34（6）：851－857.

中國地震局教師科研基金（20110108）、國家自然科學(xué)基金項目（50978237）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金（ZY20110102）資助.

2011－12－22收到初稿，2012－03－06決定采用修改稿.

e－mail：chinaliping1981＠126.com < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2012－09－12 19：00：00

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／11.2021.P.20120912.1900.004.html