土層剪切波速測試中的不確定性對場地地震動參數(shù)的影響分析——以Ⅲ類場地為例1

沈得秀1,2)　王慶民1)　許洪泰2)　楊傳成2)

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土層剪切波速測試中的不確定性對場地地震動參數(shù)的影響分析——以Ⅲ類場地為例

沈得秀王慶民許洪泰楊傳成

1）山東省地震局，濟南 250014 2）山東省地震工程研究院，濟南 250021

本文選取山東地區(qū)2個Ⅲ類場地的工程地質(zhì)勘探及土層剪切波速等資料，將土層厚度按5個深度段，每個分段給出了4個土層剪切波速的改變量，通過改變不同深度段土層剪切波速，建立了19種土層地震反應分析模型，分析了不同深度段，不同概率水平下土層剪切波速的變化對場地地震動參數(shù)的影響。研究表明，不同深度段土層剪切波速的變化對場地地震動參數(shù)的影響有差異。具體表現(xiàn)為，土層剪切波速的改變在1—10m、11—40m和地震輸入界面處三個深度段對地震動加速度峰值影響較大；其中，41—70m和71—100m兩個深度段剪切波速的改變對地震動加速度峰值影響小；在土層深度1—10m時，剪切波速降低，峰值變大，剪切波速的改變與峰值的改變呈負相關(guān)；在其它深度段，剪切波速降低，峰值變小，剪切波速的改變與峰值的改變呈正相關(guān)。剪切波速的改變在1—10m和11—40m兩個深度段對地震加速度反應譜影響較大；在41—70m、71—100m和地震輸入界面三個深度段對地震加速度反應譜影響很小。

場地地震動參數(shù) 剪切波速 不確定性 Ⅲ類場地

引言

場地地震動參數(shù)的確定，其結(jié)果作為建設工程抗震設防的依據(jù)，是工程場地地震安全性評價的目標之一（中華人民共和國國家標準，2005）。局部場地條件作為影響地震動的三類因素之一（胡聿賢，1988），其對場地地震動參數(shù)的影響是不容忽視的。如何估計場地條件對地震動特性的影響，并在工程結(jié)構(gòu)抗震設防中考慮這一因素，一直是工程地震學的重要研究課題。對此，不同學者從不同角度進行了多方面研究，普遍認為場地條件對地震動的影響很大，在地震動幅值（如峰值加速度）和頻譜特性（如反應譜特征周期）的變化上均有體現(xiàn)（李小軍等，2001a；200lb；薄景山等，2003a；2003b；2003c；呂悅軍等，2008；李建亮等，2011）。

反映場地條件的重要因素之一是場地土層的剪切波速，它是由場地現(xiàn)場原位測試得到的，是反映土體動力特性的重要參數(shù)，也是進行場地類別劃分和建立土層地震反應分析模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著場地條件對地震動影響的深入研究，土層剪切波速對場地地震動參數(shù)的影響及剪切波速測試中存在的問題，也越來越受到學者們的重視（薄景山等，2003a；蘭景巖等，2007；董林等，2013）。

土層剪切波速的測試，由于受測試儀器、場地條件、測試條件及觀測人員等因素的影響，總會不可避免地產(chǎn)生誤差。那么，在地震動參數(shù)確定過程中，土層剪切波速測試中的誤差作為一種不確定性因素，它對場地地震動參數(shù)的確定結(jié)果有著怎樣的影響？分析這種影響對于進一步分析場地地震動參數(shù)的合理性有著重要意義。

本文研究了山東地區(qū)兩個Ⅲ類場地條件下的實測土層原位剪切波速資料，通過改變不同深度段的剪切波速，建立多種土層地震反應分析模型，分析了不同深度段剪切波速的變化對場地地震動參數(shù)的影響，以期為分析土層剪切波速測試中的不確定性對場地地震動參數(shù)的影響提供參考。

1 場地資料的選取

本文選取山東地區(qū)Ⅲ類場地條件下2個場地的工程地質(zhì)鉆孔資料、剪切波速及動三軸土樣資料，用以研究不同深度段剪切波速變化對地表場地地震加速度峰值及地震反應譜形態(tài)的影響。所選的2個場地的基本資料如表1所示。

2 基巖地震動輸入的確定及土層地震反應計算

2.1 基巖地震動輸入的確定

基巖地震動輸入的確定是進行場地地震動參數(shù)確定的基礎(chǔ)。首先以所選場地鉆孔為計算控制點進行地震危險性概率分析，確定自由基巖條件下的地震動峰值及加速度反應譜；然后根據(jù)所計算控制點處的地震構(gòu)造環(huán)境，確定等效震中距及等效震級，并以霍俊榮（1989）對強度包絡函數(shù)的估計公式，擬合出2個場地的基巖人工地震動時程，每個場地以50年超越概率63%、10%、2%水平下，各自擬合出3個隨機初相位的基巖加速度時程，并以此作為場地地震反應分析的輸入。

2.2 土層地震反應計算

為研究不同深度段剪切波速變化對場地地震動參數(shù)的影響，對選取的２個場地的土層地震反應模型按照研究的需要，對不同深度的剪切波速進行調(diào)整。根據(jù)２個場地的覆蓋層厚度，選取5個深度段，即1—10m、11—40m、41—70m、71—100m、地震輸入界面處（剪切波速不小于500m/s時深度處）。為分析不同的剪切波速改變量對場地地震動參數(shù)的影響，考慮到所選場地的表層波速較低的因素，根據(jù)選取的2個場地的原始剪切波速，取-20m/s、20m/s、40m/s、60m/s的4個改變量，通過改變5個深度段的剪切波速值，分別建立土層地震反應分析模型，共建立19種工況（所選場地基巖地震動輸入面剪切波速較低，只選取了3個剪切波速改變量，即20m/s、40m/s、60m/s）進行土層地震反應分析，得到不同土層地震反應模型下的地震動加速度峰值及反應譜，然后與場地的實際土層地震反應模型所計算得到的場地地震動參數(shù)進行比較，進而分析不同深度段的剪切波速改變對場地地震動參數(shù)的影響。

3 剪切波速的變化對場地地震動參數(shù)的影響分析

對于不同深度段剪切波速的變化對場地地震動參數(shù)的影響，主要從場地地震動加速度峰值、場地地震加速度反應譜形態(tài)二個方面，分析不同深度段剪切波速的改變對場地地震動參數(shù)的影響。

3.1 剪切波速的變化對場地地震動加速度峰值的影響

如前所述，根據(jù)已建立的19種土層地震反應分析模型及場地實際土層地震反應分析模型進行土層地震反應分析的結(jié)果，分不同深度段、不同超越概率條件下，分析改變剪切波速對場地地震加速度峰值的影響。

通過對已建立的19種工況土層地震反應分析的結(jié)果與場地實際模型得到的土層地震反應分析的結(jié)果對比，在1—10m、11—40m、41—70m、71—100m、地震動輸入界面處，改變剪切波速，對場地地震動加速度峰值有著明顯的差異，并且這種差異在不同超越概率條件下有著明顯不同的影響。

在圖1和圖2中，分別比較了場地１和場地2在不同深度段剪切波速改變條件下得到的場地地震加速度峰值與實際場地地震加速度峰值結(jié)果。在圖1和圖2中，橫坐標為剪切波速的改變量（-20m/s、20m/s、40m/s、60m/s），坐標原點為實際土層模型下的場地地震動加速度峰值，縱坐標為峰值的改變量。圖中（a）、（b）、（c）分別對應50年超越概率63%、10%、2%水平下的峰值比較結(jié)果；圖中1、2、3、4、5分別對應1—10m、11—40m、41—70m、71—100m土層、地震動輸入界面處土層5個深度段。

對圖1和圖2的分析可得出，場地地震動加速度峰值對土層剪切波速的依賴性很強，在其它條件不變的情況下，在1—10m、11—40m、41—70m、71—100m土層、地震輸入界面處土層5個深度段，剪切波速的改變和場地地震動加速度峰值有明顯的差別，其中，剪切波速的改變在土層深度1—10m時，對場地地震動加速度峰值影響最大；在11—40m時次之；基巖輸入面處較次之；41—70m、71—100m時影響最小。在土層深度1—10m時，剪切波速降低，峰值變大，剪切波速的改變與峰值的改變呈負相關(guān)；在其它深度段，剪切波速降低，峰值變小，剪切波速的改變與峰值的改變呈正相關(guān)。同一深度段，剪切波速的改變，對不同超越概率條件下有差異，50年超越概率63%水平下對峰值影響最?。?0年超越概率10%水平下影響次之；50年超越概率2%水平下影響最大。在場地1和場地2條件下，不同的地震動輸入強度，對峰值有著影響，強度大對應的峰值改變量也大；剪切波速的改變量大對應的峰值也大。本文所得到的認識都是基于總體的認識，在個別深度段及個別剪切波速改變量條件下，仍存在差異，這可能與不同基巖人工地震動時程對不同深度段模型的作用不同有關(guān)系。

3.2 剪切波速的變化對場地地震動加速度反應譜形態(tài)的影響

在場地地震動加速度反應譜方面，根據(jù)已建立的19種工況與實際場地地震加速度反應譜比較，不同深度段土層的剪切波速改變，對場地地震加速度反應譜的形態(tài)影響不同，主要表現(xiàn)在場地地震動加速度峰值高的工況下，場地地震加速度反應譜整體變窄，變高，在周期中低頻段更為明顯。

由于在場地地震動參數(shù)中，、T、之間相互影響，在有變化時，難以分析不同深度段土層剪切波速的改變對T的影響。為此，本文分別選取2個場地條件下用50年超越概率10%的第1相位計算得到的土層地震反應分析結(jié)果，與實際剪切波速條件下的土層地震反應分析結(jié)果進行比較。

圖3和圖4分別為場地1和場地2不同深度段土層剪切波速的改變對場地地震加速度反應譜的變化。

對圖3和圖4的對比分析可得到，在不同深度段土層剪切波速對地震加速度反應譜形態(tài)的影響有明顯差異，在1—10m、11—40m兩個深度段，剪切波速的改變對地震加速度反應譜的形態(tài)影響比較明顯。其中，1—10m深度段對地震加速度反應譜的影響較寬，大致在0.04—0.60s周期段反映明顯；11—40m深度段對地震加速度反應譜的影響較窄，大致在0.1—0.55s周期段反映明顯；而在41—70m、71—100m、地震動輸入面處三個深度段的地震加速度反應譜的形態(tài)受剪切波速改變的影響較小。2個場地地震加速度反應譜形態(tài)受剪切波速改變的影響基本一致。

4 結(jié)論與討論

土層的剪切波速，不管在場地地震動加速度峰值，還是在地震加速度反應譜形態(tài)方面，對場地地震動參數(shù)的影響都是非常明顯的，通過本文的研究可以得出如下的認識：

（1）剪切波速的改變，在不同深度段場地地震動加速度峰值有明顯的差別。剪切波速的改變在土層深度1—10m時，對場地地震動加速度峰值影響最大；11—40m時次之；基巖輸入面處較次之；41—70m、71—100m時影響最小。在土層深度1—10m時，剪切波速降低，峰值變大，剪切波速的改變與峰值的改變呈負相關(guān)；在其它深度段，剪切波速降低，峰值變小，剪切波速的改變與峰值的改變呈正相關(guān)。同一深度段，剪切波速的改變，對不同超越概率條件下有差異，50年超越概率63%水平下對峰值影響最??；50年超越概率10%水平下影響次之；50年超越概率2%水平下影響最大。場地1和場地2條件下，不同深度段剪切波速的改變，在覆蓋層厚度不同時，對峰值的影響并不明顯，但不同的地震動輸入強度，對峰值有著影響，強度大對應的峰值改變量也大。

（2）在不同深度段，土層剪切波速對地震加速度反應譜形態(tài)的影響有明顯差異。在1—10m、11—40m兩個深度段，剪切波速的改變對地震加速度反應譜的形態(tài)影響比較明顯。其中，1—10m深度段對地震加速度反應譜的影響較寬，大致在0.04—0.60s周期段反映明顯；11—40m深度段對地震加速度反應譜的影響較窄，大致在0.1—0.55s周期段反映明顯；而在41—70m、71—100m、地震動輸入面處三個深度段的地震加速度反應譜的形態(tài)受剪切波速改變的影響較小。2個場地地震加速度反應譜形態(tài)受剪切波速改變的影響基本一致。

本文在基于一定的假設條件下，主要分析了土層剪切波速的不確定性對場地地震動加速度峰值及場地相關(guān)譜的影響。研究結(jié)果表明，土層的剪切波速對場地地震動參數(shù)的影響較大，那么土層剪切波速測試是否反映真實的場地條件，波速的測試結(jié)果是否可靠，將是合理確定場地地震動參數(shù)的先決條件。當然，影響場地地震動參數(shù)的因素還有很多，如土動力學參數(shù)、土層結(jié)構(gòu)等，如何合理確定場地地震動參數(shù)仍然是今后需要不斷研究的課題。

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Analysis of Ground Motion Parameters Impact on Soil Shear Wave Velocity at Different Depths——A Case of Site Class Ⅲ

Shen Dexiu, Wang Qinmin, Xu Hongtaiand Yang Chuancheng

1) Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China 2) Shandong Institute of Earthquake Engineering, Jinan 250021, China

We selected data of engineering geological exploration and soil shear wave velocity from two class Ⅲ sites in Shandong, and divided the depth of soil thickness into five segments, in which each segment is given four values of soil shear wave velocity. By changing the soil shear wave velocity at different depth, we established 19 kinds of soil seismic response analysis models, and analyzed influence on segments at different depths and different probability levels change on soil shear wave velocity of ground motion parameters. Our results show that the change soil shear wave velocity at different depth has different impact on ground motion parameters. Particularly, changes in soil shear wave velocity at 1-10m, 11-40m and interface where seismic wave input have the greater influence on peak ground acceleration. Whereas, the changes of shear wave velocity at 41-70m and 71-100m depth have the less influence on the peak ground acceleration. In soil at depth 1-10m, with the decrease of shear wave velocity the peak acceleration increases, and vice versa at the other depths. Changes of shear wave velocity have great influence on acceleration response spectra at 1-10m and 11-40m depth, and small influence at 41-70m and 71-100m depth.

Shear wave velocity；Ground motion parameter；Uncertainties；Ⅲclass site

1基金項目 山東省地震局重點科研基金項目（JJ1313Y）和山東省地震局合同制科研項目（09Y17）共同資助

2013-08-24

沈得秀，女，生于1975年。2007年獲得碩士學位，工程師。主要從事地震活動性和工程地震的研究工作。E-mail: shendexiu@163.com

沈得秀，王慶民，許洪泰，楊傳成2014．土層剪切波速測試中的不確定性對場地地震動參數(shù)的影響分析——以Ⅲ類場地為例. 震災防御技術(shù)，9（2）：244—251.