汶川地震漢源縣城震害分布與場地反應(yīng)分析

齊文浩，王振清，薄景山，鄭桐

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201)

“5·12”汶川8.0級特大地震造成了巨大災(zāi)害，受災(zāi)嚴(yán)重的除了距震中較近的區(qū)域外，距離震中較遠(yuǎn)的高烈度異常區(qū)也不容忽視，如漢源(Ⅷ度異常區(qū))、康縣(Ⅸ度異常區(qū))、中江(Ⅷ度異常區(qū))、通江(Ⅶ度異常區(qū))、洪雅(Ⅶ度異常區(qū))、寶雞-岐山-眉縣(Ⅶ度異常區(qū))、西安(Ⅵ度異常區(qū))等烈度異常區(qū)。其中以距離震中約200 km的漢源縣城的烈度異?，F(xiàn)象最為典型，為Ⅵ度區(qū)中的Ⅷ度烈度異常區(qū)[1]。探究這種跨兩度的高烈度異常現(xiàn)象的原因，減輕或避免以后類似災(zāi)害的重演，成為地震工程界密切關(guān)注的課題之一。

自汶川地震漢源縣烈度異常被發(fā)現(xiàn)以來[2]，研究者們從不同角度對引起這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析研究。齊文浩等從地脈動的角度初步指明場地軟厚的可能原因[2]；高孟潭[3]也初步指明了這一可能原因；門妮[4]從背后山滑坡的角度分析指出滑坡加重了漢源震害；李平等[5-6]從漢源土層結(jié)構(gòu)和河谷地形的角度分析了漢源震害異常的原因；Liu等[7]也從場地放大效應(yīng)的角度進(jìn)行了研究。

地震烈度異常是地震事件中常見的現(xiàn)象，都有特定的形成原因。最為典型的是1985年墨西哥地震中距離震中約400 km的墨西哥盆地出現(xiàn)的震害異常[8]；2011年東日本大地震中遠(yuǎn)離震中的大阪灣遭受的嚴(yán)重地震災(zāi)害[9-10]；中國云南施甸盆地多次出現(xiàn)的嚴(yán)重震害[11]。這些高烈度異常現(xiàn)象都與其場地軟弱、深厚密不可分。在唐山地震中，由于玉田縣覆蓋土層土質(zhì)堅硬，剪切模量較大，該地區(qū)出現(xiàn)了低烈度異?，F(xiàn)象[12]?？v觀這些典型的烈度異?，F(xiàn)象不難發(fā)現(xiàn)，場地條件是主要的影響因素之一。本文依據(jù)震害調(diào)查的結(jié)果，從場地條件角度著手，研究漢源縣城震害分布及其與場地地震反應(yīng)的關(guān)系，分析造成漢源烈度異常的原因。

1 漢源縣城震害概況

漢源縣隸屬四川省雅安市，距離震中約200 km。在汶川地震中，漢源縣城富林鎮(zhèn)受災(zāi)較周邊地區(qū)更為嚴(yán)重，烈度達(dá)到了Ⅷ度，為了探明其原因，對富林鎮(zhèn)進(jìn)行了詳細(xì)的汶川地震災(zāi)害調(diào)查。

根據(jù)富林鎮(zhèn)的街道分布情況，在約42 km2范圍內(nèi)大致均勻調(diào)查了86棟房屋，房屋類型包括砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)房屋等。根據(jù)調(diào)查結(jié)果得到每一棟被調(diào)查房屋的震害指數(shù)。圖1為典型的震害照片及其震害指數(shù)(DI)，調(diào)查結(jié)果顯示，砌體結(jié)構(gòu)房屋震害相對更為嚴(yán)重。

圖1 房屋結(jié)構(gòu)破壞震害調(diào)查Fig.1 Earthquake disaster investigation of buildings and houses

圖2為依據(jù)86棟房屋的震害指數(shù)繪制的震害等值線圖。其中震害指數(shù)DI=0.5等值線以內(nèi)區(qū)域?yàn)閲?yán)重破壞區(qū)，地震烈度不小于Ⅷ度；震害指數(shù)DI=0.5等值線以外且DI=0.2等值線以內(nèi)區(qū)域?yàn)檩p微至中等破壞區(qū)，地震烈度為Ⅶ～Ⅷ度。從圖2可以看出，漢源縣老縣城的地震烈度整體上可以評定為Ⅷ度，個別區(qū)域高于Ⅷ度，這一結(jié)果與汶川地震烈度圖吻合良好。

2 漢源縣城場地條件

漢源縣城位于漢源向斜的核部，近場主要斷裂中金坪斷裂和九襄隱伏斷裂規(guī)模較大，但現(xiàn)今活動性微弱，區(qū)域構(gòu)造相對比較穩(wěn)定，對漢源烈度異常影響不大。漢源縣城區(qū)區(qū)域地層發(fā)育較全，古生代寒武系、奧陶系、二疊系，中生代三疊系、侏羅系，新生代第三系及第四系地層均有出露，受漢源震害影響的為侏羅系、新生代第三系及第四系地層。漢源縣城大部分位于背后山古滑坡滑動留下的堆積體上，堆積體形成的較厚覆蓋土層對地震動中長周期部分產(chǎn)生了良好的共振效應(yīng)，導(dǎo)致長周期成分被很好的放大，導(dǎo)致漢源震害加重。在地形上漢源縣城位于流沙河、大渡河一級階地以上，現(xiàn)場調(diào)查和收集的鉆孔資料表明該地區(qū)第四系沉積物主要為河流相的礫石、砂土和黏土類沉積物[13]。

為進(jìn)一步研究漢源縣城場地條件與震害異常的關(guān)系，在嚴(yán)重破壞區(qū)內(nèi)布設(shè)了5個呈“十”字分布的控制性工程地質(zhì)鉆孔(圖2)。從圖2可以看出：ZK1、ZK2、ZK3鉆孔連線平行于背后山滑坡前緣；ZK4、ZK2、ZK5鉆孔連線垂直于背后山滑坡前緣；ZK4靠近背后山；ZK5靠近流沙河。圖3為5個鉆孔的土層分布及剪切波速測試結(jié)果，從圖中地層可以看出，漢源縣城下臥土層中上部分布有較厚的軟塑粉質(zhì)黏土層，并且在埋深30 m附近各鉆孔波速差異較大，覆蓋土層ZK1、ZK2、ZK3和ZK5較深，ZK4較淺。

圖3 5個鉆孔土層及剪切波速隨深度分布Fig.3 Soil layers and hear wave velocity distributing along depth of 5 boreholes

圖2 漢源縣城震害指數(shù)等值線(據(jù)汶川地震科考隊(duì)場地組結(jié)構(gòu)震害小組)Fig.2 Earthquake disaster isoline map of Hanyuan county town (from structure group of Wenchuan earthquake disaster investigation term)

在鉆探工作中獲取了各鉆孔不同層位、不同土類共30余組代表性土樣，利用共振柱試驗(yàn)測試了這些土樣的動力學(xué)參數(shù)。由于測試的很多土類相似，依據(jù)土性將其劃分為粉質(zhì)黏土(軟塑、可塑、硬塑)、中砂、細(xì)砂、粉砂4類典型土。為了減少動力學(xué)參數(shù)的離散性，對相同土類的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了合并，同時雜填土、卵石和基巖動力學(xué)參數(shù)參考經(jīng)驗(yàn)值給出，各類土8個剪應(yīng)變下的動剪切模量比與動阻尼比參數(shù)如表1所示。

表1 各類土動剪切模量比和阻尼比Table 1 Soil dynamic shear modulus ratio and damping ratio

3 漢源縣強(qiáng)震記錄

強(qiáng)震記錄是場地地震反應(yīng)分析的必要的輸入數(shù)據(jù)。漢源縣城內(nèi)沒有強(qiáng)震觀測臺，但是漢源縣境內(nèi)典型地質(zhì)地段有4個強(qiáng)震觀測臺，即烏斯河臺、九襄臺、清溪臺和宜東臺(圖4)，這4個臺站與漢源縣城大概位于西北-東南走向的一條線上，這4個臺站均坐落于堅硬場地之上，漢源縣城大致位于烏斯河臺與九襄臺之間，其中九襄臺距漢源縣城22 km，烏斯河臺距漢源縣城48 km。選取九襄臺和烏斯河臺的汶川地震記錄作為地震動輸入。

圖4 漢源縣臺站分布Fig.4 Distributing map of strong motion stations in Hanyuan county

九襄臺站和烏斯河臺站都成功記錄到了汶川大地震的強(qiáng)震記錄，如圖5和圖6所示。其中九襄強(qiáng)震記錄共63 459記錄點(diǎn)，時間步長0.005 s，其加速度峰值東西向(EW)為72.7 cm/s2、南北向(SN)為80.35 cm/s2；烏斯河強(qiáng)震記錄共51 546記錄點(diǎn)，時間步長0.005 s，其加速度峰值東西向(EW)為60.2 cm/s2、南北向(SN)為40.01 cm/s2。

圖6 烏斯河強(qiáng)震記錄加速度時程曲線Fig.6 Time history curves of strong motion record of Wusihe station

圖5 九襄強(qiáng)震記錄加速度時程曲線Fig.5 Time history curses of strong motion record of Jiuxiang station

4 漢源縣城地震反應(yīng)分析

4.1 土層地震反應(yīng)分析方法

等效線性化波動方法是土層地震反應(yīng)分析廣泛使用的方法，分為線性方程的頻域波動求解和土體非線性的等效線性化處理2個部分，其基本計算過程包括3個方面:

1)將輸入的地震動時程由傅里葉變換分解為一系列諧波。

2)通過相鄰?fù)翆咏缑嫖灰坪蛻?yīng)力連續(xù)條件，確定相應(yīng)波幅矢量間的遞推關(guān)系。

3)對每一土層分別計算其中部的等效剪應(yīng)變，通過土體動剪切模量和阻尼比隨應(yīng)變變化的曲線插值確定對應(yīng)的等效剪切模量和阻尼比，計算出新的等效剪應(yīng)變；新剪應(yīng)變再插值出等效剪切模量和阻尼比。類似重復(fù)迭代計算，直至相鄰2次的模量和阻尼比滿足精度要求。

根據(jù)5個鉆孔的土層剖面、土層剪切波速和土動力學(xué)參數(shù)等信息，建立等效線性化計算模型；以九襄臺和烏斯河臺的汶川地震記錄為輸入，利用等效線性化波動方法對5個鉆孔進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，計算得到5個鉆孔的加速度峰值和加速度反應(yīng)譜。

4.2 峰值加速度及其放大倍數(shù)

定義峰值加速度放大倍數(shù)α為:

(1)

式中：Amax,s為地表反應(yīng)加速度峰值;Amax,b為基巖輸入加速度峰值。表2給出了漢源縣城5個鉆孔場地的地表峰值加速度計算結(jié)果，同時列出了輸入基巖地震動峰值和放大倍數(shù)。從計算結(jié)果來看，5個鉆孔的峰值加速度普遍較大，除烏斯河記錄輸入外，基本達(dá)到了Ⅶ度以上(≥90 Gal(1 Gal=0.01 m/s2))，半數(shù)超過了140 Gal，甚至達(dá)到了Ⅷ度(≥190 Gal)。5個鉆孔的放大倍數(shù)普遍較大，九襄臺和烏斯河臺記錄部分放大系數(shù)甚至超過5.0，這是較少見的，而以往研究中常見的是小振幅地震動輸入下的場地放大倍數(shù)平均值僅僅約為3.0。

表2 5個場地加速度峰值及放大倍數(shù)Table 2 The acceleration peak values and their amplifying ratios of the five sites

此外，5個鉆孔的地表加速度反應(yīng)還有如下規(guī)律。

1)從地震臺距漢源縣城遠(yuǎn)近來看，距離漢源縣城較近的九襄臺記錄的地表加速度反應(yīng)普遍較大，距離漢源縣城較遠(yuǎn)的烏斯河臺記錄的地表加速度反應(yīng)普遍較小。其中，九襄臺記錄的地表加速度反應(yīng)最大，最大達(dá)203.5 Gal，烏斯河臺記錄最小，為82.4 Gal。 2) 從記錄方向來看，2個臺站東西方向的記錄對應(yīng)的地表反應(yīng)和放大倍數(shù)基本都大于南北方向的反應(yīng)。

3)從鉆孔位置來看，距離背后山滑坡前緣的較近的4個鉆孔ZK1～ZK4的反應(yīng)較大，其中位于DI=0.5中心范圍中心位置的ZK3反應(yīng)最大，距離流沙河岸邊較近的ZK5的反應(yīng)普遍較小。

4.3 加速度反應(yīng)譜

經(jīng)土層地震反應(yīng)分析計算得到的漢源縣城5個鉆孔場地的地表加速度反應(yīng)譜如圖7所示，同時為了與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對比，按汶川地震發(fā)生前執(zhí)行的最近的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)規(guī)定，漢源縣抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，第三地震動分組，即峰值加速度0.1g，漢源的幾個鉆孔均為Ⅲ類場地，其特征周期為0.65 s。據(jù)此在圖7中添加了汶川地震發(fā)生前所執(zhí)行的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(大震、中震)，即設(shè)計了反應(yīng)譜曲線，稱為規(guī)范譜。

圖7 汶川地震中5個場地的地表水平向加速度反應(yīng)譜計算值與規(guī)范值對比Fig.7 Comparison between calculated values and seismic code values of the acceleration response spectra of the 5 sites

從圖7可以看出，汶川地震計算反應(yīng)譜譜型較寬、譜值較高。其中ZK3的反應(yīng)譜曲線最高，其峰值達(dá)近900 Gal；ZK5相對偏小，其峰值也達(dá)到了約600 Gal。

ZK1～ZK4譜形較為相似，反應(yīng)譜的卓越周期集中出現(xiàn)在0.5～1.0 s；ZK5的譜形較為分散，反應(yīng)譜卓越周期也基本集中在0.5～1.0 s。周期大于2.0 s部分反應(yīng)譜基本低于50 Gal。

通過與汶川地震前漢源縣執(zhí)行的大震、中震抗震設(shè)計反應(yīng)譜比較，結(jié)果顯示：

1)5個場地的實(shí)際反應(yīng)譜的峰值部分集中設(shè)計反應(yīng)譜的平臺段，靠近或超過特征周期。

2)在設(shè)計反應(yīng)譜平臺段，5個場地的計算反應(yīng)譜都遠(yuǎn)超過了中震水平設(shè)防水平，甚至超過了大震的設(shè)防水平。除ZK5外，反應(yīng)譜峰值部分超過大震設(shè)計反應(yīng)譜平臺值很多，ZK1達(dá)到60%；ZK2為50%；ZK3最高，達(dá)80%，ZK4為45%，ZK5的實(shí)際反應(yīng)譜基本沒超出大震設(shè)計反應(yīng)譜平臺值，但是也遠(yuǎn)高于中震設(shè)計反應(yīng)譜平臺值。

3)在上升段(0～0.1 s)，實(shí)際反應(yīng)譜均低于大震設(shè)計反應(yīng)譜。

4)下降段在(T>1.0 s)，計算反應(yīng)譜也均低于大震和中震的設(shè)計反應(yīng)譜。

由漢源縣城的汶川地震震害科考可知，漢源縣城毀壞房屋主要為多層的砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等，其自振周期在0.1～0.85 s。其中泥土房為0.1～0.3 s，建筑質(zhì)量較好的2～6層砌體和框架房屋的自振周期為0.3～0.85 s。0.1～.85 s的周期范圍內(nèi)，恰好位于反應(yīng)譜的平臺段，而計算得到的汶川地震時的反應(yīng)譜在平臺段明顯高于大震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，其中ZK1～ZK3場地最為明顯，ZK4場地次之，ZK5場地最不明顯，這也與震害調(diào)查時的震害分布相吻合。

5 結(jié)論

1)漢源縣城震害嚴(yán)重區(qū)域，汶川地震的場地反應(yīng)峰值加速度達(dá)到了Ⅷ度，遠(yuǎn)超過了當(dāng)?shù)胤课菰O(shè)計采用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；各場地的放大系數(shù)偏大，均大于3.0，甚至達(dá)到5.0。

2)漢源縣城房屋自振周期范圍基本位于設(shè)計反應(yīng)譜平臺段，汶川地震時，場地地震動反應(yīng)譜均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出中震的設(shè)計反應(yīng)譜平臺值，甚至明顯高出當(dāng)?shù)卮笳鹪O(shè)計反應(yīng)譜平臺值。

3)漢源縣城場地中上部存在軟弱土層，放大了汶川地震加速度峰值和加速度反應(yīng)譜的卓越周期。

4)與滑坡前緣平行的剖面上的幾個場地震害較為嚴(yán)重，其峰值加速度和放大倍數(shù)也較大，反應(yīng)譜相對較高，靠近背后山場地的震害、峰值加速度和放大倍數(shù)及反應(yīng)譜次之，而距離流沙河較近的場地震害相對較輕，其峰值加速度及其放大倍相對較小，反應(yīng)譜相對較低。

5)漢源縣的房屋建筑質(zhì)量普遍較差，很多房屋并未設(shè)防，房屋結(jié)構(gòu)抗震性能差，這也是造成漢源縣城震害異常的一個主要原因。