強震山區(qū)低山斜坡地震動響應(yīng)特征分析

王國康 王運生 劉江偉 周 粵蘇 毅 畢楊楊 向 超

1 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都市二仙橋東三路1號，6100592 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都市二仙橋東三路1號，610059

2008年汶川地震后，國內(nèi)外學(xué)者開始對山區(qū)地震動響應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行深入研究[1-5]，但主要是以震動臺等物理實驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法探究以基巖或深厚層覆蓋層為介質(zhì)的地震動響應(yīng)，且研究區(qū)大多分布在海拔較高的山區(qū)，缺乏對薄覆蓋層地區(qū)的研究。

2019-06-17 22：55：43四川省宜賓市長寧縣發(fā)生6.0級地震，震源坐標(biāo)104.90°E、28.34°N，震源深度16 km。地震發(fā)生后，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室緊急成立調(diào)查小組前往災(zāi)區(qū)，并在不同場地條件下布設(shè)了地震動監(jiān)測儀器。通過對余震數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析地震動參數(shù)在不同場地下的差異性，對于災(zāi)后重建和建筑物的抗震及穩(wěn)定性評價有重要的研究意義。

1 監(jiān)測點概況

四川省宜賓市長寧縣位于四川盆地東南部邊緣，大地構(gòu)造上屬于較為穩(wěn)定的揚子板塊[6]，地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，且大部分褶皺為近NE向和近EW向[7]。研究區(qū)域內(nèi)存在2條活動斷層，分別為NE向的華鎣山斷裂和NW向的雅安-宜賓隱伏斷裂，此次長寧6.0級地震震中就位于2條斷裂交會處[7]。從圖1可以看出，余震大部分沿雅安-宜賓斷裂分布。

圖1 監(jiān)測點位置及監(jiān)測點剖面Fig.1 Monitoring points location and monitoring geological profile by geound shocks

本文采用2臺中國地震局工程力學(xué)研究所研發(fā)的G01NET-3型結(jié)構(gòu)與斜坡地震動響應(yīng)監(jiān)測儀，儀器布設(shè)在長寧縣雙河鎮(zhèn)北緣。監(jiān)測點信息如表1所示，其中3#監(jiān)測點為2#監(jiān)測點移動后位置。場地巖性分為2類，一類是下奧陶統(tǒng)薄層狀砂質(zhì)泥巖，另一類是8～9 m厚的粘土夾少量碎石，較為密實。

表1 各監(jiān)測點信息

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 第1次監(jiān)測

在第1次監(jiān)測到的數(shù)據(jù)中，選取3.4級余震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖2可以看出，本次地震持續(xù)時間短、幅度大。

圖2 3.4級地震加速度時程曲線對比Fig.2 Comparison of acceleration time history curve of MS3.4 earthquake

位于山腳的1#監(jiān)測點峰值加速度在0.1～0.16m/s2之間，而2#監(jiān)測點峰值加速度最大達(dá)到0.7 m/s2，顯著強于1#監(jiān)測點。在東西、南北與垂直3個方向上，各個監(jiān)測點均有不同程度的響應(yīng)，總體來說南北向峰值加速度略大于東西向，且二者顯著大于垂直向。這表明監(jiān)測點在地震荷載作用下的場地擺動優(yōu)勢方向為NS向，震源機制解顯示余震具有逆沖兼左旋走滑特性[8]，主壓應(yīng)力方向為近NS向，這與場地擺動優(yōu)勢方向較為一致。

地震的加速度時程曲線反映了地震波的時域信息，對地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉級數(shù)變換可以得到地震波的頻域信息。由圖3可以看出，測點的場地條件會影響地震波的頻率分布。

圖3 3.4級地震傅里葉譜Fig.3 Fourier spectrums of MS3.4 earthquake

1#監(jiān)測點的傅里葉頻譜在2個水平方向上的卓越頻率均在7.53 Hz附近；垂直向則存在2個卓越頻率，分別為2.86 Hz和7.71 Hz，能量集中在0～20 Hz，分布較為平均。2#監(jiān)測點在2個水平方向上均為單峰型，卓越頻率分別為5.63 Hz(東西)和5.52 Hz(南北)，傅里葉幅值最大達(dá)到0.162 m/s2。對比2個監(jiān)測點的譜圖可以發(fā)現(xiàn)，2#監(jiān)測點對0～10 Hz地震波的峰值加速度放大顯著，且能量主要集中在0～10 Hz附近。

2.2 第2次監(jiān)測

由于雙河鎮(zhèn)房屋大多建設(shè)在山腳的覆蓋層上，為探究覆蓋層場地類型對地震動的響應(yīng)，將山頂2#監(jiān)測點移動至與山腳1#監(jiān)測點近似高程的覆蓋層中，為方便區(qū)分，將其標(biāo)記為3#監(jiān)測點。測點布置好后于07-03監(jiān)測到4.8級余震。

從圖4加速度時程曲線可以看出，1#和3#監(jiān)測點的加速度相較于第1次監(jiān)測顯著增強。1#監(jiān)測點峰值加速度達(dá)到3.77 m/s2，3#監(jiān)測點峰值加速度達(dá)到7.86 m/s2。從2個監(jiān)測點3個方向的加速度曲線來看，3#監(jiān)測點較1#監(jiān)測點在各個方向基本都放大了2倍左右，說明位于同一高程，較薄的覆蓋層仍能對地震波起到一定的放大作用。與第1次監(jiān)測到的余震不同，這次余震震源機制解顯示為純逆沖型地震，主壓應(yīng)力方向為NE-SW向[8]，因此在2個監(jiān)測點的水平方向時程曲線上都沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢方向。

圖4 MS4.8地震加速度時程曲線對比Fig.4 Comparison of acceleration time historycurve of MS4.8 earthquake

圖5的傅里葉頻譜曲線表明，地震波在1#監(jiān)測點的輸出頻率為0～50 Hz，而在3#監(jiān)測點的輸出頻率變?yōu)?～35 Hz，表明較密實的覆蓋層對地震波高頻成分有著很強的過濾吸收作用。3#監(jiān)測點不僅對0～10 Hz頻段有放大作用，在12～17 Hz頻段內(nèi)也有著明顯的放大作用，在垂直方向上尤為顯著。

圖5 MS4.8地震傅里葉譜Fig.5 Fourier spectrums of MS4.8 earthquake

2.3 阿里亞斯強度分析

利用2次監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得到的阿里亞斯強度如表2所示。在3.4級余震中，2個水平方向上的阿里亞斯強度放大效應(yīng)較為明顯，其中南北向阿里亞斯強度甚至放大到了27倍之多，垂直方向上的放大系數(shù)為2.7倍，說明高高程對地震強度的放大效果明顯。在4.8級余震中，3個方向上的阿里亞斯強度放大系數(shù)都在3～6之間，無顯著的優(yōu)勢方向，說明覆蓋層上地震的震動強烈，破壞性相較于基巖更顯著。

表2 阿里亞斯強度

2.4 加速度反應(yīng)譜

為進(jìn)一步研究場地與地震波的共振特性，引入加速度反應(yīng)譜進(jìn)行分析[9]。對2次余震數(shù)據(jù)校正后進(jìn)行加速度反應(yīng)譜分析，阻尼比分別設(shè)置為5%、10%、20%，結(jié)果如圖6和7所示。

圖6 3.4級地震加速度反應(yīng)譜Fig.6 The acceleration response spectraof MS3.4 earthquake

當(dāng)阻尼比設(shè)置為5%時，加速度幅值最大，隨著阻尼比的增大，加速度值下降非常明顯。雖然阻尼參數(shù)的變化影響著加速度幅值的變化，但并沒有改變加速度曲線的整體形態(tài)，且不同阻尼參數(shù)下的加速度曲線表現(xiàn)出相同的起伏。在第1次監(jiān)測中，對2#監(jiān)測點的數(shù)據(jù)設(shè)置20%阻尼比，其加速度峰值仍然略超過設(shè)置5%阻尼比的1#監(jiān)測點；且在第2次監(jiān)測中也出現(xiàn)了相同情況，但沒有第1次顯著。

圖7 4.8級地震加速度反應(yīng)譜Fig.7 The acceleration response spectraof MS4.8 earthquake

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，砂質(zhì)泥巖場地的特征周期在0.18～0.2 s之間，而含碎石粘土層場地的特征周期在0.08 s附近，這可能是由于覆蓋層較薄、固有周期短，使得短周期地震波得到很好的響應(yīng)，但會對建筑在覆蓋層上的剛度大、自振周期短的建筑物造成嚴(yán)重破壞。在對災(zāi)區(qū)進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，部分建于覆蓋層之上的院子出現(xiàn)了多條地裂縫，并伴隨著沙土液化等現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 長寧6.0地震造成的破壞Fig.8 Damage to the house caused by the Changning MS6.0 earthquake

3 放大效應(yīng)分析

3.1 高程與微地貌放大效應(yīng)

與1#監(jiān)測點相比，2#監(jiān)測點的峰值加速度在3個方向上分別放大1.82、7.13、1.43倍，阿里亞斯強度分別放大5.82、27.02、2.73倍?？梢钥闯?，隨著高程的增加，地震的破壞性能量也隨之增大。橫向?qū)Ρ让總€監(jiān)測點不同方向的數(shù)據(jù)可以看出，無論是峰值加速度還是阿里亞斯強度，南北向數(shù)據(jù)均大于東西向與垂直向，表現(xiàn)出強烈的方向性，因此需要結(jié)合監(jiān)測點的地形特征來進(jìn)行分析。監(jiān)測點所在地形為一長條形丘陵，以監(jiān)測點為界，西部山體走向約220°，東部山體走向約60°，因此當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，山體會沿垂直或近似垂直走向發(fā)生晃動，即沿南北向發(fā)生甩動，在地震動數(shù)據(jù)中就表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢方向。

3.2 覆蓋層放大效應(yīng)

3#監(jiān)測點所處的場地為粘土夾碎石，與處于近似高程的山腳基巖處1#監(jiān)測點進(jìn)行對比，可以客觀反映出薄粘土覆蓋層對地震動的影響。與1#監(jiān)測點相比，4.8級余震中3#監(jiān)測點的峰值加速度在3個方向上分別放大2.09、2.27、2.77倍，阿里亞斯強度分別放大3.81、5.40、3.79倍。可以看出，覆蓋層場地加速度的放大沒有明顯的方向效應(yīng)，3個方向的差距均不大。即使8～9 m厚的薄粘土層，對地震動的放大效應(yīng)也十分明顯，甚至在一定范圍內(nèi)不弱于高程的影響。

3.3 巖性選頻放大效應(yīng)

監(jiān)測點收集的地震波是不同介質(zhì)傳播后的結(jié)果，地層巖性、密度、節(jié)理、裂隙等在一定程度上影響著地震動響應(yīng)。1#監(jiān)測點與2#監(jiān)測點均位于砂質(zhì)泥巖之上，當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎腩l率為0～50 Hz時，其卓越頻率為2～10 Hz，表現(xiàn)出對中低頻的放大。3#監(jiān)測點位于較密實的粘土含碎石場地，當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎腩l率為0～50 Hz時，表現(xiàn)出對30 Hz以上的高頻波過濾、對2～17 Hz地震波放大。

4 結(jié) 語

1)在相同介質(zhì)條件下，60 m高程對地震動的峰值加速度放大可達(dá)1～3倍，阿里亞斯強度放大2～5倍，且水平方向顯著強于垂直方向；由于監(jiān)測點所在山體近似為東西走向，因此在地震荷載下，山體沿南北方向的地震動峰值加速度顯著強于東西方向。

2)在相同高程條件下，僅8～9 m的含碎石粘土覆蓋層即可對地震動峰值加速度放大2倍左右，阿里亞斯強度結(jié)果也表明，覆蓋層的破壞能量強于基巖。而在該場地條件下，地震動響應(yīng)并無明顯的優(yōu)勢方向。

3)加速度反應(yīng)譜顯示，砂質(zhì)泥巖場地的特征周期在0.18～0.2 s左右，較密實粘土含碎石場地特征周期在0.08 s左右，同時粘土含碎石場地還表現(xiàn)出對30 Hz以上地震波的顯著過濾作用。此次地震的反應(yīng)加速度較大，地震能量大，雙河鎮(zhèn)的建筑物受到一定的共振作用，晃動劇烈。

4)強震山區(qū)房屋應(yīng)建設(shè)在基巖上，高程盡可能降低，避免用素填土直接填筑地基，若填筑則必須進(jìn)行夯實處理，并實測地基周期，避免與房屋周期產(chǎn)生共振。在房屋結(jié)構(gòu)上避免利用磚混結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土或框架結(jié)構(gòu)等剛度較小的柔性結(jié)構(gòu)，阻尼效果更好，可有效減輕地震破壞性。