我國(guó)黃土高原地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系研究的若干進(jìn)展

薄景山, 萬(wàn) 衛(wèi), 彭 達(dá), 段玉石, 李 琪

(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; 3. 防災(zāi)科技學(xué)院地質(zhì)工程學(xué)院, 河北 三河 065201;4. 河北省地震災(zāi)害防御與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 三河 065201)

0 引言

中國(guó)的黃土主要分布在西北、華北和東北地區(qū),尤其集中分布在陜西、甘肅、山西和寧夏等省區(qū),并具有沉積厚度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、分布范圍廣的特點(diǎn)。中國(guó)黃土的分布面積高達(dá)64萬(wàn)km2,約占中國(guó)大陸面積的6.67%,占世界黃土覆蓋面積的4.9%[1]。黃土高原地處我國(guó)南北地震帶和青藏高原東北緣地震帶上,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,局部地形多樣,溝壑縱橫,是我國(guó)中強(qiáng)地震頻發(fā)、特大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要地區(qū)。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的迅速發(fā)展和“一帶一路”倡議的深入推進(jìn),黃土高原地區(qū)已成為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重心戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的重點(diǎn)區(qū)域,地震災(zāi)害已成為制約城鎮(zhèn)和重大基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)的突出問(wèn)題。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者針對(duì)地震災(zāi)害問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作,在黃土地區(qū)地震動(dòng)衰減方面取得了一系列研究成果。地震動(dòng)的衰減問(wèn)題是黃土高原地區(qū)工程地震研究的核心問(wèn)題之一,是研究地震災(zāi)害的基礎(chǔ),也是估計(jì)工程建設(shè)場(chǎng)地地震動(dòng)的主要方法。地震動(dòng)衰減關(guān)系是黃土高原地區(qū)地震區(qū)劃和重大工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。

地震動(dòng)是指由震源釋放出來(lái)的地震波引起的地表及近地表介質(zhì)的振動(dòng)[2]。地震動(dòng)通常用地震動(dòng)物理參數(shù)和地震動(dòng)宏觀參數(shù)來(lái)表示,地震動(dòng)的物理參數(shù)主要包括地震動(dòng)峰值加速度、峰值速度、峰值位移、反應(yīng)譜、持時(shí)和強(qiáng)度包絡(luò)線參數(shù)等,地震動(dòng)的宏觀參數(shù)通常指地震烈度。劉恢先教授對(duì)烈度的定義是“地震烈度是地震時(shí)一定地點(diǎn)的地面震動(dòng)的強(qiáng)弱程度的尺度,是指該地點(diǎn)范圍內(nèi)的平均水平而言”[3]。在地震動(dòng)衰減關(guān)系研究中,主要考慮地震的震源、地震波傳播介質(zhì)和場(chǎng)地影響三個(gè)主要因素。本文在簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外地震動(dòng)衰減模型和衰減關(guān)系研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)總結(jié)和歸納了我國(guó)學(xué)者在黃土高原地區(qū)地震烈度、地震動(dòng)峰值參數(shù)和反應(yīng)譜衰減關(guān)系方面的研究成果和現(xiàn)狀。本文的工作對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)黃土高原地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究有重要的理論價(jià)值和工程意義。

1 地震動(dòng)衰減關(guān)系研究的概況

學(xué)術(shù)界對(duì)地震動(dòng)衰減的認(rèn)識(shí)源于對(duì)地震宏觀震害現(xiàn)象的考察。1564年,意大利人Gastaldi在考察濱海阿爾卑斯地震時(shí)已經(jīng)注意到了不同地區(qū)地震破壞程度不同[4],并用不同的顏色表示這種差別。1874年意大利人Rossi編制了最早有實(shí)用價(jià)值的地震烈度表,并作為地震現(xiàn)場(chǎng)考察編制地震烈度分布圖的依據(jù)。此后,大量地震烈度分布圖的積累為研究地震烈度衰減關(guān)系提供了豐富的資料。這時(shí)人們已經(jīng)意識(shí)到地震的破壞程度和震中距有關(guān)。

1890年,英國(guó)學(xué)者M(jìn)ilne、Ewing和Gray共同研制了可以精確測(cè)量地震時(shí)地震位移的現(xiàn)代地震儀[5],20世紀(jì)初在英國(guó)的地震觀測(cè)中應(yīng)用,并能夠較準(zhǔn)確的確定地震的震中位置。1931-1932年,日本學(xué)者Suyehiro受美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)的邀請(qǐng)?jiān)诿绹?guó)各大學(xué)演講,題目為“Engineering Seismology”[6]。Suyehiro在演講中強(qiáng)調(diào)了需要關(guān)注破壞性地震動(dòng)的觀測(cè)記錄和建筑物振動(dòng)性能的測(cè)量資料,這引起了美國(guó)海岸與大地測(cè)量局的重視。1932年,由美國(guó)工程師Freeman主持研制出了世界上第一臺(tái)模擬式強(qiáng)震加速度儀(USCGS型),并投入使用。同年,在美國(guó)長(zhǎng)灘利用該儀器獲取了世界強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)史上第一條強(qiáng)震記錄。強(qiáng)震觀測(cè)提供的加速度時(shí)程曲線為提取地震動(dòng)的物理參數(shù)提供了數(shù)據(jù)資料,為地震動(dòng)衰減關(guān)系研究奠定了基礎(chǔ)。

1935年,美國(guó)地震學(xué)家Richter通過(guò)對(duì)美國(guó)南加州地區(qū)淺源地震的研究提出了衡量地震大小的標(biāo)度和計(jì)算公式,并在美國(guó)學(xué)者Wood的建議下采用震級(jí)“magnitude”這一名詞,以區(qū)別于烈度“intensity”[7]。在Richter提出近震震級(jí)(ML)計(jì)算公式后,美國(guó)地震學(xué)家Gutenberg給出了面波震級(jí)(MS)和體波震級(jí)(Mb)的定義和計(jì)算公式[8-9]。震級(jí)概念和計(jì)算方法的提出及應(yīng)用為研究地震動(dòng)的衰減與震級(jí)的關(guān)系提供了基礎(chǔ)。1943年美國(guó)地震學(xué)家Biot完整地提出了反應(yīng)譜的概念,并給出了世界上第一個(gè)地震反應(yīng)譜;1947年,美國(guó)地震工程學(xué)家Housner將反應(yīng)譜應(yīng)用于工程抗震設(shè)計(jì)[10]。

可見(jiàn),上述地震學(xué)和工程地震學(xué)的研究和發(fā)展為地震動(dòng)衰減關(guān)系研究奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),工程地震學(xué)、地震工程學(xué)和結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)的發(fā)展也對(duì)地震動(dòng)衰減關(guān)系研究提出了迫切需求;特別是地震危險(xiǎn)性分析、地震區(qū)劃和重大工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)等工作極大地推動(dòng)了地震動(dòng)衰減關(guān)系研究和發(fā)展。

地震動(dòng)衰減關(guān)系研究可追溯到20世紀(jì)40年代。Gutenberg和Richter依據(jù)美國(guó)加州地區(qū)的地震烈度和強(qiáng)震觀測(cè)資料,在研究震級(jí)、震中烈度、震中加速度和地震釋放能量關(guān)系的基礎(chǔ)上,給出了震中加速度與震級(jí)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式和加速度隨距離的衰減關(guān)系式[11-12]。

我國(guó)地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究工作大致始于20世紀(jì)60年代[13],70年代后主要是圍繞全國(guó)地震區(qū)劃圖的編制和重大工程抗震設(shè)計(jì)的需要開(kāi)展了大量有關(guān)地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究工作。我國(guó)研究者霍俊榮[14]、王國(guó)新[15]、俞言祥[16]、王海江[17]、肖亮[18-19]、盧建旗[20]、萬(wàn)衛(wèi)[21]、陶正如等[22]、劉平等[23]對(duì)不同時(shí)期地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究做了比較全面的總結(jié)和評(píng)述。總體上看,地震動(dòng)衰減研究是以實(shí)際的觀測(cè)資料為基礎(chǔ),它強(qiáng)烈依賴現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和觀測(cè)資料的積累,資料的數(shù)量和質(zhì)量決定了所得結(jié)果的可靠性,并且地震動(dòng)衰減關(guān)系的區(qū)域性特點(diǎn)顯著。

地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究方法主要由統(tǒng)計(jì)分析方法、強(qiáng)地震動(dòng)模擬方法(也稱半理論半經(jīng)驗(yàn)方法)和Next Generation of Ground-Motion Attenuation Models (簡(jiǎn)稱NGA)方法等。統(tǒng)計(jì)分析方法始于20世紀(jì)40年代,主要是統(tǒng)計(jì)地震烈度、峰值加速度、峰值速度和反應(yīng)譜譜值隨震級(jí)與震中距的關(guān)系,這一方法存在的主要問(wèn)題是由于統(tǒng)計(jì)資料不夠充分而使擬合的結(jié)果具有較大的誤差。

強(qiáng)地震動(dòng)模擬方法始于20世紀(jì)80年代,這一方法主要是基于震源模型和震源輻射譜模型,建立震源和地震波傳播的數(shù)學(xué)模型,給出理論加速度圖,并用以估計(jì)給定地點(diǎn)的基巖地震動(dòng)。該方法主要是針對(duì)強(qiáng)震觀測(cè)資料缺乏和統(tǒng)計(jì)分析方法無(wú)法考慮地震類型、斷層破裂過(guò)程以及傳播介質(zhì)耗能特性等問(wèn)題而提出的。該方法主要存在深部介質(zhì)參數(shù)獲取及可靠性檢驗(yàn)的困難,給出的計(jì)算結(jié)果常與實(shí)際地震動(dòng)有較高的偏離。

NGA方法源自美國(guó)在21世紀(jì)初開(kāi)始的NGA計(jì)劃,這是一項(xiàng)多學(xué)科參與的研究項(xiàng)目,其目的是在廣泛收集全球強(qiáng)震觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上,綜合考慮地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)、巖土工程等方面的信息,通過(guò)開(kāi)展廣泛的相互合作來(lái)建立新的地震動(dòng)衰減關(guān)系。2008年,NGA計(jì)劃的5個(gè)專家組分別提出了5組衰減關(guān)系[24-28],較好地表述了與地震動(dòng)有關(guān)的多種效應(yīng)的影響,已被美國(guó)地震動(dòng)區(qū)劃圖編圖采納。除上述方法外,在缺乏強(qiáng)震記錄的地區(qū),由于抗震設(shè)計(jì)等的需求,研究者還提出了利用烈度資料估計(jì)缺乏強(qiáng)震記錄地區(qū)的地震動(dòng)的方法。Gutenberg等[11]、Trifunca等[29]、McGuire[30-31]、Campbell[32]、Hasegawa等[33]、胡聿賢等[34-35]、田啟文等[36]、霍俊榮等[37]在這方面做了大量的研究工作。我國(guó)在地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖的編制中,參考并使用了美國(guó)西部地震資料,通過(guò)轉(zhuǎn)換方法建立了我國(guó)地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系。

目前,在上述地震動(dòng)衰減關(guān)系研究方法中,工程上常用的是統(tǒng)計(jì)分析方法。這一方法隨著地震烈度和強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)資料的不斷積累,其結(jié)果的可靠性也在不斷提高。統(tǒng)計(jì)分析方法主要涉及4個(gè)問(wèn)題:(1)統(tǒng)計(jì)樣本的數(shù)量和質(zhì)量。在保證樣本質(zhì)量的前提下,樣本數(shù)量應(yīng)滿足統(tǒng)計(jì)的基本要求,就地震動(dòng)統(tǒng)計(jì)而言,至少應(yīng)有10個(gè)以上樣本才能滿足統(tǒng)計(jì)的要求。(2)地震動(dòng)衰減模型,即地震動(dòng)衰減關(guān)系的函數(shù)形式。理論上,地震動(dòng)的衰減特征受震源、傳播介質(zhì)和場(chǎng)地條件的影響,因此在衰減模型中應(yīng)包括描述震源的參數(shù)(通常用震級(jí)表示)、描述傳播路徑的參數(shù)(通常用距離表示)和描述場(chǎng)地條件的參數(shù)(用場(chǎng)地類型表示,基巖用0表示,硬土用1表示,軟土用2表示)。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為,最早明確用震級(jí)M和距離R表示地震動(dòng)衰減的模型是日本學(xué)者Kanai在1961年建立的[38]。隨著研究工作的深入和考慮因素的不斷增加,地震動(dòng)衰減模型越來(lái)越復(fù)雜,各國(guó)研究者提出了若干地震動(dòng)衰減模型,本文總結(jié)了主要模型,并列于表1。(3)回歸方法,即衰減方程中系數(shù)的確定方法。最小二乘法是確定地震動(dòng)衰減關(guān)系中系數(shù)最常用的方法,這是非線性多元回歸問(wèn)題,為了解決樣本分布不均勻問(wèn)題,常使用等權(quán)回歸法;針對(duì)震級(jí)和距離的耦合問(wèn)題,Joyner等提出了兩步回歸法[39];王國(guó)新等[40]、肖亮等[41]、Fukushima等[42]還提出了新的分步回歸法。(4)地震動(dòng)參數(shù)的選擇,主要包含地震動(dòng)的宏觀參數(shù)和物理參數(shù)。

表1 地震動(dòng)衰減關(guān)系主要模型列表

在收集和整理地震樣本資料的基礎(chǔ)上,選定地震動(dòng)衰減模型,利用統(tǒng)計(jì)回歸的方法給出衰減模型中的系數(shù)值,從而確定地震動(dòng)的衰減關(guān)系。楊偉松等[43]總結(jié)了不同研究者給出的我國(guó)不同地區(qū)的烈度衰減關(guān)系,并給出了我國(guó)南北地震帶的地震烈度衰減關(guān)系。本文整理了國(guó)內(nèi)外部分地震動(dòng)衰減關(guān)系列于表2。限于篇幅,本文只給出烈度和峰值加速度的衰減關(guān)系。需要強(qiáng)調(diào)的是,地震烈度的衰減關(guān)系是對(duì)“平均場(chǎng)地”而言,且大多數(shù)為Ⅱ類場(chǎng)地。通常,地震烈度的衰減關(guān)系不區(qū)分場(chǎng)地的影響。由于土層場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)物理參數(shù)影響的復(fù)雜性,土層場(chǎng)地地震動(dòng)衰減的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。目前我國(guó)工程界通常是先采用基巖衰減關(guān)系獲得場(chǎng)地基巖的地震動(dòng)參數(shù),再利用土層地震反應(yīng)分析技術(shù)確定土層場(chǎng)地的地震動(dòng)參數(shù)。國(guó)外工程界對(duì)土層場(chǎng)地地震反應(yīng)的處理方式與中國(guó)基本一致。

表2 部分地區(qū)地震烈度、峰值加速度衰減關(guān)系列表

2 黃土高原地區(qū)地震烈度衰減關(guān)系研究進(jìn)展

地震烈度的評(píng)定指標(biāo)主要包括房屋震害、人的感覺(jué)、器物反應(yīng)、生命線工程震害、其他震害現(xiàn)象和儀器測(cè)定的地震烈度[54]。由于在地震烈度評(píng)定中大多未提供詳細(xì)的場(chǎng)地信息,這使得考慮場(chǎng)地條件的地震烈度衰減關(guān)系研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。實(shí)際上,場(chǎng)地條件對(duì)地震烈度的影響十分顯著。早在20世紀(jì)90年代,孫平善等[55]對(duì)華北地區(qū)平原和山區(qū)地震烈度衰減規(guī)律進(jìn)行了比較研究,得出的結(jié)論是山區(qū)地震烈度較平原地震烈度衰減得快,當(dāng)烈度衰減一度時(shí),平原和山區(qū)的相應(yīng)震中距增加的距離之比平均為3/2;若綜合震中烈度的影響,在相同震級(jí)時(shí),山區(qū)60 km處的影響烈度大致相當(dāng)于平原100 km處的影響烈度?；艨s等[56]、郁曙君[57]、苗慶杰等[58]以及田家勇等[59]的研究成果也充分地說(shuō)明了場(chǎng)地的地形地貌和巖土性質(zhì)對(duì)地震烈度衰減的影響較大。上述研究工作表明,地震烈度的衰減與場(chǎng)地條件密切相關(guān),具有強(qiáng)烈的區(qū)域特性,在不同區(qū)域內(nèi),根據(jù)場(chǎng)地條件統(tǒng)計(jì)分析地震烈度的衰減關(guān)系是烈度衰減研究的一個(gè)重要方向。必須強(qiáng)調(diào),黃土是在我國(guó)分布十分廣泛的特殊土,具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性,針對(duì)黃土高原地區(qū)開(kāi)展地震烈度衰減關(guān)系研究具有重大的理論和工程意義。

盡管對(duì)黃土地震災(zāi)害的研究早在1920年海原特大地震發(fā)生后就已經(jīng)開(kāi)始[60],并且在編制地震烈度區(qū)劃圖[61-62]和地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[63-64]時(shí)涉及了黃土所在地區(qū)地震烈度的衰減問(wèn)題,但針對(duì)黃土覆蓋地區(qū)(主要是陜、甘、寧、青、蒙、晉、冀等省區(qū))開(kāi)展地震烈度衰減關(guān)系的研究卻始于20世紀(jì)80年代。1989年,阮愛(ài)國(guó)等[65]根據(jù)黃土地區(qū)的地形地貌、黃土成因和厚度等條件,將研究區(qū)劃分為甘肅西部及青海東部、陜西盆地、隴東及陜北和汾渭河谷4個(gè)區(qū)段,利用研究區(qū)內(nèi)38次歷史地震等震線資料給出了4個(gè)區(qū)的地震烈度衰減關(guān)系。在此之后,若干研究者根據(jù)工程或研究工作的需要,在黃土地區(qū)或針對(duì)黃土高原地區(qū)開(kāi)展了大量研究工作。本文將目前我國(guó)不同研究者給出的黃土高原地區(qū)的地震烈度衰減關(guān)系進(jìn)行了整理,并列于表3。分析現(xiàn)有的研究成果不難發(fā)現(xiàn),黃土覆蓋地區(qū)的地震烈度衰減較附近的非黃土地區(qū)明顯緩慢,震級(jí)越大這種現(xiàn)象越明顯,這與宏觀震害現(xiàn)象比較一致。

表3 我國(guó)黃土高原地區(qū)有關(guān)地震烈度衰減關(guān)系列表

3 黃土高原地區(qū)地震動(dòng)峰值衰減關(guān)系的研究進(jìn)展

地震動(dòng)的特性通常由地震動(dòng)時(shí)間過(guò)程的幅值、頻譜和特時(shí)三個(gè)要素來(lái)表述。地震動(dòng)峰值是表述地震動(dòng)幅值的重要指標(biāo),主要包括峰值加速度、峰值速度和峰值位移等參數(shù)。由于在工程抗震設(shè)計(jì)中需要這些參數(shù),因此在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的需要給出場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值,在地震動(dòng)峰值的預(yù)測(cè)中需要建立地震動(dòng)峰值的衰減關(guān)系。由于強(qiáng)震記錄的缺乏,目前我國(guó)地震動(dòng)峰值的衰減關(guān)系主要是利用胡聿賢提出的轉(zhuǎn)換法建立出我國(guó)基巖的地震動(dòng)峰值衰減關(guān)系[34-35],并利用這一關(guān)系預(yù)測(cè)工程場(chǎng)地基巖的地震動(dòng)參數(shù)。在給出場(chǎng)地基巖人工合成地震動(dòng)時(shí)程的條件下,通常是通過(guò)土層反應(yīng)分析方法計(jì)算供設(shè)計(jì)使用的土層地震動(dòng)峰值加速度等參數(shù)[81]。由于土層場(chǎng)地復(fù)雜性和強(qiáng)震記錄的缺乏,我國(guó)地震動(dòng)峰值參數(shù)的衰減關(guān)系以基巖場(chǎng)地為主,土層場(chǎng)地地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減關(guān)系的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。20世紀(jì)90年代,霍俊榮等[56]根據(jù)美國(guó)西部291個(gè)土層臺(tái)站的強(qiáng)震記錄給出了美國(guó)西部土層場(chǎng)地的峰值加速度、峰值速度和峰值位移的衰減關(guān)系。同時(shí),霍俊榮等[37]還通過(guò)轉(zhuǎn)換的方法,利用美國(guó)西部的地震烈度和地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減關(guān)系給出了中國(guó)華北、華南、西南和西北4個(gè)分區(qū)基巖和土層的地震動(dòng)峰值加速度、峰值速度和峰值位移的衰減關(guān)系。我國(guó)在編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306-2001時(shí),利用轉(zhuǎn)換的方法給出了中國(guó)東部和西部基巖的有效峰值加速度(Effective Peak Acceleration,簡(jiǎn)稱EPA)和有效峰值速度(Effective Peak Velocity,簡(jiǎn)稱EPV)的衰減關(guān)系[63]。在編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306-2015時(shí),同樣利用轉(zhuǎn)換方法給出了我國(guó)青藏區(qū)、新疆區(qū)、東部強(qiáng)震區(qū)和中強(qiáng)地震區(qū)4個(gè)分區(qū)的EPA和EPV衰減關(guān)系[64]。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料看,針對(duì)黃土高原地區(qū)的地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減關(guān)系始于20世紀(jì)80年代,丁伯陽(yáng)等[82]將中國(guó)歷史地震烈度資料區(qū)分為黃土區(qū)和基巖區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),在此基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)比美國(guó)西部地區(qū)的資料,用烈度距離法給出了中國(guó)黃土高原地區(qū)的基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系,并提出把黃土區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)以0.6向基巖區(qū)折減,或在基巖區(qū)以1.67向黃土區(qū)放大,以考慮土層放大的影響。楊帆等[83]利用汶川特大地震在陜西、甘肅、青海和寧夏黃土地區(qū)土層場(chǎng)地的1 221條強(qiáng)震記錄,通過(guò)直接擬合的方法給出了黃土高原地區(qū)水平向和豎直向加速度峰值衰減關(guān)系。目前,黃土地區(qū)地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減關(guān)系的研究主要是利用轉(zhuǎn)換方法,以美國(guó)西部為參考區(qū),利用轉(zhuǎn)換方法給出黃土地區(qū)基巖地震動(dòng)峰值參數(shù)的衰減關(guān)系。利用統(tǒng)計(jì)方法建立黃土地區(qū)地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減關(guān)系存在3方面的困難:(1)缺乏足夠的強(qiáng)震記錄,特別是不同場(chǎng)地類別的強(qiáng)震記錄;(2)黃土場(chǎng)地盡管土的類別和性質(zhì)比較單一,但地形復(fù)雜,若考慮黃土局部地形的條件確定地震動(dòng)峰值參數(shù)的衰減關(guān)系就更加困難;(3)黃土高原地區(qū)覆蓋層的厚度差別較大,覆蓋層厚度對(duì)地震動(dòng)峰值參數(shù)的衰減影響較大,綜合考慮土層厚度的影響給出地震動(dòng)峰值參數(shù)的衰減關(guān)系難度更大。本文收集和整理了黃土高原地區(qū)或與黃土地區(qū)有關(guān)的地震動(dòng)峰值參數(shù)的衰減關(guān)系列于表4。表中給出的主要是黃土高原地區(qū)基巖地震動(dòng)峰值加速度、峰值速度和峰值位移的衰減關(guān)系,這些衰減關(guān)系大多是以美國(guó)西部為參考地區(qū),通過(guò)轉(zhuǎn)換方法給出的。

表4 我國(guó)黃土高原地區(qū)有關(guān)地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減關(guān)系列表

4 黃土高原地區(qū)反應(yīng)譜衰減關(guān)系研究進(jìn)展

反應(yīng)譜是反映地震動(dòng)特性的重要參數(shù),既是分析和研究地震動(dòng)特性的有效手段,又是計(jì)算結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的重要工具。在工程抗震中,需要給出建設(shè)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜,地震動(dòng)反應(yīng)譜的衰減關(guān)系是預(yù)測(cè)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的重要工具。因此,反應(yīng)譜衰減關(guān)系的研究在工程抗震領(lǐng)域備受重視。由于強(qiáng)震記錄的缺乏,在我國(guó)針對(duì)黃土地區(qū)的反應(yīng)衰減關(guān)系的研究進(jìn)展相對(duì)比較緩慢,已有研究大多是針對(duì)黃土地區(qū)基巖的反應(yīng)譜,且主要是利用美國(guó)西部的資料,通過(guò)轉(zhuǎn)換的方法給出其衰減關(guān)系。在工程應(yīng)用中,利用等效震級(jí)、等效震中距、基巖反應(yīng)譜、基巖地震動(dòng)強(qiáng)度包絡(luò)線參數(shù)等來(lái)人工合成場(chǎng)地基巖的地震動(dòng)加速度時(shí)程。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)土層地震反應(yīng)分析技術(shù)計(jì)算地表或指定層位的加速度時(shí)程;利用加速度時(shí)程給出不同阻尼比的反應(yīng)譜,供抗震設(shè)計(jì)使用。

反應(yīng)譜的衰減關(guān)系通常利用相同阻尼比反應(yīng)譜的相同周期點(diǎn)譜值隨震級(jí)和震中距的變化來(lái)描述,一系列周期點(diǎn)的衰減就構(gòu)成了反應(yīng)譜的衰減關(guān)系。1988年,丁伯陽(yáng)等[82]利用甘、陜、寧、晉四省區(qū)和青海、內(nèi)蒙古、河南和四川部分地區(qū)的地震烈度資料,采用烈度距離法,對(duì)比美國(guó)西部資料,首次給出了針對(duì)中國(guó)黃土地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系。早在1986年,田啟文等[36]就已根據(jù)烈度資料估算了涉及黃土的我國(guó)華北地區(qū)基巖加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系。在此之后的一些加速度反應(yīng)譜衰減的研究工作,雖未將黃土高原地區(qū)單獨(dú)分區(qū)研究,但其研究成果也涉及到了黃土高原地區(qū)。本文收集和整理了有關(guān)黃土高原地區(qū)反應(yīng)譜衰減關(guān)系的研究成果列于表5。從表中可見(jiàn),我國(guó)黃土高原地區(qū)絕大部分加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系是以美國(guó)西部為參考地區(qū),通過(guò)轉(zhuǎn)換方法給出,其合理性需要通過(guò)豐富的強(qiáng)震記錄加以檢驗(yàn)。利用強(qiáng)震觀測(cè)資料給出黃土高原地區(qū)的加速度反應(yīng)譜的衰減關(guān)系是工程地震學(xué)今后的一個(gè)重要研究課題,對(duì)黃土地區(qū)的工程建設(shè)有重要意義。

表5 涉及黃土高原地區(qū)的加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系研究成果列表

5 關(guān)于黃土高原地區(qū)地震動(dòng)衰減問(wèn)題的研究建議

從上述總結(jié)和評(píng)述可以看出,對(duì)黃土地區(qū)地震烈度的衰減關(guān)系研究得較多,并取得了比較豐富的成果。這些研究成果主要是針對(duì)不同的黃土區(qū)域給出了地震烈度的衰減關(guān)系。這些成果基本能夠滿足工程抗震中對(duì)烈度指標(biāo)的需求,但針對(duì)我國(guó)整個(gè)黃土覆蓋區(qū)域地震烈度衰減關(guān)系研究不夠。在地震動(dòng)峰值參數(shù)及反應(yīng)譜衰減關(guān)系研究方面,由于強(qiáng)震觀測(cè)資料的缺乏,大量的研究工作是以美國(guó)西部地區(qū)為參考地區(qū),利用我國(guó)較為豐富的地震烈度資料,通過(guò)胡聿賢等提出的轉(zhuǎn)換方法而給出其地震動(dòng)峰值參數(shù)和反應(yīng)譜的衰減關(guān)系,這些研究工作大多只給出黃土及相關(guān)地區(qū)基巖場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值參數(shù)和加速度反應(yīng)譜的衰減關(guān)系,而針對(duì)黃土高原地區(qū)土層場(chǎng)地的地震動(dòng)物理參數(shù)衰減關(guān)系研究幾乎為空白。針對(duì)這一研究現(xiàn)狀,本文對(duì)黃土高原地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究提出如下建議:

(1) 加強(qiáng)黃土地區(qū)強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)和強(qiáng)震觀測(cè)資料的積累。

建立地震動(dòng)物理參數(shù)的衰減關(guān)系強(qiáng)烈地依賴于強(qiáng)震觀測(cè)資料的積累,為深入研究黃土地區(qū)地震動(dòng)的衰減關(guān)系,建議在黃土地震多發(fā)區(qū)有針對(duì)性地布置能夠覆蓋黃土地區(qū)的強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng),并建立黃土地區(qū)強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),為開(kāi)展黃土地區(qū)地震動(dòng)研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2) 收集和整理黃土地區(qū)地震烈度資料,補(bǔ)充已有烈度資料必要的場(chǎng)地信息。

新中國(guó)成立后,我國(guó)地震工作者收集和整理了大量歷史地震資料,在編制歷代地震區(qū)劃圖時(shí),也整理了大量地震烈度資料,特別是在編制第二代區(qū)劃圖時(shí)系統(tǒng)地整理了我國(guó)大量的歷史地震資料[84]。但這些資料大多缺少場(chǎng)地信息,建議收集和整理黃土地區(qū)地震烈度資料,必要時(shí)補(bǔ)充有關(guān)的場(chǎng)地信息,并建立黃土地區(qū)地震烈度數(shù)據(jù)庫(kù),這對(duì)研究不同場(chǎng)地的烈度衰減關(guān)系有重要意義。

(3 )研究適合于黃土高原地區(qū)的地震動(dòng)物理參數(shù)的衰減模型。

目前,地震動(dòng)物理參數(shù)的衰減模型較多,不同的研究者從不同的角度給出了不同的衰減模型。由于黃土是一種特殊土,有其獨(dú)特的形成過(guò)程和環(huán)境,因此,建議在實(shí)際檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究何種模型更適合于黃土高原地區(qū),并給出誤差可接受的針對(duì)黃土地震動(dòng)物理參數(shù)的衰減模型。

(4) 建立針對(duì)黃土高原地區(qū)地震烈度衰減模型和衰減關(guān)系。

在選擇適合于黃土高原地區(qū)地震烈度衰減模型的基礎(chǔ)上,利用黃土高原地區(qū)較為豐富的地震烈度資料,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸分析建立黃土地區(qū)(場(chǎng)地)地震烈度的衰減關(guān)系。在保證統(tǒng)計(jì)資料的數(shù)量和質(zhì)量的前提下,最好根據(jù)黃土高原地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和工程地質(zhì)特征,分區(qū)建立地震烈度的衰減關(guān)系。對(duì)所建立的地震烈度衰減關(guān)系應(yīng)該用已有的烈度資料進(jìn)行檢驗(yàn),以驗(yàn)證其衰減關(guān)系的合理性。

(5) 嘗試針對(duì)黃土高原地區(qū)建立地震動(dòng)峰值參數(shù)和加速度反應(yīng)譜的衰減關(guān)系。

近十幾年來(lái),我國(guó)在黃土高原地區(qū)積累了一定數(shù)量的強(qiáng)震記錄,盡管數(shù)量還不夠充足,但可以嘗試建立黃土高原地區(qū)中強(qiáng)地震的地震動(dòng)峰值參數(shù)和加速度反應(yīng)譜的衰減關(guān)系。建議同時(shí)建立基巖和土層的地震動(dòng)衰減關(guān)系,比較以美國(guó)西部為參考地區(qū)利用轉(zhuǎn)換方法獲得的基巖衰減關(guān)系的差別,并借助于土層地震反應(yīng)分析的方法驗(yàn)證衰減模型和衰減關(guān)系的合理性。這一工作對(duì)黃土高原地區(qū)的工程建設(shè)有重要的應(yīng)用價(jià)值。

(6) 建立黃土高原地區(qū)地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間的衰減關(guān)系。

地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指地震動(dòng)加速度時(shí)程中振動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈段的持續(xù)時(shí)間(通常簡(jiǎn)稱持時(shí))。地震動(dòng)持時(shí)在結(jié)構(gòu)抗震時(shí)程分析中有重要作用,利用地震動(dòng)持時(shí)的衰減關(guān)系可以預(yù)測(cè)建設(shè)場(chǎng)地不同地震的持續(xù)時(shí)間。利用黃土高原地區(qū)現(xiàn)有的強(qiáng)震記錄可探索建立適合于黃土高原地區(qū)的中強(qiáng)地震持時(shí)的衰減關(guān)系。

(7) 開(kāi)展黃土高原地區(qū)地震動(dòng)強(qiáng)度包絡(luò)線控制參數(shù)衰減關(guān)系研究。

地震動(dòng)強(qiáng)度包絡(luò)線衰減是指地震動(dòng)強(qiáng)度包絡(luò)線隨震級(jí)、距離變化的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。不同包絡(luò)線模型的控制參數(shù)不同,我國(guó)工程界常采用三段式(上升段、平穩(wěn)段和下降段)的包絡(luò)函數(shù)模型[85]。這一模型的控制參數(shù)為強(qiáng)震平穩(wěn)段的起始時(shí)刻t1、結(jié)束時(shí)刻t2和控制下降段快慢的指數(shù)C。建議開(kāi)展黃土高原地區(qū)t1、t2和C等參數(shù)的研究,分別建立t1、t2和C與地震震級(jí)和距離R的關(guān)系。黃土高原地區(qū)地震動(dòng)強(qiáng)度包絡(luò)線控制參數(shù)衰減關(guān)系研究成果可用于黃土地區(qū)人造地震動(dòng)的生成。

(8) 研究黃土高原地區(qū)場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)衰減的影響。

我國(guó)學(xué)者在黃土場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響方面開(kāi)展了大量研究工作。石玉成等[86]研究了黃土覆蓋層厚度和地形條件對(duì)地震動(dòng)放大效應(yīng)的影響;陳拓等[87]研究了黃土地區(qū)場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)放大效應(yīng)的影響;姚凱等[88]、劉薇等[89]、萬(wàn)秀紅等[90]分別從不同角度研究了黃土覆蓋層厚度對(duì)地震動(dòng)的影響;馬林偉等[91]、夏坤等[92]分別研究了丘陵河谷地貌和黃土塬的地震動(dòng)響應(yīng)特征;吳志堅(jiān)等[93]、夏坤等[94-95]還研究了汶川特大地震對(duì)遠(yuǎn)震區(qū)黃土場(chǎng)地地震動(dòng)的影響。本文建議將上述研究成果應(yīng)用到地震衰減關(guān)系研究中,充分考慮黃土高原地區(qū)覆蓋層厚度、地形地貌等對(duì)地震動(dòng)衰減的影響,建立考慮場(chǎng)地條件的黃土高原地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

由于氣候條件和歷史的原因,黃土高原地區(qū)的工程建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展,黃土高原地區(qū)的工程建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展將步入新的快速發(fā)展階段,城鎮(zhèn)化和大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也將對(duì)黃土高原地區(qū)的工程抗震提出更加迫切的需求。長(zhǎng)期以來(lái),地震災(zāi)害和地質(zhì)災(zāi)害是制約黃土高原地區(qū)工程建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素,黃土的抗震問(wèn)題一直是工程抗震研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。地震烈度衰減關(guān)系問(wèn)題、地震動(dòng)峰值參數(shù)及加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系問(wèn)題是工程抗震研究的基礎(chǔ)。我國(guó)地震烈度資料相對(duì)比較豐富,基本具備研究黃土高原地區(qū)地震烈度衰減關(guān)系的基礎(chǔ)。強(qiáng)震資料的不足一直是制約我國(guó)地震動(dòng)峰值參數(shù)和加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系研究的瓶頸問(wèn)題,但我國(guó)強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)在不斷發(fā)展,汶川特大地震后及近年來(lái)發(fā)生的地震已在黃土地區(qū)獲取了一定數(shù)量的強(qiáng)震記錄,可探索利用這些資料建立黃土高原地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系。探索研究黃土高原地區(qū)地震烈度、地震動(dòng)峰值參數(shù)及反應(yīng)譜的衰減關(guān)系,對(duì)促進(jìn)黃土地區(qū)工程抗震研究及工程建設(shè)具有重要的理論和實(shí)際意義。針對(duì)特殊土開(kāi)展地震動(dòng)衰減關(guān)系研究也具有重要的科學(xué)意義。