基于譜元法的玉田震害異常研究

李孝波

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

種新的表示場地至地震源（site-to-source）距離的形式——凹凸體距，并驗證了其相比目前常用的破裂距、斷層距和震源距更能科學近似地表示大震中場地至地震源的距離，解決了廣義反演方法不適用于大地震的局限性。

（5）提出了將S變換應用于場地地震反應的非線性識別與分析的研究思路，與GIT法和HVSR法分別對33個強震動臺站在汶川地震主震中的場地地震反應進行非線性識別與分析。結果表明，當地震動PGA＞300cm/s2或PGV＞20cm/s時，場地地震反應出現明顯的非線性現象，對應臺站051AXT、051GYS、051GYZ、051JYC、051JYD、051JYH、051JZW、051MXN、051SFB和062WUD，在汶川地震主震中產生了顯著的場地非線性反應。通過與GIT法和HVSR法的研究結果進行比較，證實S變換在時域內可有效地進行場地反應的非線性識別，并且較頻域方法具有能識別非線性發生的具體時間的優點。

（6）在對汶川地震場地地震反應進行非線性識別過程中，分析了GIT法和HVSR法獲得的弱、強地面運動作用下的場地卓越頻率之比RFp與地震動水平PGA、PGV以及場地系數VS20、VS30之間的相關性。結果顯示，RFp與PGA、PGV存在較強的正相關性，卻與VS20、VS30弱相關。提出了一種新的定義場地反應非線性程度的參數——ADNL，計算了各臺站的ADNL值以及其他類似參數fNL、DNL和PNL，并與地震動參數PGA進行經驗回歸分析，結果顯示，各參數與PGA都存在強烈相關性。

關鍵詞強震動記錄；汶川地震；場地效應；場地分類；場地反應；非線性；HVSR；廣義反演；S變換

中圖分類號：P315.9；

文獻標識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.04.009

（作者電子信箱，任葉飛：renyefei@iem.net.cn）

基于譜元法的玉田震害異常研究

李孝波

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

玉田低烈度異常區位于河北省玉田縣的中北部地區，該區在1679年三河—平谷8.0級特大地震和1976年唐山7.8級大地震中都表現出了明顯的低烈度異?，F象，是典型的低烈度異常區。唐山大地震以后，國內外眾多學者對其異常的原因進行了較為深入的研究，取得了豐富的研究成果。作為一種探索，本文在已有研究成果的基礎上，采用譜元法對異常原因進行了更為深入的研究。譜元法屬于廣義有限元法，是一種新的地震動數值模擬方法，具有計算精度高、收斂快以及易于實現并行運算等優點，用其進行數值模擬計算能大大減少內存需求和計算時間。近年來，該法取得了較快的發展，目前已成為進行大尺度、復雜地質結構模型地震動數值模擬分析的重要工具。破壞性地震震害異常機理的探索是進行場地條件對地震動影響研究的核心問題之一。本文為震害異常機理的研究提供了一種新的方法，這一工作對促進震害異常機理以及場地條件對地震動影響的研究具有重要的理論和實際意義。

本文在對震害異常產生原因和研究進展進行詳細歸納和總結的基礎上，通過對玉田低烈度異常區已有研究成果和收集資料的分析，重點從基巖地形和土層特性兩個方面，對玉田地區3個計算剖面的地震動反應進行了譜元法模擬，研究了玉田低烈度異常區的異常機理，得到了若干有意義的結論。本文取得的主要研究成果如下：

（1）建立了玉田地區105m深度內的土層波速結構模型。根據收集的68個鉆孔數據，從鉆孔深度、覆蓋層厚度、土層剪切波速以及場地類別4個方面對玉田地區土層的波速特性進行了詳細分析，擬合得到了黏性土、砂土和碎石土剪切波速隨深度變化的經驗公式，再結合不同土層的波速特征，以平均剪切波速作為分類指標對玉田地區的土體進行了分層統計，建立了該區105m深度內的土體波速結構模型。

（2）研究了基巖地形特征對地表地震動強度的影響。在對簡單基巖凸起模型理論分析的基礎上，通過對簡單基巖地形模型的譜元法分析，從多個方面探討了基巖凹陷或凸起地形對地表地震動強度的影響。結果表明，基巖凹陷或凸起地形的存在改變了地震波的入射角度，在使其出現多次折射與反射現象的同時，也使傳播至凹凸變化區域的地震波向內匯聚或向外發散，從而導致與該區域相對應地表處的地震動強度整體得到加強或減弱，形成地震動強度相對增強區或減弱區。地震動強度相對增強區的范圍較基巖凹陷區小，兩者的比值隨著基巖凹陷地形陡度和覆蓋層厚度的增大而逐漸減小。地震動強度相對減弱區的范圍較基巖凸起區大，兩者的比值隨著基巖凸起地形陡度和覆蓋層厚度的增大而逐漸增大。

（3）研究了玉田地區基巖地形對震害異常的影響。通過對玉田地區3個剖面6個基巖地形模型的譜元法分析，探討了各剖面中基巖地形的變化對地表地震動強度的影響。結果表明，玉田地區地表地震動的強度受基巖地形凹凸變化的影響，且這種影響在玉田地區的南北方向上表現得較為明顯。玉田縣城下基巖凸起地形的存在，降低了城區內大部分區域的地震動強度，形成了地震動強度相對減弱區；而縣城以北區域下基巖槽形洼地的存在，則增大了該區的地震動強度，形成了地震動強度相對增強區。相對增強區內的地震動強度為相對減弱區的2倍左右。地震動強度相對減弱區與震害異常區相對應，且其范圍較基巖凸起區大。

（4）研究了玉田地區土體對震害異常的影響。通過對玉田低烈度異常區內外土體模型的譜元法分析，從地震動強度和頻譜特性兩個方面，探討了同一地震作用下異常區內外土體地震動反應的異同。結果表明，在0～105m的深度范圍內，玉田異常區內外土體的地震動強度相差不大，且都具有大致相同的頻譜特性。異常區內外土體對較低頻段（異常區內為0.67～3.17Hz，異常區外為0.67～2.94Hz）地震波都具有明顯的放大作用，而對高頻段（6 Hz左右）地震波則都具有一定的吸收作用，并且這種放大、吸收作用在水平方向上表現得尤為明顯。

（5）研究了玉田地區基巖地形和土體對震害異常的共同影響。通過對玉田地區3個實際剖面的譜元法分析，綜合分析了基巖地形和土體對震害異常的影響。結果表明，基巖地形與土體的共同作用，在增大地表地震動強度的同時，更顯著地加強了基巖凸起（凹陷）地形對地震波的發散（匯聚）作用，表現出了明顯的低烈度異?，F象。低烈度異常區的范圍較基巖凸起區大，但與震后現場調查得出的0.2等震害指數包線相比，其在南北向的范圍較小，東西向則相差不大。

綜上所述，在合理考慮介質各向異性、地質構造背景以及場地條件等多種影響因素的前提下，建立正確的計算模型，利用譜元法進行震害異常機理研究是可行、有效的。玉田低烈