地表巖土層對地震動特性的影響分析①

地表巖土層對地震動特性的影響分析①

金基項目：國家重點基礎研究發展(973)計劃(2011CB013601)；國家自然科學基金重大研究計劃集成項目(91215301)；環保公益性行業專項(201309056)

通信作者： 遲明杰(1978-)，博士后，副研究員，主要從事巖土地震工程方面的研究工作。E-mail：03115049@bjtu.edu.cn。

陳永新1， 遲明杰1，2， 李小軍1

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081； 2.中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京 100081)

摘要：利用日本強震觀測網KiK-Net中兩個基巖臺站、兩個Ⅲ類場地臺站中數百條強震記錄，對比基巖場地和Ⅲ類場地的地震動特性，分析傅里葉譜卓越頻率與震級和距離的關系，以及上覆巖土層對地震動的影響。分析結果表明：基巖場地上，地下和地表各分量傅里葉譜卓越頻率隨震級增大或距離增大而減小，大小及分布規律基本一致；Ⅲ類場地上，地下記錄各分量傅里葉譜卓越頻率隨震級增大或距離增大而減小，而地表記錄的這一規律則不明顯，且地下、地表卓越頻率大小及分布明顯不同，對于同為Ⅲ類場地但土層條件不同的臺站其變化也不同。說明堅硬的基巖場地對地震動影響較小，而基巖上覆土層對地震動有明顯的影響且其影響具不確定性。

關鍵詞：地震動；卓越頻率；震級；距離；場地條件

收稿日期：①2014-08-20

作者簡介：陳永新(1989-)，男，碩士，主要從事巖土地震工程。E-mail：chenyoyi@126.com。

中圖分類號:P315.9文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0743

Effect of Overlaying Rock and Soil Layers on Ground

Motion Characteristics

CHEN Yong-xin1, CHI Ming-jie1,2, LI Xiao-jun1

(1.InstituteofGeophysics,CEA,Beijing100081,China;

2.SeismicObservationandGeophysicalImaging,CEA,Beijing100081,China)

Abstract：Several hundred strong motion records from two bedrock stations and two class Ⅲ stations from the KiK-Net in Japan were used to analyze ground motion features, the relationship between Fourier spectrum dominant frequency and magnitude or distance, and the effect of shallow surface rock and soil layers on ground motion. At the bedrock stations, both underground and at the surface, the Fourier spectrum dominant frequencies for three components decreased with increasing magnitude or distance, and exhibited similar values and distribution. However, at class Ⅲ sites, only the underground sites displayed a decrease in their three-component Fourier spectrum dominant frequencies over increasing magnitudes or distances. At these class Ⅲ sites, the Fourier spectrum dominant frequencies displayed significantly different values and distributions between the underground and surface ground motions, and the changes are different between the ground motions at stations with different soil conditions. These results indicate that hard bedrock has little effect on ground motion; however, an overlying soil layer on the bedrock has a profound and uncertain effect on ground motion characteristics.

Key words： ground motion; dominant frequency; magnitude; distance; site condition

0引言

不同場地在同一地震中的反應不盡相同，同一場地在不同地震中的反應也不相同[1]。因而地震動場地效應的研究是地震工程學中最重要的課題之一。在實際工程中，如何選擇工程場址及評估場地的地震反應顯得尤為重要[2]。

地震記錄是一綜合信息，包含了地震震源、地震波的傳播途徑及場地效應等特性。因而在研究場地的地震反應時, 其難點在于如何區分地震記錄中的震源效應、傳播途徑及場地反應各自的影響[3-4]。栗林榮一等[5]研究了震級、震中距和場地條件等因素對加速度反應譜值的影響；Trifunac等[6]和片山恒雄等[7]分別用統計方法建立了加速度反應譜值與震級、震中距和場地條件的經驗關系；周雍年[8]利用日本強震觀測資料研究了影響加速度相對反應譜形狀的因素，指出震級和場地條件對反應譜形狀的影響要遠比震中距的影響明顯；胡聿賢等[9]利用美國27個基巖臺站強震記錄統計分析了反應譜以及幾個最大值與震級和震源距離的關系。近年來地震頻發，強震動記錄數據也更加完整，很多學者采用日本強震數據庫作為資料研究地震動參數[10-12]，主要是通過對比分析地下和地表記錄研究場地對反應譜幅值和地震動衰減影響的相關研究。筆者認為有必要利用地下記錄探討地震動自身某些特性的影響因素，如震級、距離對其傅里葉譜卓越頻率的影響，另外通過對地上和地下的對比分析可以研究地表巖土層對地震動的影響。

本文認為同一臺站地下儀器的記錄體現的是震源特性和中間介質對地震動特性的影響，而地表、地下儀器所記錄的地震信息的變化則主要受地表巖土層條件影響；分析日本強震動觀測網KiK-Net中兩個基巖臺站、兩個Ⅲ類場地臺站的地表、地下的數百條地震記錄，使用ViewWave分析獲取每條記錄的傅里葉譜卓越頻率(傅里葉譜中最大幅值所對應的頻率值)，研究其卓越頻率與震級大小和距離遠近的關系，并通過對比地表與地下強震動記錄信息反映場地地表巖土層對地震動的影響。

1強震動數據

從日本強震觀測網Kik-Net中選取兩個基巖臺站FKOH06、KGSH03，兩個Ⅲ類場地臺站TCGH16、AOMH16作為研究對象。臺站地震事件隨機選取，PGA盡量能覆蓋各個等級，其中FKOH06中29個地震事件，地表和地下三個分量共174條記錄；KGSH03中25個地震事件，地表和地下共150條記錄；TCGH16中45個地震事件，地表和地下共270條記錄；AOMH16中32個地震事件，地表和地下共192條記錄。

2數據分析

使用軟件ViewWave讀取記錄、分析數據，分別獲取各條記錄的傅里葉譜卓越頻率，然后分別繪制震級-頻率、距離-頻率散點圖(圖1～圖8)，研究卓越頻率與震級和距離的關系，以及地表巖土層對地震動的影響。

圖1　FKOH06臺站Fourier譜卓越頻率-震級關系圖 Fig.1　Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and magnitude for FKOH06 station

圖2　FKOH06臺站Fourier譜卓越頻率-距離關系圖 Fig.2　Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and distance for FKOH06 station

圖3　 KGSH03臺站Fourier譜卓越頻率-震級關系圖 Fig.3　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and magnitude for KGSH03 station

圖4　KGSH03臺站Fourier譜卓越頻率-距離關系圖 Fig.4　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and distance for KGSH03 station

首先分析基巖臺站(FKOH06和KGSH03)強震動記錄的特點。由圖1～圖4可以看出，對于震級-卓越頻率，地下、地表三個分量的傅里葉譜卓越頻率均隨震級增大而減小；對于距離-卓越頻率，地下、地表三個分量的傅里葉譜卓越頻率也均隨距離增大而減小，相對而言這個變化趨勢在距離-卓越頻率關系圖中更顯著一些。另外，地下、地表中水平分量與垂直分量的卓越頻率都基本相當，地下和地表各分量之間卓越頻率也基本相當。由以上分析可以看出，對于基巖臺站，地下、地表三個分量卓越頻率與震級和距離的變化規律是一致的。

接下來分析Ⅲ類場地臺站(TCGH16和AOMH16)：Ⅲ類多層TCGH16，由圖5、圖6可以看出，對于震級-卓越頻率，地下三個分量傅里葉譜卓越頻率隨震級增大而減小，但地表三個分量的這個趨勢變化很不明顯；同樣對于距離-卓越頻率，地下三個分量傅里葉譜卓越頻率隨距離增大而減小，但地表三個分量的這個趨勢變化也很不明顯。另外，地下三個分量卓越頻率大小相當，但在地表，垂直分量的卓越頻率分布廣(0.5～12 Hz)，而水平分量的卓越頻率分布相對窄(1.7～5.7 Hz)。

圖5　TCGH16臺站Fourier譜卓越頻率-震級 　　　關系圖 Fig.5　 Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and magnitude for TCGH16 station

圖6　 TCGH16臺站Fourier譜卓越頻率-距離 　　　 關系圖 Fig.6　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and distance for TCGH16 station

Ⅲ類多層AOMH16 ，由圖7、圖8可以看出，對于震級-卓越頻率和距離-卓越頻率，規律與TCGH16基本一致，即地下三個分量傅里葉譜卓越頻率隨震級增大或距離增大而減小，但地表三個分量的這個趨勢變化不明顯。另外，地下三個分量卓越頻率大小相當，但在地表，水平分量和垂直分量分別都集中于兩個不同頻率段，水平分量集中于1 Hz和5 Hz，而垂直分量則集中于2 Hz和8 Hz，總體高于水平分量卓越頻率。由以上分析可以看出，對于Ⅲ類場地臺站，地表與地下強震動記錄的震級、距離與卓越頻率之間變化規律明顯不一致。

圖7　AOMH16臺站Fourier譜卓越頻率-震級 　　　關系圖 Fig.7　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and magnitude for AOMH16 station

圖8　AOMH16臺站Fourier譜卓越頻率-距離關系圖 Fig.8　 Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and distance for AOMH16 station

3結果與討論

綜合以上分析可知，對于地下三個分量的傅里葉譜卓越頻率，無論是基巖場地還是Ⅲ類場地，都存在一個基本規律，即卓越頻率隨震級增大或距離增大而減小；對于地表三個分量的傅里葉譜卓越頻率，在基巖場地和Ⅲ類場地上則有不同體現，基巖場地上地表三個分量的傅里葉譜卓越頻率仍隨震級增大或距離增大而減小，但Ⅲ類場地上地表三個分量的傅里葉譜卓越頻率隨震級或距離的變化沒有明顯規律。

另外，基巖場地上地下和地表三個分量卓越頻率分布都基本一致，但Ⅲ類場地上地下三個分量卓越頻率分布基本一致，而地表水平分量和垂直分量卓越頻率分布明顯不一致，且對于地表土層條件不同的具體臺站，地表各分量的卓越頻率分布也不同。

無論是基巖場地還是Ⅲ類場地，對于地下記錄各分量傅里葉卓越頻率隨震級增大或距離增大而減小的這一基本規律，因為儀器都置于堅硬基巖上，沒有場地地表土層影響，所以體現的是地震動本身(包括震源特性和地震波傳播路徑)的一個特性。基巖臺站地上、地下卓越頻率大小及分布基本一致，體現了基巖這種堅硬場地對地震動影響作用很小；Ⅲ類場地臺站地上、地下卓越頻率大小及分布明顯不同，且對于土層條件不同的具體臺站變化不同，體現了場地地表土層對于地震動的明顯影響及其影響的不確定性。

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