黃土丘陵河谷場(chǎng)地地震動(dòng)特征研究①

馬林偉， 盧育霞， 王　良 , 孫　譯

(1.中國(guó)地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000; 3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000)

黃土丘陵河谷場(chǎng)地地震動(dòng)特征研究①

馬林偉1，2，3， 盧育霞1，2，3， 王良1，2，3, 孫譯1，2，3

(1.中國(guó)地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000; 3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000)

摘要：研究黃土丘陵河谷場(chǎng)地在地震作用下強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特征的變化情況，可以揭示強(qiáng)震對(duì)該類(lèi)場(chǎng)地上震害的觸發(fā)機(jī)理。結(jié)合黃土高原的地貌特征，建立具有代表性的動(dòng)力數(shù)值分析模型，通過(guò)輸入不同幅值、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間的地震波，對(duì)起伏地形和覆蓋黃土層共同影響下的黃土河谷場(chǎng)地進(jìn)行地震反應(yīng)分析。結(jié)果表明：黃土層和地形耦合作用控制了地表的PGA變化，使其趨于復(fù)雜，在同一輸入波不同振幅作用下，與基巖河谷各測(cè)點(diǎn)相比，黃土覆蓋河谷場(chǎng)地的地震動(dòng)頻譜幅值均有所增加，并且頻譜主峰均向高頻移動(dòng)。在不同地震波輸入下，場(chǎng)地不同部位的固有頻率受地形高程和土層影響；而地震動(dòng)大小和頻譜幅值不僅與場(chǎng)地的基本頻譜和地形起伏有關(guān)，也與輸入地震波的頻譜成分相關(guān)。輸入波PGA與地震頻譜特征都不變時(shí)，同一場(chǎng)地輸出的地震頻譜形狀具有相似的特征，隨著地震持時(shí)增長(zhǎng)，能量向場(chǎng)地基本頻率附近集中，從而可能導(dǎo)致場(chǎng)地上相應(yīng)頻率建筑物震動(dòng)幅值增加，造成累積破壞。

關(guān)鍵詞：地形； 黃土覆蓋層； 地震動(dòng)； 河谷場(chǎng)地； 頻譜特性； 持時(shí)

0引言

黃土高原是我國(guó)黃土分布的主體區(qū)域，也是世界上黃土最為發(fā)育的地區(qū)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),黃土高原范圍內(nèi)Ⅵ度以上地震烈度區(qū)超過(guò)該區(qū)域面積的80%，其中Ⅶ度和Ⅷ度區(qū)約占60%，可見(jiàn)黃土高原地區(qū)為強(qiáng)震多發(fā)區(qū)域[2]。2008年汶川8.0級(jí)地震對(duì)陜西、山西、甘肅等黃土覆蓋地區(qū)也造成了嚴(yán)重震害，震后調(diào)查表明相距不遠(yuǎn)的場(chǎng)地震害具有明顯的差異性，建在山頂、階地等高突地形場(chǎng)地的房屋要比平坦地區(qū)的損毀嚴(yán)重[3]。2013年甘肅岷縣漳縣6.6級(jí)地震的主震區(qū)基本位于地形崎嶇的黃土丘陵溝谷區(qū)，在強(qiáng)地震動(dòng)作用下山體放大效應(yīng)明顯，造成極震區(qū)房屋破壞呈現(xiàn)沿山體自下而上震害加重的趨勢(shì)，并在 Ⅷ 度區(qū)內(nèi)形成了長(zhǎng)30km、寬8km的密集滑坡分布區(qū)，造成村莊被埋、道路堵塞、農(nóng)田被毀[4]。強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)觀測(cè)記錄分析表明地形及其上覆松散層共同作用造成地震動(dòng)幅值增大并且時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致了震害加重的現(xiàn)象[5-6]。王偉等[7]基于汶川8.0級(jí)地震記錄分析了山體地形效應(yīng)，認(rèn)為山體周邊土層場(chǎng)地和山體地形由于自身振動(dòng)特性差異對(duì)于同一輸入地震波不同頻段內(nèi)的地震動(dòng)能量放大水平不同。數(shù)值模擬方法的研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，河谷場(chǎng)地在地震的作用下通常表現(xiàn)出谷底地震動(dòng)放大作用最小，兩側(cè)的放大作用較大，地表及地勢(shì)凸起處的放大最為明顯[8-10]。對(duì)起伏場(chǎng)地邊坡在地震作用下的地震響應(yīng)分析研究得出土質(zhì)斜坡隨著高度的增加，加速度出現(xiàn)放大效應(yīng)，峰值加速度最大值出現(xiàn)在斜坡前緣位置的結(jié)論[11-12]。

縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，關(guān)于各類(lèi)地形場(chǎng)地上地震動(dòng)特征已獲得了很多有價(jià)值的研究結(jié)果[13-15]。但地形和土層耦合作用對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)特性的影響機(jī)理方面還存在亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)西部黃土丘陵溝壑地區(qū)分布了大量的河谷型城市或鄉(xiāng)村，那里正在新建、改建和擴(kuò)建各種規(guī)模的民宅、水利水電、交通路橋等基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，這些地區(qū)的黃土梁、峁斜坡和河谷、溝谷邊緣屬于抗震危險(xiǎn)場(chǎng)地或不利場(chǎng)地，地震造成的滑坡崩塌也多發(fā)生在這些場(chǎng)地之上。為了研究這類(lèi)黃土斜坡場(chǎng)地在各種類(lèi)型地震波作用下強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特征的變化，揭示強(qiáng)震對(duì)該類(lèi)場(chǎng)地上地震地質(zhì)災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)理，本文建立具有代表性的黃土丘陵河谷場(chǎng)地模型，通過(guò)輸入不同幅值、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間的地震波，對(duì)起伏地形和覆蓋土層共同影響下的黃土河谷場(chǎng)地進(jìn)行地震反應(yīng)分析。

1模型建立及參數(shù)選取

1.1計(jì)算模型與邊界條件

為體現(xiàn)黃土丘陵河谷地區(qū)的地貌特征，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同規(guī)模的山體夾一河谷的計(jì)算模型(圖1)。模型總長(zhǎng)1 380m，研究主體區(qū)域長(zhǎng)1 180m。圖1選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)2為不受地形影響的參考平地(Flat)；左側(cè)山高160m(HilltopA)，坡角45°，山底寬360m，山頂為半徑20m弧線平滑連接，河谷(Valley)谷底寬80m；右側(cè)山高60m(HilltopB)，坡角45°，底部140m，山頂為半徑10m弧線平滑連接。河谷基巖模型是研究主體區(qū)域全為基巖體，黃土河谷模型是將layer-1賦予黃土的巖土特性，其余部分為基巖體。模型建立和動(dòng)力分析均采用ABAQUS有限元軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)該軟件計(jì)算要求將模型劃分為33 709個(gè)單元，包括33 806個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格尺寸小于等于根據(jù)波長(zhǎng)計(jì)算的最大網(wǎng)格尺寸5m。

為消除邊界對(duì)地震波的反射，采用無(wú)限元邊界模擬巖土的半無(wú)限空間，主要研究區(qū)域?yàn)槿齻?cè)無(wú)限元包圍的部分(圖1)。兩側(cè)采用四邊形平面應(yīng)變無(wú)限單元CINPE4與四邊形平面應(yīng)變縮減有限元CPE4R邊界結(jié)合的邊界條件。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需涉及解析表達(dá)式，使無(wú)限元成為有限元的一部分，可以給出統(tǒng)一的表達(dá)式，但實(shí)際情況一般比較復(fù)雜，通常情況下難以給出解析解和基本解，有限元軟件中不能給出合適的邊界條件，所以無(wú)限元與有限元的結(jié)合較好地解決了巖土數(shù)值模擬計(jì)算中復(fù)雜邊界條件的問(wèn)題。計(jì)算模型采用理想彈塑性本構(gòu)，屈服準(zhǔn)側(cè)為Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)側(cè)。

1.2土層物理力學(xué)參數(shù)

為了控制黃土層與基巖分界面對(duì)地震動(dòng)的影響頻率，計(jì)算模型采用黃土層厚度為20m，土體均勻，土體物理力學(xué)參數(shù)選取甘肅岷縣黃土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值；基巖參考第三系砂巖的物理力學(xué)指標(biāo)(表1)。

圖1　動(dòng)力計(jì)算模型Fig.1　Dynamic calculation model

表 1　黃土和基巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3輸入地震動(dòng)選取

輸入地震波分別選取2008年汶川8.0級(jí)地震甘肅文縣(Wen-W)和成都中和(Wen-Z)獲得的東西向地震記錄及2013年蘆山7.0級(jí)地震時(shí)成都中和(Lu-Z)東西向地震記錄。考慮模型計(jì)算需要和場(chǎng)地分析的一般頻段進(jìn)行0.1～10Hz帶通濾波處理(圖2)。處理后的地震波參數(shù)見(jiàn)表2。

2地震動(dòng)參數(shù)變化對(duì)河谷場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響

地震動(dòng)特性一般通過(guò)震動(dòng)強(qiáng)度、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間來(lái)描述。同一場(chǎng)地在不同地震作用下會(huì)表現(xiàn)出不同的地震動(dòng)特征，從而揭示場(chǎng)地本身的固有特性。為了突出地形對(duì)地震波的改造作用，采用1-A、2-A、3-A三種工況，首先輸入不同振幅的地震動(dòng)計(jì)算基巖河谷的地震反應(yīng)特征；然后通過(guò)輸入不同工況的地震動(dòng)，研究黃土丘陵河谷地震動(dòng)隨輸入地震動(dòng)振幅變化(4-A、5-A、6-A)、頻譜特性變化(7-S、8-S、9-S)及地震持時(shí)變化(10-D、11-D、12-D)的特征。表3中工況1-A和4-A、2-A和5-A、3-A和6-A表示輸入地震動(dòng)振幅分別為0.56m/s2、1.12m/s2、2.80m/s2的汶川地震文縣波(Wen-W)；工況7-S、8-S、9-S代表黃土河谷模型輸入地震動(dòng)分別為汶川地震文縣波(Wen-W)、汶川地震中和波(Wen-Z)和蘆山地震中和波(Lu-Z)；工況10-D、11-D、12-D中黃土模型輸入地震波先將Lu-Z地震記錄振幅調(diào)整到5倍，然后調(diào)整持續(xù)時(shí)間，其中10-D輸入記錄持續(xù)時(shí)間為60s，11-D、12-D持續(xù)時(shí)間分別為80s和100s。

圖2　濾波處理后的輸入波Fig.2　The input wave after filtering

表 2　輸入地震波參數(shù)

表 3　計(jì)算工況的地震動(dòng)參數(shù)

2.1地震動(dòng)幅值

為分析不同幅值地震波作用下河谷場(chǎng)地的地震響應(yīng)，采用了兩種河谷模型：基巖河谷和黃土覆蓋河谷，模型和土層參數(shù)見(jiàn)圖1、表1。選取Wen-W為基礎(chǔ)輸入波，首先采用帶通濾波將頻譜范圍控制在0.1～10Hz，然后將其振幅分別調(diào)整為濾波后地震波(編號(hào)Wen-W)的1、2、5倍，即輸入波PGA分別為0.56m/s2、1.12m/s2、2.80m/s2。

不同強(qiáng)度地震作用下，隨著輸入地震動(dòng)幅值增大，基巖河谷各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PGA呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且主要放大區(qū)域在兩個(gè)山脊上(6、13)，水平峰值加速度與地形起伏有一定的相關(guān)性，PGA變化隨著地形高程增大而明顯增大(圖3)。

不同強(qiáng)度地震作用下，隨著輸入地震動(dòng)幅值增大，黃土河谷各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PGA亦呈現(xiàn)增大趨勢(shì)[圖4(a)]。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算PGA與輸入波PGA的比值曲線顯示：受20m松散黃土層的影響，地形起伏變化較大的山頂和河谷位置在前兩種工況(4-A和5-A)下放大倍數(shù)均大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2(Flat)，當(dāng)輸入波PGA增大為2.80m/s2時(shí)，位于HilltopA監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的PGA放大倍數(shù)不僅小于點(diǎn)2(Flat)，而且小于點(diǎn)10(Valley)，在HilltopA兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5和7的PGA放大倍數(shù)最大，HilltopB點(diǎn)13處PGA放大次之。這說(shuō)明黃土層和地形耦合作用控制了地表的PGA變化，使其趨于復(fù)雜。

圖3　基巖河谷模型水平PGA變化Fig.3　The variation of horizontal PGA in the bedrock valley model

圖4　黃土河谷模型水平PGA變化Fig.4　The variation of horizontal PGA in the loess valley model

圖5和圖6給出的是：基巖與黃土覆蓋河谷模型的四個(gè)位置Flat(2)、HilltopA(6)、Valley(10)、HilltopB(13)上的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在PGA 0.56m/s2、1.12m/s2及2.80m/s2地震波作用下的傅里葉譜。可見(jiàn)，隨著地震動(dòng)幅值的增大，基巖和黃土模型各點(diǎn)地震動(dòng)頻譜幅值均有增大的趨勢(shì)，基巖河谷各點(diǎn)最大幅值所對(duì)應(yīng)的頻率基本處于1Hz之間，F(xiàn)lat(2)和Valley(10)的頻譜形狀與輸入地震波頻譜比較相似，而HilltopA(6)和山脊HilltopB(13)處的頻譜表現(xiàn)為1Hz為主頻的單峰型。與基巖河谷各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，黃土覆蓋河谷場(chǎng)地的地震動(dòng)頻譜幅值均有所增加，并且頻譜主峰均向高頻移動(dòng)。黃土覆蓋河谷場(chǎng)地上沒(méi)有地形影響的Flat主頻在5～10Hz；兩個(gè)山脊的頻譜呈雙峰型：HilltopA雙峰值分別位于1Hz和8Hz附近，HilltopB雙峰值分別為1.5Hz和8Hz，說(shuō)明隨著地震動(dòng)輸入的增加，特殊地形兩山脊處的卓越頻率以之前的土層特征頻率轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘匦翁卣黝l率而出現(xiàn)雙峰；Valley的主頻非常突出，基本位于6Hz附近。

2.2頻譜特性

通過(guò)輸入Wen-W、Wen-Z及Lu-Z地震波，分析計(jì)算模型在不同頻譜特征地震波作用下的地震動(dòng)變化。Wen-Z和Wen-W代表了同一地震不同震中距具有不同頻譜成分的基巖地震動(dòng)，在同一頻率范圍內(nèi)，距震中80km的中和地震臺(tái)記錄的Wen-Z幅值大，地震能量強(qiáng)，而震中距為249km的文縣地震臺(tái)記錄的Wen-W的頻譜幅值明顯隨距離衰減；Lu-Z和Wen-Z分別代表了同一場(chǎng)地在不同地震作用下的地震動(dòng)情況，雖然中和地震臺(tái)在兩次地震中獲得的記錄濾波后的PGA差別不大，但其所代表的兩次地震因能量差別較大，從而地震持時(shí)、頻譜幅值成倍增長(zhǎng)。

在三種不同地震作用下，隨輸入地震動(dòng)的不同黃土河谷各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PGA亦有變化。由于汶川文縣波(Wen-W)和汶川中和波(Wen-Z)振幅較為接近，且大于蘆山中和波(Lu-Z)，反應(yīng)結(jié)果也表現(xiàn)為汶川文縣波(Wen-W)和汶川中和波(Wen-Z)振幅較為接近，且大于蘆山中和波(Lu-Z)。在三種情況下均表現(xiàn)為地形起伏變化較大的山脊和河谷位置的PGA大于平坦地區(qū)的Flat(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。但由于汶川文縣波(Wen-W)和汶川中和波(Wen-Z)成分的差異，在兩個(gè)不同高程山脊的PGA并未嚴(yán)格按照隨高程增大而增大，在HilltopB處輸入汶川中和波(Wen-Z)的PGA小于輸入汶川文縣波(Wen-W)的PGA，在高山脊HilltopA情況相反；在河谷Valley處輸入不同但PGA相等。

圖5　不同幅值地震動(dòng)作用下基巖河谷模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜Fig.5　The Fourier spectrum of each point in the bedrock valley model under ground motion with different amplitudes

圖6　不同幅值地震動(dòng)作用下覆蓋黃土河谷模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜Fig.6　The Fourier spectrum of each point in the loess-covered valley model under ground motion with different amplitudes

以上情況說(shuō)明：地表PGA的大小不僅與輸入波的幅值及地形高程有關(guān)，也與輸入波的頻譜成分有關(guān)。

通過(guò)對(duì)不同地震輸入下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜的分析(圖8)，發(fā)現(xiàn)頻譜幅值與輸入地震動(dòng)幅值大小相關(guān)，汶川中和波(Wen-Z)頻譜幅值大于汶川文縣波(Wen-W)，二者均大于蘆山中和波(Lu-Z)；其次，不同高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜幅值也在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，水平場(chǎng)地的Flat(2)的主頻在2～10Hz，山脊HilltopA的主頻位于1Hz，小峰值為8Hz，在HilltopB處主頻位于1～5Hz，而河谷處場(chǎng)地頻率為5Hz，由于兩側(cè)山脊地形和黃土的相互影響使得該處頻譜幅值增大，且PGA也較大。

圖7　不同幅值地震動(dòng)作用下黃土河谷模型 水平PGA變化Fig.7　The variation of horizontal PGA in the loess valley model under ground motion with different amplitude

圖8　不同頻譜特征地震動(dòng)作用下黃土河谷模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜Fig.8　The Fourier spectrum of each point in the loess valley model under ground motion with different spectrum characteristics

不同頻譜地震輸入結(jié)果說(shuō)明：場(chǎng)地不同部位的基本頻率與地形高程和土層有關(guān)，而地震動(dòng)大小和頻譜幅值不僅與場(chǎng)地的基本頻譜、地形起伏有關(guān)，且與輸入地震波的頻譜成分相關(guān)。

2.3持續(xù)時(shí)間

地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)震害的影響很早就為各國(guó)學(xué)者所注意，很多建筑物在地震的最初階段雖然變形很大，但并沒(méi)有倒塌，而隨著持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)或者在余震中卻倒塌了。大量震害實(shí)例證明了地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)震害破壞的累積效應(yīng)。本文工況10-D、11-D、12-D是為研究地震持時(shí)對(duì)黃土河谷場(chǎng)地地震頻譜特征的影響而設(shè)計(jì)的。為了使不同持時(shí)地震波的頻譜具有相似特征，選取Lu-Z記錄為基礎(chǔ)波，PGA為0.51m/s2，地震持時(shí)60s，首先將該記錄的振幅增大5倍，即PGA為2.55m/s2；然后選取基礎(chǔ)波中振幅最大的10s，通過(guò)多次插入分別獲得地震持時(shí)為80s和100s的地震動(dòng)(圖9)。

圖9　輸入地震動(dòng)的時(shí)程和頻譜Fig.9　Time history and frequency spectrum of input ground motion

通過(guò)輸入上述不同持時(shí)地震波，獲得了黃土覆蓋河谷場(chǎng)地各點(diǎn)的地震動(dòng)分布。圖10顯示模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PGA隨地形起伏變化的影響非常明顯，其中位于HilltopA(6)的PGA最大，其次是Valley(10)，位于斜坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處的PGA也表現(xiàn)出明顯放大，HilltopB(13)處PGA放大相對(duì)小些；總體上地震持時(shí)增長(zhǎng)對(duì)模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PGA大小影響不大。分析圖11可見(jiàn)：頻譜幅值隨地震動(dòng)持時(shí)增長(zhǎng)顯著增大，并且地震動(dòng)幅值最大值往往對(duì)應(yīng)著場(chǎng)點(diǎn)的基頻。圖11中監(jiān)測(cè)點(diǎn)2所代表的Flat場(chǎng)地，主頻在1～10Hz間，頻譜幅值隨持時(shí)增長(zhǎng)而增加；監(jiān)測(cè)點(diǎn)6所在的HilltopA場(chǎng)地，頻譜具有明顯的雙峰特征(1Hz、8Hz)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)13所在的HilltopB場(chǎng)地，頻譜峰值向長(zhǎng)周期移動(dòng)，能量集中頻段為1～5Hz；監(jiān)測(cè)點(diǎn)10所在的Valley場(chǎng)地基頻約為5Hz，地震頻譜受河谷地形匯聚和土層放大作用，在5Hz附近有明顯的幅值增大現(xiàn)象。

圖10　不同持時(shí)地震動(dòng)作用下黃土河谷模型水平PGA變化Fig.10　The variation of horizontal PGA in the loess valley model under ground motion with different duration

圖11　不同持時(shí)地震動(dòng)作用下黃土河谷模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜Fig.11　The Fourier spectrum of each point in the losse valley model under ground motion with different duration

因此，對(duì)工況10-D、11-D、12-D的模擬分析認(rèn)為：輸入波PGA與地震頻譜特征都不變時(shí)，同一場(chǎng)地輸出的地震頻譜形狀具有相似的特征，隨著地震持時(shí)增長(zhǎng)，能量向場(chǎng)地基本頻率附近集中，從而可能導(dǎo)致場(chǎng)地上相應(yīng)頻率建筑物震動(dòng)幅值增加，造成累積破壞。

3討論與結(jié)論

(1) 不同振幅輸入下，基巖與覆蓋黃土河谷各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震動(dòng)隨輸入增大而增大。基巖地震動(dòng)增大與地形起伏呈正相關(guān)，覆蓋土層兩山脊地震動(dòng)變化復(fù)雜，說(shuō)明土層對(duì)地震動(dòng)放大有改造作用，也與最初的地震災(zāi)害調(diào)查局部凸出地形對(duì)建筑物的響應(yīng)更強(qiáng)烈一致。基本上頻譜振幅隨輸入加速度振幅增大而增大，頻率從以土層特征頻率轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘匦翁卣黝l率而出現(xiàn)雙峰，但在兩個(gè)山脊處的頻譜土層特征頻率與地形特征頻率相互制約。

(2) 不同頻譜地震輸入結(jié)果說(shuō)明，在兩山脊處地震動(dòng)的放大與該點(diǎn)頻譜幅值大小相關(guān)，河谷處的地震頻譜受河谷地形匯聚和土層放大作用，在5Hz附近有明顯的幅值增大現(xiàn)象。場(chǎng)地不同高程的固有頻率與地形高程和土層有關(guān)，而地震動(dòng)大小和頻譜幅值不僅與場(chǎng)地的基本頻譜及地形起伏有關(guān)，也與輸入地震波的頻譜成分相關(guān)。

(3) 輸入波PGA與地震頻譜特征都不變時(shí)，同一場(chǎng)地輸出的地震頻譜形狀具有相似的特征，隨著地震持時(shí)增長(zhǎng)，譜值振幅增長(zhǎng)明顯，能量向場(chǎng)地固有頻率附近集中，從而可能導(dǎo)致場(chǎng)地上相應(yīng)頻率建筑物震動(dòng)幅值增加，造成累積破壞。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]王永炎.中國(guó)黃土[M].西安:陜西人民美術(shù)出版社，1980.

WANGYong-yan.ChineseLoess[M].Xi’an:People’sPaintingPressofShaanxi,1980.(inChinese)

[2]王蘭民，孫軍杰.黃土高原城鎮(zhèn)建設(shè)中的地震安全問(wèn)題[J].地震工程與工程振動(dòng)，2014(4)：115-122.

WANGLan-min,SUNJun-jie.SeismicSafetyIssuesintheProcessofUrbanDevelopmentinLoessPlateau[J].EarthquakeEngineeringandEngineeringDynamics，2014，34(4)：115-122.(inChinese)

[3]石玉成，盧育霞.汶川8.0級(jí)地震甘肅災(zāi)區(qū)震害特點(diǎn)及恢復(fù)重建對(duì)策[J].地震工程學(xué)報(bào)，2009,31(1)：1-7.

SHIYu-cheng,LUYu-xia.TheDamageFeaturesofWenchuan8.0EarthquakeinGansuDisasterAreaandCountermeasuresofReconstruction[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal，2009,31(1)：1-7.(inChinese)

[4]王蘭民，吳志堅(jiān).岷縣漳縣6.6級(jí)地震震害特征及其啟示[J].地震工程學(xué)報(bào)，2013,35(3)：401-412.

WANGLan-min,WUZhi-jian.EarthquakeDamageCharacteristicsoftheMinxian-ZhangxianMS6.6EarthquakeandItsLessons[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(3):401-402.(inChinese)

[5]BouchonM,BarkerJS.SeismicResponseofaHill:TheExampleofTarzana,California[J].BSSA,1996,86 (1A):66-72.

[6]盧育霞，劉琨，姚凱，等.甘肅文縣上城臺(tái)地的地震記錄分析[J].西北地震學(xué)報(bào)，2011,33(增刊):393-397.

LUYu-xia，LIUKun，YAOKai，etal.AnalysisonSeismicRecordsObservedonShangchengPlatforminWenxian,GansuProvince[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal, 2011,33(Supp):393-397.(inChinese)

[7]王偉，劉必?zé)簦瑒⑿溃?基于汶川MS8.0地震強(qiáng)震動(dòng)記錄的山體地形效應(yīng)分析[J].地震學(xué)報(bào)，2015(3)：452-462.

WANGWei,LIUBi-deng,LIUXin,etal.AnalysisontheHillTopographyEffectBasedontheStrongGroundMotionRecordsofWenchuanMS8.0Earthquake[J].ActaSeismologicaSinica,2015,37(3):452-462.(inChinese)

[8]劉琨.地形條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響研究[D].蘭州：中國(guó)地震局蘭州地震研究所，2010.

LIUKun.EffectofTopographyonGroundMotionParameters[D].Lanzhou：InstituteofSeismology，CEA,2010.(inChinese)

[9]張孝波，景立平，肖文海.大型河谷場(chǎng)地地震動(dòng)特性研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2010,30(6):644-649.

ZHANGXiao-bo,JINGLi-ping,XIAOWen-hai.ResearchonGroundMotionCharacteristicsofLarge-scaleValley[J].JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineering,2010,30(6):644-649.(inChinese)

[10]盛志強(qiáng)，盧育霞，石玉成，等.河谷地形的地震反應(yīng)分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2013,35(1)：126-132.

SHENGZhi-qiang,LUYu-xia,SHIYu-cheng,etal.SeismicResponseAnalysisofValleyTopography[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(1)：126-132.(inChinese)

[11]徐光興，姚令侃，李朝紅，等.邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及地震動(dòng)參數(shù)影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008,30(6)：918-923.

XUGuang-xing，YAOLing-kan，LIZhao-hong,etal.DynamicResponseofSlopesunderEarthquakesandInfluenceofGroundMotionParameters[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2008,30(6)：918-923.(inChinese)

[12]吳志堅(jiān)，王蘭民，陳拓，等.汶川地震遠(yuǎn)場(chǎng)黃土場(chǎng)地地震動(dòng)場(chǎng)地放大效應(yīng)機(jī)制研究[J].巖土力學(xué)，2012,33(12)：3736-3740.

WUZhi-jian,WANGLan-min,CHENTuo,etal.StudyofMechanismofSiteAmplificationEffectsonGroundMotioninFarFieldLoessduringWenchuanMS8.0Earthquake[J].RockandSoilMechanics,2012,33(12)：3736-3740.(inChinese)

[13]LouisGeli,Pierre-YvesBard,BeatriceJullien.TheEffectofTopographyonEarthquakeGroundMotion:AReviewandNewResults[J].BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica,1988,78(1):42-63.

[14]王偉.地震動(dòng)的山體地形效應(yīng)研究[D].哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2011.

WANGWei.EffectofHillTopographyontheGroundMote[D].Harbin:InstituteofEngineeringMechanics,CEA,2011.(inChinese)

[15]王海云.土層場(chǎng)地的放大作用隨深度的變化規(guī)律研究——以金銀島巖土臺(tái)陣為例[J].地球物理學(xué)報(bào),2014,37(3):1498-1509.

WANGHai-yun.StudyonVariationofSoilSiteAmplificationwithDepth:ACaseatTreasureIslandGeotechnicalArray,SanFrancisoBay[J].ChineseJournalofGeophysics,2014, 37(3):1498-1509.(inChinese)

StudyonGroundMotionCharacteristicsinLoessHillValleySites

MALin-wei1,2,3,LUYu-xia1,2,3,WANGLiang1,2,3,SUNYi1,2,3

(1.Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering, CEA, Lanzhou 730000, Gansu, China;2.Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, Gansu, China;3.Geotechnical Disaster Prevention Engineering Technology Research Center of Gansu Province, Lanzhou 730000, Gansu, China)

Abstract：The trigger for seismic damage may be determined by researching the characteristics of strong ground motion in loess hill valleys under earthquake action. In this paper, considering the geomorphic characteristics of the Loess Plateau, typical models of dynamic numerical analysis are established. In a valley site influenced by rugged terrain and a loess covering layer, the seismic response was analyzed by inputting seismic waves with different amplitudes, frequency spectrum characteristics, and duration. The results show that the coupling action of the soil layer and terrain controls the PGA change on the ground surface and that the change trend is complex. Under the input of the same wave with a different amplitude and compared with monitoring points in the bedrock valley, the spectrum amplitude of the ground motion at the loess-covered valley points increased, and the peak moved to a high frequency. Under the input of different seismic waves, the natural frequencies of different parts of the site were influenced by the terrain and the soil layers; the size and amplitude of the ground motion frequency spectrum was not only related to the natural frequency spectrum of the site and topographic change, but also to the spectral components of the input seismic wave. At the same site, with the same PGA and seismic spectrum characteristics of the input wave, the output seismic spectrum shape showed similar characteristics. As the seismic duration increased, the earthquake energy was concentrated in the field near the natural frequency, which may lead to an increase in the vibration amplitude of buildings with a corresponding frequency.

Key words：topography; loess-covered layer; ground motion; valley site; frequency spectrum characteristics; duration

收稿日期：①2015-03-10

基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2015IESLZ05)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51248005)

作者簡(jiǎn)介：馬林偉(1988-)，男，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事巖土工程和工程地震方面研究。E-mail：mlw1209@163.com。 通信作者：盧育霞(1978-)，女，副研究員，主要從事巖土工程和工程地震方面的研究。E-mail:yuxial@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào):P642.13； P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)03-0373-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0373