場址結構特征對地震動放大效應的影響

【摘 要】通過傳統譜比法研究了場址的地震動放大效應與近地表地震地質結構特征的關聯性。利用IWTH地震觀測陣列記錄的強震數據和相關測井資料，計算了場址的地表相對基巖的地震動振幅譜比和Vsb與Vs30的比值，發現Vsb/Vs30的值越大，地表在1-10Hz頻段內的放大峰值也就越大。

【關鍵詞】譜比法 場址效應 Vs30

近地表場址的地震動響應特征一直是地震工程界研究的重要課題，而在重大工程設計施工中，評估場址的地震動放大效應非常重要。眾多地震災害實例表明，在軟土沉積層結構上的建筑設施、地質體結構受到的破壞程度遠遠大于堅硬基巖上的房屋建筑的破壞程度[1]。而局部場址地震動響應特征與其近地表地震地質結構特征密切相關，其放大效應的主放大峰值、主頻、頻寬范圍等因素受到近地表地層的參數的直接影響，因此研究兩者之間的關聯具有重要的理論意義和實踐價值。

1 研究方法

地表場址地震動響應特征定量研究的最直接方法是，計算地表出射與基巖入射地震波的振幅譜比。研究場址地震動放大效應通常采用的傳統方法是雙臺站譜比法：在研究場址和與其距離較近的基巖參考場址上放置相同參數的地震觀測儀器，用研究場址和基巖參考場址在同一地震事件中觀測的地震動振幅譜之比，來定量刻畫研究場址的地震動放大效應，如下列公式所示：

公式（1）中Aij（f）、Pij（f）、分別表示第j觀測場址在第i地震中記錄的地震數據、路徑項，其中f為頻率；Si（f）、Gj（f）、Ij（f）和Rj（f）分別表示第i地震的震源項、第j觀測場址的場址項、儀器響應和第j觀測場址的傅里葉振幅譜比；k表示第k參考場址。該方法的實現基礎是需要一個基巖場址作為參考場址。另外有單臺站譜比法：在研究區域沒有合適的基巖參考場址時，Nakamura （1989）提出了經驗式研究方法，該方法研究較低頻率的放大效應是有效的。

2 數據分析

本文選取了日本防災科學技術研究所（NIED）布置的KiK-net地震觀測臺網的IWTH陣列（IWTH01-24，IWTH26-28）所記錄的12個強地震事件的地震動加速度數據，地震事件震中和臺站分布位置如圖1所示。考慮到觀測陣列均有地表和基巖處的地震動記錄數據，因此本文的地震動研究方法選擇雙臺站譜比法。強地震動在地表水平方向產生的剪切振動對表層建筑的破壞作用最為強烈，因此這里選用地震動記錄的東西（EW）和南北（NS）分量的S波數據計算譜比；為消除背景噪音、散射波和面波的干擾，首先對地震動數據采用1Hz的高通濾波；為避免P波與尾波的對研究的影響，本文所計算的地震動時間域波形數據起始于S波到時，根據對地震數據震相分析，計算的數據統一震動持時長度為90s；再采用Hanning窗濾波并計算傅里葉振幅譜；然后根據公式（2）計算每個臺站的兩個水平分量之譜比，再以EW和NS分量的均方根值H分量來綜合反映場址的地表地震動響應情況；最終計算各個臺站在12個強震中的H分量的地震動響應函數的幾何平均值，以統計方法排除地震事件給計算帶來的偶然性和誤差。

這里我們首先選取具有顯著地震動放大效應的場址來分析。地表地震動的主要能量集中的頻段分為一般在0-20Hz，而1-10Hz的放大效應是地震工程領域特別關注的內容。根據計算結果我們發現，IWTH08在10Hz以內的放大效應非常顯著，根據單臺站譜比法的結果（Surface to Borehole），第一放大主頻為2.9Hz，其放大峰值達到了28；接著在6.5Hz和9Hz出現兩個峰值，放大倍數分別為20和25，如圖2所示。其結果與F. Lopez（2012）的研究結果較一致[2]。同時比較單臺站譜比法（Horizontal to Vertical）的計算結果，其第一和第二方大主頻分別為2.6Hz和7.4Hz，與前一方法結果很接近，但是對應的放大峰值相比之下低很多，分別為9.0和2.0。這說明單臺站譜比法研究低頻放大效應是很有效的；用該方法評價場址的地震動放大效應，當其所計算出的低頻段內的譜比值大于2時，可認為研究場址具不可忽視的地震動放大效應。根據IWTH08場址的近地表地層參數，得到SH波地表放大效應正演模擬結果[3]。數值模擬計算結果與觀測結果一致性很好，對放大主頻和放大效應函數的整體特征刻畫的很準確，而參與模擬計算的參數值包括地層厚度、密度、橫波速度和品質因子。其中，地層厚度和S波速度在估算場址地震動響應特征中占有非常重要的地位。

我們知道，Vs30（近地表30m地層的S波平均速度）通常用來預測或估算場址的地震動放大效應[4]。IWTH09和IWTH20的譜比函數值在1-10Hz有一個共同的特點：就是沒有明顯的放大峰值，并且在該頻段的譜比函數值均小于10，如圖3所示。IWTH08、IWTH09和IWTH20三者的Vs30分別為340m/s，1270m/s，430m/s，其中IWTH09具有較大的Vs30，因此該場址的放大主頻應該是出現在高頻處；IWHT08和IWTH20的Vs30比較相近，但是兩者的基巖速度相差很大，前者為2120m/s，后者為500m/s。可以說明，Vs30主要影響地震動場址響應的放大主頻位置，而Vs30與基巖的波阻抗差異值才是影響放大峰值大小的主要因素。

為此，我們計算了IWTH陣列所有臺站在3個強震中的譜比均值，討論Vsb/Vs30（Vsb表示測井得到的基巖S波速度）與第一放大峰值大小的關系。從圖4可以看出，隨著Vsb與Vs30比值的增加，地表的放大效應峰值也隨之變大。盡管計算結果有一定程度的離散，但是整體上仍能體現出正相關趨勢。

3 結語

場址的地震動放大效應與其近地表地震地質結構密切關聯，主要受到近地表地層的層厚和S波速度的影響。其中Vs30能夠反應場址地震動效應的放大主頻位置，并且能夠以Vs30與基巖的S波速度之比的大小來評價場址的放大效應強度，通常表現為兩者速度差異越大，10Hz內的主放大峰值也就越大。

參考文獻：

[1] Toshikazu， Makato， Nikolaos. A study on earthquake ground motions during the Mexican earthquake of Spetember， 19， 1985[J].Proceedings of Ninth World Conference on Earthquake Engineering，1988，3-3（18）：501-506

[2] F Lopez Caballero， C Gelis， J Regnier. Site response analysis including earthquake input ground motion and soil dynamic properties variability[A].15th WCEE， 2012.

[3] 余嘉順，賀振華.SH波在表面多層介質中傳播的精確模擬[J].地震研究，2003（1）：14-19.

[4] John G Anderson， Yajie Lee， Yuehua Zeng. Control of strong motion by the upper 30 meters[J].Bulletin of the Seismological Society of America，1996，86（6）：1749-1759

致謝：感謝日本防災科學技術研究所（NIED）提供KiK-net地震觀測數據和測井資料。

作者簡介：韓超（1990—），男，四川廣元人，成都理工大學碩士研究生在讀，研究方向：天然地震。