強震山區低山斜坡地震動響應特征分析

王國康 王運生 劉江偉 周 粵蘇 毅 畢楊楊 向 超

1 成都理工大學環境與土木工程學院，成都市二仙橋東三路1號，6100592 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都市二仙橋東三路1號，610059

2008年汶川地震后，國內外學者開始對山區地震動響應的規律進行深入研究[1-5]，但主要是以震動臺等物理實驗結合數值模擬的方法探究以基巖或深厚層覆蓋層為介質的地震動響應，且研究區大多分布在海拔較高的山區，缺乏對薄覆蓋層地區的研究。

2019-06-17 22：55：43四川省宜賓市長寧縣發生6.0級地震，震源坐標104.90°E、28.34°N，震源深度16 km。地震發生后，地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室緊急成立調查小組前往災區，并在不同場地條件下布設了地震動監測儀器。通過對余震數據進行對比，分析地震動參數在不同場地下的差異性，對于災后重建和建筑物的抗震及穩定性評價有重要的研究意義。

1 監測點概況

四川省宜賓市長寧縣位于四川盆地東南部邊緣，大地構造上屬于較為穩定的揚子板塊[6]，地質構造以褶皺為主，且大部分褶皺為近NE向和近EW向[7]。研究區域內存在2條活動斷層，分別為NE向的華鎣山斷裂和NW向的雅安-宜賓隱伏斷裂，此次長寧6.0級地震震中就位于2條斷裂交會處[7]。從圖1可以看出，余震大部分沿雅安-宜賓斷裂分布。

圖1 監測點位置及監測點剖面Fig.1 Monitoring points location and monitoring geological profile by geound shocks

本文采用2臺中國地震局工程力學研究所研發的G01NET-3型結構與斜坡地震動響應監測儀，儀器布設在長寧縣雙河鎮北緣。監測點信息如表1所示，其中3#監測點為2#監測點移動后位置。場地巖性分為2類，一類是下奧陶統薄層狀砂質泥巖，另一類是8～9 m厚的粘土夾少量碎石，較為密實。

表1 各監測點信息

2 監測數據分析

2.1 第1次監測

在第1次監測到的數據中，選取3.4級余震數據進行分析。由圖2可以看出，本次地震持續時間短、幅度大。

圖2 3.4級地震加速度時程曲線對比Fig.2 Comparison of acceleration time history curve of MS3.4 earthquake

位于山腳的1#監測點峰值加速度在0.1～0.16m/s2之間，而2#監測點峰值加速度最大達到0.7 m/s2，顯著強于1#監測點。在東西、南北與垂直3個方向上，各個監測點均有不同程度的響應，總體來說南北向峰值加速度略大于東西向，且二者顯著大于垂直向。這表明監測點在地震荷載作用下的場地擺動優勢方向為NS向，震源機制解顯示余震具有逆沖兼左旋走滑特性[8]，主壓應力方向為近NS向，這與場地擺動優勢方向較為一致。

地震的加速度時程曲線反映了地震波的時域信息，對地震波數據進行傅里葉級數變換可以得到地震波的頻域信息。由圖3可以看出，測點的場地條件會影響地震波的頻率分布。

圖3 3.4級地震傅里葉譜Fig.3 Fourier spectrums of MS3.4 earthquake

1#監測點的傅里葉頻譜在2個水平方向上的卓越頻率均在7.53 Hz附近；垂直向則存在2個卓越頻率，分別為2.86 Hz和7.71 Hz，能量集中在0～20 Hz，分布較為平均。2#監測點在2個水平方向上均為單峰型，卓越頻率分別為5.63 Hz(東西)和5.52 Hz(南北)，傅里葉幅值最大達到0.162 m/s2。對比2個監測點的譜圖可以發現，2#監測點對0～10 Hz地震波的峰值加速度放大顯著，且能量主要集中在0～10 Hz附近。

2.2 第2次監測

由于雙河鎮房屋大多建設在山腳的覆蓋層上，為探究覆蓋層場地類型對地震動的響應，將山頂2#監測點移動至與山腳1#監測點近似高程的覆蓋層中，為方便區分，將其標記為3#監測點。測點布置好后于07-03監測到4.8級余震。

從圖4加速度時程曲線可以看出，1#和3#監測點的加速度相較于第1次監測顯著增強。1#監測點峰值加速度達到3.77 m/s2，3#監測點峰值加速度達到7.86 m/s2。從2個監測點3個方向的加速度曲線來看，3#監測點較1#監測點在各個方向基本都放大了2倍左右，說明位于同一高程，較薄的覆蓋層仍能對地震波起到一定的放大作用。與第1次監測到的余震不同，這次余震震源機制解顯示為純逆沖型地震，主壓應力方向為NE-SW向[8]，因此在2個監測點的水平方向時程曲線上都沒有表現出明顯的優勢方向。

圖4 MS4.8地震加速度時程曲線對比Fig.4 Comparison of acceleration time historycurve of MS4.8 earthquake

圖5的傅里葉頻譜曲線表明，地震波在1#監測點的輸出頻率為0～50 Hz，而在3#監測點的輸出頻率變為0～35 Hz，表明較密實的覆蓋層對地震波高頻成分有著很強的過濾吸收作用。3#監測點不僅對0～10 Hz頻段有放大作用，在12～17 Hz頻段內也有著明顯的放大作用，在垂直方向上尤為顯著。

圖5 MS4.8地震傅里葉譜Fig.5 Fourier spectrums of MS4.8 earthquake

2.3 阿里亞斯強度分析

利用2次監測數據計算得到的阿里亞斯強度如表2所示。在3.4級余震中，2個水平方向上的阿里亞斯強度放大效應較為明顯，其中南北向阿里亞斯強度甚至放大到了27倍之多，垂直方向上的放大系數為2.7倍，說明高高程對地震強度的放大效果明顯。在4.8級余震中，3個方向上的阿里亞斯強度放大系數都在3～6之間，無顯著的優勢方向，說明覆蓋層上地震的震動強烈，破壞性相較于基巖更顯著。

表2 阿里亞斯強度

2.4 加速度反應譜

為進一步研究場地與地震波的共振特性，引入加速度反應譜進行分析[9]。對2次余震數據校正后進行加速度反應譜分析，阻尼比分別設置為5%、10%、20%，結果如圖6和7所示。

圖6 3.4級地震加速度反應譜Fig.6 The acceleration response spectraof MS3.4 earthquake

當阻尼比設置為5%時，加速度幅值最大，隨著阻尼比的增大，加速度值下降非常明顯。雖然阻尼參數的變化影響著加速度幅值的變化，但并沒有改變加速度曲線的整體形態，且不同阻尼參數下的加速度曲線表現出相同的起伏。在第1次監測中，對2#監測點的數據設置20%阻尼比，其加速度峰值仍然略超過設置5%阻尼比的1#監測點；且在第2次監測中也出現了相同情況，但沒有第1次顯著。

圖7 4.8級地震加速度反應譜Fig.7 The acceleration response spectraof MS4.8 earthquake

監測數據表明，砂質泥巖場地的特征周期在0.18～0.2 s之間，而含碎石粘土層場地的特征周期在0.08 s附近，這可能是由于覆蓋層較薄、固有周期短，使得短周期地震波得到很好的響應，但會對建筑在覆蓋層上的剛度大、自振周期短的建筑物造成嚴重破壞。在對災區進行調查后發現，部分建于覆蓋層之上的院子出現了多條地裂縫，并伴隨著沙土液化等現象，如圖8所示。

圖8 長寧6.0地震造成的破壞Fig.8 Damage to the house caused by the Changning MS6.0 earthquake

3 放大效應分析

3.1 高程與微地貌放大效應

與1#監測點相比，2#監測點的峰值加速度在3個方向上分別放大1.82、7.13、1.43倍，阿里亞斯強度分別放大5.82、27.02、2.73倍。可以看出，隨著高程的增加，地震的破壞性能量也隨之增大。橫向對比每個監測點不同方向的數據可以看出，無論是峰值加速度還是阿里亞斯強度，南北向數據均大于東西向與垂直向，表現出強烈的方向性，因此需要結合監測點的地形特征來進行分析。監測點所在地形為一長條形丘陵，以監測點為界，西部山體走向約220°，東部山體走向約60°，因此當地震發生時，山體會沿垂直或近似垂直走向發生晃動，即沿南北向發生甩動，在地震動數據中就表現出明顯的優勢方向。

3.2 覆蓋層放大效應

3#監測點所處的場地為粘土夾碎石，與處于近似高程的山腳基巖處1#監測點進行對比，可以客觀反映出薄粘土覆蓋層對地震動的影響。與1#監測點相比，4.8級余震中3#監測點的峰值加速度在3個方向上分別放大2.09、2.27、2.77倍，阿里亞斯強度分別放大3.81、5.40、3.79倍?？梢钥闯?，覆蓋層場地加速度的放大沒有明顯的方向效應，3個方向的差距均不大。即使8～9 m厚的薄粘土層，對地震動的放大效應也十分明顯，甚至在一定范圍內不弱于高程的影響。

3.3 巖性選頻放大效應

監測點收集的地震波是不同介質傳播后的結果，地層巖性、密度、節理、裂隙等在一定程度上影響著地震動響應。1#監測點與2#監測點均位于砂質泥巖之上，當地震波輸入頻率為0～50 Hz時，其卓越頻率為2～10 Hz，表現出對中低頻的放大。3#監測點位于較密實的粘土含碎石場地，當地震波輸入頻率為0～50 Hz時，表現出對30 Hz以上的高頻波過濾、對2～17 Hz地震波放大。

4 結 語

1)在相同介質條件下，60 m高程對地震動的峰值加速度放大可達1～3倍，阿里亞斯強度放大2～5倍，且水平方向顯著強于垂直方向；由于監測點所在山體近似為東西走向，因此在地震荷載下，山體沿南北方向的地震動峰值加速度顯著強于東西方向。

2)在相同高程條件下，僅8～9 m的含碎石粘土覆蓋層即可對地震動峰值加速度放大2倍左右，阿里亞斯強度結果也表明，覆蓋層的破壞能量強于基巖。而在該場地條件下，地震動響應并無明顯的優勢方向。

3)加速度反應譜顯示，砂質泥巖場地的特征周期在0.18～0.2 s左右，較密實粘土含碎石場地特征周期在0.08 s左右，同時粘土含碎石場地還表現出對30 Hz以上地震波的顯著過濾作用。此次地震的反應加速度較大，地震能量大，雙河鎮的建筑物受到一定的共振作用，晃動劇烈。

4)強震山區房屋應建設在基巖上，高程盡可能降低，避免用素填土直接填筑地基，若填筑則必須進行夯實處理，并實測地基周期，避免與房屋周期產生共振。在房屋結構上避免利用磚混結構，采用鋼筋混凝土或框架結構等剛度較小的柔性結構，阻尼效果更好，可有效減輕地震破壞性。