閆靜茹 張郁山 鄧 菲 李 偉

（中國地震災(zāi)害防御中心, 北京 100029）

引言

2022 年6 月1 日四川雅安地區(qū)發(fā)生6.1 級地震，現(xiàn)場震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)地震造成道路中斷，隧道及公路破壞嚴重。這種災(zāi)害情況一方面與地形結(jié)構(gòu)較復雜、山區(qū)落石較多有關(guān)，另一方面還應(yīng)關(guān)注場地條件導致的震害表現(xiàn)，尤其是峰值加速度、峰值速度、峰值位移等參數(shù)的放大效應(yīng)影響。大量研究表明，場地的地震效應(yīng)與場地結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，場地條件不同對基巖運動的放大縮小效應(yīng)不同，引起的地震災(zāi)害形式不同。近年來，越來越多的學者關(guān)注近地表土壤條件對地面運動的影響，馮希杰等（2001）通過實際土層地震反應(yīng)結(jié)果的統(tǒng)計分析和強震加速度觀測結(jié)果的對比，討論了不同場地條件對基巖峰值加速度的放大效應(yīng)及特點；薄景山等（2003a，2003b）通過構(gòu)造場地計算剖面，研究了不同土層結(jié)構(gòu)對地表加速度峰值及反應(yīng)譜平臺值的影響；陳黨民等（2013）基于西安地區(qū)大量鉆孔資料，進行了典型場地剖面的地震反應(yīng)計算，得到場地峰值放大系數(shù)隨等效剪切波速、覆蓋層厚度及基巖輸入地震動強度的變化關(guān)系。綜上所述，學者們關(guān)于場地效應(yīng)的研究多集中于峰值加速度及加速度反應(yīng)譜，對峰值速度、峰值位移等其他地震動參數(shù)的研究較少。

通過工程實踐及相關(guān)研究表明（O’Rourke 等，2001；陳波，2013），峰值速度、峰值位移可表征地震動的中低頻信息，對中長周期結(jié)構(gòu)影響較大，尤其是峰值速度與地震震級有較好的相關(guān)性，可提供有關(guān)地震動頻率含量和強震持時的有關(guān)信息，相較于其他強度指標，峰值速度與變形需求的相關(guān)性更好（Akkar 等，2005），同時，O’Rourk 等（2001）在生命線工程巖土性能研究中發(fā)現(xiàn)峰值速度與埋深管道的地震破壞有密切關(guān)系，推測本次隧道與公路的嚴重破壞及峰值速度的變化關(guān)系有關(guān)。本文在全面分析雅安地區(qū)場地地震動特征的基礎(chǔ)上，以峰值速度作為地震動參數(shù)指標，研究四川雅安地區(qū)場地條件引起的峰值速度放大效應(yīng)，分析等效剪切波速與覆蓋土層厚度及峰值速度的變化關(guān)系，研究雅安地區(qū)峰值速度引發(fā)震動反應(yīng)的一般特征。本文研究成果可用于雅安地區(qū)場地峰值速度放大倍數(shù)指標的確定，為地震備災(zāi)工作提供技術(shù)支持。同時，本文明確指出本地區(qū)軟土場地更易引起場地峰值速度的放大，可為生命線工程的抗震選址等工作提供參考。

1 雅安地區(qū)鉆孔基礎(chǔ)資料

雅安地區(qū)鉆孔基礎(chǔ)資料的獲取來源于已通過評審的雅安地區(qū)重大工程場地地震安全性評價項目，通過收集整理，獲取雅安地區(qū)鉆孔有效數(shù)據(jù)27 個，基本可描述雅安地區(qū)的場地情況。根據(jù)對鉆孔數(shù)據(jù)的土層分布、剪切波速、覆蓋層厚度、成孔信息進行梳理后，建立相應(yīng)鉆孔的土層反應(yīng)模型，同時，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011?2010）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）中場地類別劃分標準，建立的27 個模型均屬于Ⅱ類場地，鉆孔分布情況如表1 所示。

表1 場地鉆孔資料分布情況Table 1 Site borehole data distribution map

為更清楚地認識雅安地區(qū)的地形條件及場地土層情況，圖1 給出了本次地震震中及蘆山縣地形地貌，圖2 給出了所選雅安地區(qū)場地鉆孔土層的剪切波速隨埋深的變化曲線。由圖1 和圖2 可知，該地區(qū)地形有一定起伏變化，周邊山區(qū)較多，選取的場地土層較堅硬，大部分土層等效結(jié)構(gòu)剪切波速大于350 m/s，且場地上覆蓋土層較淺。

圖1 雅安及周邊蘆山縣地形地貌Fig. 1 Topographic and geomorphological map of Ya'an and surrounding Lushan

圖2 場地剪切波速隨埋深變化Fig. 2 Site shear wave velocity varies with burial depth

2 時程輸入信息

由于發(fā)震時間距今較短，未搜集到本次地震較有效的強震觀測記錄信息，但地震備災(zāi)及災(zāi)后重建需建立在基于場地條件的地震災(zāi)害影響分析基礎(chǔ)上。本文為全面分析雅安地區(qū)場地條件對強震輸入峰值速度的影響效應(yīng)，為本地區(qū)今后的地震災(zāi)害防御工作提供技術(shù)支撐，本文采用可搜集到的雅安蘆山縣7.0 級地震的強震記錄作為基巖輸入時程（表2、圖3）。同時，為全面考慮當?shù)卣疠斎敕逯导铀俣纫恢聲r，峰值速度及頻譜分布特征不同造成的結(jié)果變化，從NGA 數(shù)據(jù)庫中選取震級和震源深度較相近的地震事件作為補充，NGA 強震數(shù)據(jù)如表3、圖3 所示。

圖3 基巖反應(yīng)譜Fig. 3 Bedrock response spectrum

表2 輸入基巖時程信息（蘆山地震強震數(shù)據(jù)）Table 2 Input bedrock time-histories information（Data from Lushan earthquake）

3 計算結(jié)果及分析

為分析雅安地區(qū)場地地震動反應(yīng)特征，本文設(shè)計如下計算分析方案：

（1）分別建立場地計算模型；

（2）利用表2、表3 中的時程記錄信息作為輸入進行土層反應(yīng)分析；

表3 輸入基巖時程信息（NGA 強震數(shù)據(jù)）Table 3 Input bedrock time-histories information（Data from NGA）

（3）利用等效線性化方法進行場地地震反應(yīng)計算。

3.1 計算結(jié)果

3.1.1 場地地表加速度反應(yīng)譜

圖4 為不同基巖輸入下場地地表地震反應(yīng)譜。由圖4 可知，地表反應(yīng)譜譜形受基巖輸入譜譜形影響，不同鉆孔反應(yīng)譜譜形較一致，說明選取的雅安地區(qū)鉆孔場地基巖上覆土層結(jié)構(gòu)變化較小，土類較一致。對比蘆山地震及NGA 強震記錄輸入下的場地反應(yīng)計算結(jié)果，在相同PGA 基巖輸入的基礎(chǔ)上，由于輸入譜譜形的不一致，導致場地加速度峰值及反應(yīng)譜變化不同，尤其是在記錄0789 與HYT-0201 基巖輸入下，計算反應(yīng)譜和峰值加速度均出現(xiàn)明顯差異，這說明場地的震動破壞不僅與震級和震源深度有關(guān)，而且與地震發(fā)生時產(chǎn)生的基巖地震動頻譜分布特征密切相關(guān)。此外，除記錄0789 基巖輸入外，隨著震動強度的增加，譜加速度在短周期范圍內(nèi)出現(xiàn)顯著的發(fā)散，這是由于記錄0789 基巖輸入長周期成分較豐富，能量較強，對地震峰值反應(yīng)起主導作用，而大量的長周期成分不易被土層過濾，受土層放大效應(yīng)的影響較小，短周期反應(yīng)譜譜值發(fā)散不明顯。同時，不同地震作用下的場地反應(yīng)譜峰值多處于0.2 s 周期范圍，說明雅安地區(qū)場地卓越周期處于此區(qū)間，可導致自振周期為0.2 s 的建筑物發(fā)生較嚴重的破壞。

圖4 場地地表加速度反應(yīng)譜Fig. 4 Site ground acceleration response spectrum

3.1.2 場地地表峰值加速度分布情況

圖5 和圖6 分別給出了蘆山地震及NGA 強震輸入下的場地地表峰值加速度分布情況。由圖5 和圖6 可知，隨著基巖峰值加速度的增大，地表峰值加速度呈增大趨勢，但這種增大趨勢在高震級地震動輸入時趨于放緩。蘆山地震與NGA 強震輸入下，除記錄 HYT-0201 和0789 外，場地地表峰值加速度變化區(qū)間較一致。同時，弱地震記錄PXZ-0202 和3390 輸入下得到的場地地表峰值加速度為12.7～25.5 Gal，強地震記錄TQL-0202 和0994 輸入下得到的場地地表峰值加速度為291.7～591.2 Gal。

圖5 場地地表峰值加速度分布（蘆山地震輸入）Fig. 5 Site ground peak acceleration distribution（Lushan earthquake）

圖6 場地地表峰值加速度分布（NGA 地震輸入）Fig. 6 Site ground peak acceleration distribution（NGA）

3.1.3 場地地表峰值速度分布情況

圖7 和圖8 分別給出了蘆山地震及NGA 強震輸入下場地地表峰值速度分布情況。由圖7 和圖8 可知，隨著基巖峰值速度的增大，地表峰值速度呈顯著增大趨勢，且隨著地震強度的提高，地表峰值速度呈更大的增長趨勢。與峰值加速度不同的是，場地峰值速度在蘆山地震及NGA 強震輸入下呈不同的變化情況，普遍來說，NGA 強震會引起較大的地表峰值速度，地震強度越大，這種影響越明顯。同時，相比峰值加速度，峰值速度未呈現(xiàn)同樣的增大趨勢，如記錄PXZ-0202 及0789 的峰值速度大于記錄MNC-0202 及1021，這與峰值加速度的變化不同。峰值速度反映了場地的變形指標，與地下管道和隧道公路的破壞關(guān)系較大，因此在以往研究中單一進行場地峰值加速度分析易忽略峰值速度對場地變形的影響，從而影響分析結(jié)果的全面性。

圖7 場地地表峰值速度分布（蘆山地震輸入）Fig. 7 Site ground peak velocity distribution（Lushan earthquake）

圖8 場地地表峰值速度分布（NGA 地震輸入）Fig. 8 Site ground peak velocity distribution（NGA）

3.2 峰值速度放大效應(yīng)分析

為進一步分析峰值速度變化特征，引入場地速度放大系數(shù)kvi：

式中，kvi為編號為i的基巖地震輸入速度放大系數(shù)；vsi為編號為i的地震輸入地表峰值速度；vpi為編號為i的基巖地震輸入峰值速度。

3.2.1 峰值速度放大系數(shù)隨基巖輸入的變化

圖9 和圖10 分別給出了蘆山地震及NGA 強震輸入下峰值速度放大系數(shù)隨基巖輸入的變化曲線。由圖9和圖10 可知，不同地震輸入下峰值速度放大系數(shù)為1～1.8，除記錄PXZ-0202、0789 和1091 外，其他地震輸入下的地表峰值速度放大系數(shù)均較分散。觀察基巖反應(yīng)譜，發(fā)現(xiàn)記錄PXZ-0202 及0789 均存在中低頻成分豐富，而高頻成分較少的現(xiàn)象，說明場地峰值速度放大效應(yīng)變化與加速度反應(yīng)譜頻譜特性分布有一定的相關(guān)性。蘆山地震下，高強度地震輸入（如記錄TQL13-0202）引起的場地放大效應(yīng)程度更大，但此規(guī)律在NGA輸入時并不明顯。

圖9 場地地表峰值速度放大系數(shù)分布（蘆山地震輸入）Fig. 9 Site ground peak velocity magnification factor distribution

圖10 場地地表峰值速度放大系數(shù)分布（NGA 地震輸入）Fig. 10 Site ground peak velocity magnification factor distribution

3.2.2 峰值速度放大系數(shù)隨場地特征的變化

為比較蘆山地震和NGA 強震輸入下，雅安地區(qū)場地結(jié)構(gòu)對峰值速度的影響效應(yīng)，給出地表峰值速度放大系數(shù)隨場地等效剪切波速和覆蓋層厚度的變化曲線，如圖11 所示，其中散點為各場地鉆孔的峰值速度放大系數(shù)，直線為根據(jù)散點圖繪制的擬合曲線。由圖11 可知，除極個別情況外，峰值速度放大系數(shù)kv在不同強度基巖輸入下，大致呈隨等效剪切波速的增大而減小的趨勢，而kv隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律不明顯，說明場地剪切波速對峰值速度的影響較大，軟土場地更易引起場地效應(yīng)的放大。由峰值速度放大系數(shù)kv隨等效剪切波速的變化特征可知，蘆山地震與NGA 強震引起的場地峰值速度隨等效剪切波速的放大趨勢不同，以記錄PJD-0201 和1091 為例，可看出場地剪切波速對記錄1091 的放大效應(yīng)影響不明顯?？傮w來說，雅安地區(qū)軟土場地（等效剪切波速較?。┰谔J山地震作用下呈現(xiàn)出更大的放大效應(yīng)，這種情況尤其在強震輸入時更顯著。

圖11 場地峰值速度放大系數(shù)隨場地特征變化情況Fig. 11 Site ground peak velocity magnification factor varies with site characteristics

4 結(jié)論

本文采用等效線性化方法進行雅安地區(qū)場地反應(yīng)計算，得到該地區(qū)各類參數(shù)的場地反應(yīng)特征，重點開展峰值速度對場地的放大效應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

（1）雅安地區(qū)鉆孔反應(yīng)譜譜形較一致，土層結(jié)構(gòu)變化較小、土類分布均勻。該地區(qū)場地卓越周期約為0.2 s，本次地震引起的自振周期為0.2 s 的建筑物破壞相對嚴重。

（2）對比蘆山地震及NGA 強震記錄輸入下的場地反應(yīng)計算結(jié)果，在相同PGA 基巖輸入的基礎(chǔ)上，由于輸入譜譜形的不同，導致場地加速度峰值及反應(yīng)譜變化不同。

（3）不同地震動輸入下峰值速度放大系數(shù)為1～1.8。隨著基巖峰值加速度的增大，地表峰值加速度和峰值速度均呈增大趨勢，同時峰值加速度在高震級地震動輸入時增大趨勢減緩。普遍來說，NGA 強震會引起較大的地表峰值速度，地震強度越大，影響越明顯。

（4）峰值速度放大系數(shù)kv在 不同強度基巖輸入下，大致隨等效剪切波速的增大而減小，而kv隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律不明顯，說明場地剪切波速對峰值速度的影響較大，軟土場地更易引起場地峰值速度的放大。同時，這種放大效應(yīng)在蘆山地震強震動作用下更為顯著。

致謝 感謝四川省地震局提供的大量場地鉆孔資料，感謝中國地震局工程力學研究所工程技術(shù)研究中心提供的強震動觀測數(shù)據(jù)，感謝中國地震災(zāi)害防御中心張郁山研究員提供的建議和幫助。