師黎靜， 劉佳軒， 陳盛揚(yáng),2

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

大量震后調(diào)查與理論研究表明，不同土質(zhì)和地形的場地上震害有顯著差異。為了考慮局部場地條件影響，國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范通過合理劃分場地類別，并依據(jù)場地類別確定設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行抗震設(shè)防。各國規(guī)范中場地類別劃分指標(biāo)多采用等效剪切波速Vs20、Vs30、覆蓋土層厚度等。而一些研究表明，相對于等效剪切波速和覆蓋層厚度等，場地特征周期是以單一指標(biāo)進(jìn)行場地分類的最佳指標(biāo)[1-2]。

場地周期一般可以通過強(qiáng)震動數(shù)據(jù)、地脈動數(shù)據(jù)和理論計(jì)算等方法確定?；趶?qiáng)震動數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，需要強(qiáng)震動觀測記錄，僅適用于地震多發(fā)區(qū)和強(qiáng)震臺址場地，且強(qiáng)震數(shù)據(jù)中會包含復(fù)雜的場地非線性效應(yīng)[3]；理論計(jì)算方法需鉆孔和波速勘測工作，且僅表達(dá)鉆孔深度內(nèi)的場地特性；而地脈動可隨時(shí)在地表自由場地進(jìn)行觀測。以地脈動卓越周期進(jìn)行場地類別劃分的方法簡便經(jīng)濟(jì)快捷，同時(shí)其體現(xiàn)的是覆蓋層厚度范圍及測點(diǎn)周圍土體的整體動力特性，特別適合于量大面廣的工程場地。

我國多部歷史規(guī)范和手冊，包括建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[4](1964)、《巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊》[5](2005)等，都曾給出基于地脈動水平向傅氏譜卓越周期的場地類別劃分方案和標(biāo)準(zhǔn)。第二代建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(草案稿)劃分場地類別的參考指標(biāo)中包含了卓越周期；《地震區(qū)工程選址手冊》[6]規(guī)定在缺乏場地剪切波速資料時(shí)，可以從分析地面脈動、弱震及微震記錄中得到土層周期；《場地微振動測量技術(shù)規(guī)程》[7]在歸納國內(nèi)外地脈動觀測資料基礎(chǔ)上，給出基于地脈動卓越周期的場地類別劃分方案；《巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊》給出了與《地震區(qū)工程選址手冊》相近的場地分類方案。具體劃分方案和標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 歷史版本規(guī)范和手冊中基于地脈動卓越周期的場地類別劃分方案及相應(yīng)的規(guī)范分類指標(biāo)Tab.1 Site classification criterion based on microtremors predominant period and the corresponding classifications indexes in the historical edition codes and manuals

然而我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)歷過多次版本更新，覆蓋層厚度、等效剪切波速及其計(jì)算深度等指標(biāo)已有多次修正。現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[8](2016)已將早期的15 m深度平均剪切波速Vsm(1989規(guī)范[9])修改為20 m深度等效剪切波速Vse；Ⅱ類場地與Ⅲ類場地覆蓋層厚度界限也進(jìn)行了修正，分別由9 m(1989規(guī)范，當(dāng)Vsm≤140 m/s)和80 m(1989規(guī)范，當(dāng)140 m/s≤Vsm≤250 m/s)修改為15 m(當(dāng)Vse≤140 m/s)和50 m(當(dāng)140 m/s≤Vsm≤250 m/s)；等效剪切波速Vse界限由140 m/s(2001規(guī)范[10])提升到150 m/s。對應(yīng)于歷史版本的卓越周期場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)已不適于現(xiàn)行規(guī)范，迫切需要建立一套對應(yīng)于現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的卓越周期場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)。

早期地脈動研究和應(yīng)用主要以水平向傅氏譜為主，上述表1的周期范圍也均是地脈動水平向傅氏譜的卓越周期。相比于水平向傅氏譜，地脈動單點(diǎn)H/V譜比克服了易受傳播路徑與脈動激勵(lì)源影響等問題，譜形更為穩(wěn)定。在Nakamura[11]提出并由Finn[12]總結(jié)后，迅速成為地脈動研究和應(yīng)用中的主流方法。最新研究和應(yīng)用均表明[13-15]，盡管單點(diǎn)譜比的物理意義有瑞利波橢圓率、勒夫波艾力相位或S波共振等有多種不同的解釋，其峰值會受場地速度結(jié)構(gòu)和噪聲源的位置等影響，但單點(diǎn)譜比法總可以可靠的給出場地基階周期。

基于上述認(rèn)識，Mihaylov等[16]、Sánchez等[17]與Khedr等[18]分別在多倫多地區(qū)、墨西哥地區(qū)及尼羅河三角洲附近等地，利用地脈動單點(diǎn)譜比法獲得場地卓越周期參數(shù)進(jìn)行場地類別劃分與小區(qū)劃。國內(nèi)也有很多研究者[19-20]通過脈動單點(diǎn)譜比法獲取代表場地的卓越周期進(jìn)行場地條件與類別的研究。為了快速測定場地分類指標(biāo)覆蓋層厚度和等效剪切波速，師黎靜等[21]也曾分別建立了地脈動H/V譜比卓越周期與二者間的相關(guān)關(guān)系。而我國的場地類別劃分同時(shí)使用覆蓋層厚度和等效剪切波速兩個(gè)指標(biāo)。場地基階周期由覆蓋土層的綜合性質(zhì)決定，一般隨等效剪切波速增大而增大，隨場地覆蓋層厚度增大而減小。然而場地基階周期與我國規(guī)范場地類別劃分指標(biāo)分界值并不完全對應(yīng)和匹配，不同類別場地周期可能還會出現(xiàn)混疊。本文直接研究地脈動H/V譜比卓越周期與我國場地類別的對應(yīng)關(guān)系，為確定周期劃分標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

本文首先在不同類別場地上進(jìn)行地脈動單點(diǎn)三分向數(shù)據(jù)觀測，并以鉆孔勘探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用兩種理論簡化計(jì)算方法分別獲得場地周期Tz和Ts；通過H/V譜比法獲得場地地脈動卓越周期T并擬合T與Tz、T與Ts的線性關(guān)系，說明地脈動H/V譜比法獲得場地卓越周期的準(zhǔn)確性，為后續(xù)結(jié)果檢驗(yàn)提供理論依據(jù)；對地脈動卓越周期的箱型圖統(tǒng)計(jì)分析、正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)分析，以及引用師黎靜等的場地特征參數(shù)快速測定方法的擬合公式分析，給出基于我國場地分類規(guī)范的卓越周期的建議范圍；以理論計(jì)算方法對另搜集的鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算獲得卓越周期，通過對卓越周期判定場地類別的準(zhǔn)確率計(jì)算說明本方案的有效性；通過本文方案與基于數(shù)值模擬、理論計(jì)算及震前背景噪聲方法等的對比說明本文方案的合理性。

1 地脈動觀測場地

1.1 觀測場地類別及其波速結(jié)構(gòu)

本文共在76個(gè)場地上進(jìn)行了地脈動單點(diǎn)三分向觀測，其中Ⅱ類場地45個(gè)，Ⅲ類場地31個(gè)。觀測場地的土層主要以細(xì)沙、粗砂及粉質(zhì)黏土為主。圖1展示了76個(gè)場地的剪切波速結(jié)構(gòu)，其中觀測場地的覆蓋層厚度最淺為5 m，最深為176 m，等效剪切波速Vs20最小為150 m/s，最大為430 m/s。相比于Ⅲ類場地，大部分Ⅱ類場地剪切波速較大而覆蓋層較小，部分Ⅱ類場地剪切波速結(jié)構(gòu)與Ⅲ類場地相近；整體上，場地剪切波速隨深度逐層遞增，其中也有一些剪切波速局部突變，即包含軟夾層和硬夾層的場地。圖2分別給出76個(gè)場地的等效剪切波速Vs20和覆蓋層厚度的統(tǒng)計(jì)分布。由圖可見，有約90%的場地覆蓋層厚度小于80 m，等效剪切波速在各分組區(qū)間內(nèi)均不少于5個(gè)場地。

圖1 場地剪切波速結(jié)構(gòu)Fig.1 Site shear wave velocity structures

1.2 觀測場地的理論計(jì)算周期

工程中通常基于鉆孔波速測試數(shù)據(jù)，采用子層周期求和法估算場地基階周期，《工程地質(zhì)手冊》[22]給出的子層周期求和法如式(1)

(1)

式中:Tz為子層周期求和法計(jì)算獲得的場地周期；di為計(jì)算深度內(nèi)，第i層土層的厚度(m)；Vsi為計(jì)算深度內(nèi)，第i層土層的剪切波速(m/s)；n為計(jì)算場地鉆孔土層層數(shù)。該方法將土層等效簡化后，求解各土層子周期進(jìn)行代數(shù)相加，較為合理的計(jì)算了場地周期。

齊文浩等[23]認(rèn)為子層周期求和法不能正確反映場地土層結(jié)構(gòu)的影響，于是將水平成層場地逐層單自由度化后，利用單自由度體系的周期公式推導(dǎo)出場地基本周期的修正公式(逐層單自由度法)(式(2))。

(2)

通過式(1)、(2)對76個(gè)鉆孔勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行基階周期的理論計(jì)算，分別獲得代表場地的周期Tz與Ts。圖3給出了Tz與Ts的散點(diǎn)分布圖，由圖可知，上述理論計(jì)算值Tz與Ts整體上較為接近，Ts/Tz的值略小于1。Ⅱ類場地的理論計(jì)算周期范圍大致為0.069～0.76 s；Ⅲ類場地的理論計(jì)算周期范圍大致為0.55～1.83 s。

圖3 Tz與Ts散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of Tz and Ts

2 觀測場地的地脈動H/V譜比分析

2.1 H/V譜比法

Nakamura等[24]在計(jì)算豎向地震動與水平地震動PGA比值時(shí)，發(fā)現(xiàn)場地的軟硬程度與放大系數(shù)有良好的相關(guān)性。后續(xù)研究表明，以同一地表測點(diǎn)地脈動水平分量與豎向分量的傅氏譜譜比可以有效的估計(jì)場地動力特征，這一方法通常被稱作Nakamura法。根據(jù)Nakamura等的推導(dǎo)，場地的傳遞函數(shù)可以由式(3)表示

(3)

式中，地表場地與地下基巖對應(yīng)于同一微動的水平分量與豎直分量的傅氏譜幅值分別為HS(T)、VS(T)、HB(T)、VB(T)。式(1)中的傳遞函數(shù)TF由三項(xiàng)式乘積來表示，分別為地表處水平傅氏譜與垂直傅氏譜比值HVSRS、地表與基巖的垂直分量傅氏譜比值VS(T)/VB(T)、基巖處水平傅氏譜與垂直傅氏譜比值的倒數(shù)1/HVSRB。Nakamura提出了兩點(diǎn)假設(shè)：

(1) 在微動作用下，基巖表面不會在某一頻段或某一方向上產(chǎn)生放大作用，基巖的H/V譜比為1，即HVSRB≈1。

(2) 在同一微動作用下，波從基巖傳至地層表面時(shí)，在水平向會被明顯的放大，而垂直分量基本不放大。地表與基巖的垂直分量傅氏譜比值為1，即VS(T)/VB(T)≈1。

因此，場地傳遞函數(shù)近似等于地表地脈動數(shù)據(jù)水平分量與豎向分量的傅氏譜譜比，即TF≈HVSRS。Nakamura和國內(nèi)外大量研究者利用地脈動與地震動等數(shù)據(jù)對該假設(shè)及結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果均表明地脈動譜比值在時(shí)間上有很好的穩(wěn)定性，可以得到代表場地特征的卓越周期。

2.2 地脈動卓越周期T的獲取

地脈動單點(diǎn)三分向觀測時(shí)，采樣頻率為100 Hz，觀測時(shí)長10 min左右。通過對76個(gè)場地的地脈動三分向數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，獲得HVSR曲線及場地卓越周期。為了減少因儀器傾斜等引起的基線漂移對HVSR曲線及卓越周期的影響，首先對地脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校正與帶通濾波。基線矯正采用了去均值和去趨勢方法。帶通濾波采用了Butterworth濾波器，通帶范圍選取0.1～20 Hz。師黎靜等的研究表明[25]，對已處理的三分向地脈動數(shù)據(jù)信號施加窗長為20.48 s的漢寧窗，進(jìn)行譜分析得到三分向傅氏譜及比譜，采用光滑點(diǎn)為5的光滑函數(shù)對HVSR曲線進(jìn)行平滑處理后，獲得的HVSR曲線及場地卓越周期T較為穩(wěn)定、清晰、便于識別。本文采取了相同的處理方法，其中三分向傅氏譜譜比計(jì)算如式(4)

(4)

式中:H1、H2分別為NS、EW方向的傅氏譜;V為UD方向的傅氏譜;i表示時(shí)間窗的編號;n為時(shí)間窗的個(gè)數(shù)。以地脈動數(shù)據(jù)及式(4)獲得的場地卓越周期記為T。作為示例，圖4給出其中一個(gè)典型場地的三分向地脈動時(shí)程圖和該場地的H/V譜比圖。

圖4 三分向地脈動及H/V譜比圖Fig.4 Three-component microtremors and H/V spectral ratio

圖5分別給出了76個(gè)場地卓越周期T與覆蓋層厚度、等效剪切波速Vs20的散點(diǎn)分布。由圖5可見，觀測場地的地脈動卓越周期分布范圍為0.063～1.724 s，其中Ⅱ類場地的卓越周期大致為0.063～0.77 s，Ⅲ類場地的卓越周期大致為0.47～1.724 s，從整體上看，Ⅱ類場地的卓越周期較小于Ⅲ類場地的卓越周期。圖5較為符合等效剪切波速Vs20隨場地卓越周期的增大而減小、場地覆蓋層厚度隨場地卓越周期的增大而增大的趨勢。

3 H/V卓越周期與場地類別

3.1 Tz、Ts與T的線性關(guān)系

地脈動H/V卓越周期反映了場地整體的動力放大性能，場地簡化理論計(jì)算周期反映了鉆孔波速測試深度范圍內(nèi)的動力性能，理論上二者計(jì)算值會存在一些差別。但考慮到基巖的放大效應(yīng)較弱，如果鉆孔波速測試深度達(dá)到工程基巖(波速大于500 m/s)，二者則會接近一致。本節(jié)通過與場地理論簡化計(jì)算周期對比，定性檢驗(yàn)和說明76個(gè)場地地脈動H/V譜比卓越周期的精度，并擬合出二者間的相關(guān)關(guān)系，為后續(xù)場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)提供依據(jù)。

基于式(1)、(2)計(jì)算的兩組場地基階周期Tz與Ts以及地脈動H/V譜比獲得的場地卓越周期T，圖6給出了Tz與Ts，Ts與T的散點(diǎn)分布圖及線性擬合公式。其中，二者截距都接近于0，但斜率Tz/T=1.3>Ts/T=1.1，說明Ts與T的吻合程度高于Tz與T的吻合程度。Tz與Ts均是在假設(shè)場地成層情況下簡化計(jì)算進(jìn)行的，存在一定的系統(tǒng)誤差。整體上看，子層周期求和法(Tz)對于場地周期會高估，而逐層單自由度法(Ts)在考慮了場地結(jié)構(gòu)的影響后，對場地周期的計(jì)算更為合理。上述兩方法得到的場地周期與H/V譜比法得到的卓越周期均有良好的線性關(guān)系，說明本文使用的H/V譜比法計(jì)算獲得的場地卓越周期T具有一定準(zhǔn)確性。

圖6 T與Tz、T與Ts擬合關(guān)系圖Fig.6 Correlation between T and Tz, T and Ts

3.2 卓越周期場地分類的范圍界定

場地簡化理論計(jì)算周期反應(yīng)鉆孔深度內(nèi)的土層動態(tài)特性，這與我國場地分類指標(biāo)中等效剪切波速Vs20僅反應(yīng)20 m內(nèi)的場地信息有所差別，并不能簡單的使用場地分類指標(biāo)界限與理論計(jì)算公式獲得各類場地的周期界限，而脈動獲得的場地卓越周期與我國場地類別也不存在完全一致對應(yīng)關(guān)系，不同類別場地會產(chǎn)生部分卓越周期重疊的情況，因此僅能用統(tǒng)計(jì)方法確定周期邊界。在數(shù)據(jù)處理中常用箱型圖、正態(tài)分布等方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來確定數(shù)據(jù)分布范圍。箱型圖以四分位數(shù)有一定的數(shù)值耐抗性為基礎(chǔ)，可以有效的排除因異常值帶來的邊界范圍影響。而正態(tài)分布是對數(shù)據(jù)整體進(jìn)行均值標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)計(jì)算，并通過概率置信區(qū)間來確定邊界范圍。因此本文使用上述兩種統(tǒng)計(jì)方法對脈動卓越周期T進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定Ⅱ、Ⅲ類場地的周期邊界。由于缺少Ⅰ、Ⅳ類場地的脈動卓越周期數(shù)據(jù)，因此采用師黎靜等的場地特征參數(shù)快速測定方法的擬合公式與我國場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)確定四類場地周期范圍，最終綜合三類方法給出基于我國場地分類規(guī)范的卓越周期經(jīng)驗(yàn)劃分范圍。

統(tǒng)計(jì)以地脈動H/V譜比法獲得的76個(gè)場地卓越周期T，對Ⅱ、Ⅲ類場地卓越周期進(jìn)行箱型圖結(jié)果計(jì)算(圖7)。?、蝾悎龅嘏cⅢ類場地的上邊緣與下邊緣數(shù)據(jù)作為場地分類的確定性范圍，可以有效的排除個(gè)別場地的異常值數(shù)據(jù)對場地卓越周期分布的影響，其中Ⅱ類場地卓越周期異常值有4個(gè)，Ⅲ類場地卓越周期異常值有1個(gè)。在Ⅱ類場地與Ⅲ類場地的邊界范圍取平均值作為場地卓越周期分類的邊界，對于Ⅰ類場地與Ⅳ類場地合理外推。由此得到的Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類場地對應(yīng)的卓越周期范圍分別為：T<0.06 s，0.06 s1.11 s。

統(tǒng)計(jì)Ⅱ、Ⅲ類場地卓越周期T的分布直方圖(圖8)，可以將Ⅱ、Ⅲ類場地卓越周期T近似視為對數(shù)正態(tài)分布，即

(a)

(b)圖8 Ⅱ、Ⅲ類場地卓越周期對數(shù)正態(tài)分布圖Fig.8 Log-normal distribution diagram of the predominant period for II，Ⅲ sites

T～lg-N(μ,σ2)

對卓越周期T取對數(shù)后，則有l(wèi)n(T)～N(μ,σ2)，計(jì)算ln(T)正態(tài)分布參數(shù)見表2，取90%置信區(qū)間，則有Ⅱ類場地卓越周期的對數(shù)均值ln(T)±1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差=-2.671 5，-0.670 9。因此Ⅱ類場地卓越周期T的范圍為0.067 s1.207 s。

表2 對數(shù)正態(tài)分布參數(shù)表Tab.2 Parameters table of the lognormal distribution

采用師黎靜等對地脈動單點(diǎn)譜比場地特征參數(shù)快速測定方法研究中，場地覆蓋厚度和場地等效剪切波速與場地卓越頻率的擬合公式

H=91.93f-1.066

(5)

Vs20=180f0.3

(6)

其中T=1/f，根據(jù)我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，對場地分類界限的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行取值，當(dāng)覆蓋層厚度大于5 m小于50 m時(shí)，卓越周期T大于0.08 s小于0.625 s，覆蓋層厚度大于50 m小于80 m時(shí)，卓越周期T大于0.625 s小于0.909 s，覆蓋層厚度大于80 m時(shí)，卓越周期T大于0.909 s。當(dāng)?shù)刃Ъ羟胁ㄋ賄s20小于150 m/s時(shí)，卓越周期大于1.818 s；大于150 m/s小于250 m/s時(shí)，卓越周期大于0.333 s小于1.818 s；大于250 m/s時(shí)，卓越周期大于0.333 s。相比于等效剪切波速Vs20參數(shù)僅表達(dá)了20 m厚的場地信息，覆蓋層厚度表達(dá)的場地信息更深更符合計(jì)算周期，該方法取覆蓋層厚度的指標(biāo)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。由此得到的Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類場地對應(yīng)的卓越周期范圍分別為：T<0.08 s，0.08 s0.909 s。

整理上述結(jié)果于表3，并給出綜合范圍。其中，Ⅰ類場地與Ⅱ類場地的卓越周期界限，三種方法較為接近，箱型圖法與正態(tài)法對Ⅰ類場地采取的是合理外推，因此以公式法為主，取0.08 s；Ⅱ類與Ⅲ類場地的卓越周期界限，三種方法較為接近，以三種方法綜合取值，即取0.55 s；Ⅲ類與Ⅳ類場地卓越周期界限，公式法相較于前兩類統(tǒng)計(jì)方法相差較大，由于前兩類方法對于Ⅳ類場地為合理外推，因此以公式法為主，即取略大于公式法的卓越周期0.95 s。對于I0類場地，由于地脈動H/V譜比的原理與假設(shè)，很難出現(xiàn)卓越周期峰值，所以對于HVSR曲線平坦的場地，可歸為I0類場地。

表3 卓越周期場地分類界限Tab.3 Site classification criteria based on predominant period of microtremor H/V spectra s

4 可靠性驗(yàn)證

檢驗(yàn)方案的準(zhǔn)確率一般需通過觀測大量場地的地脈動數(shù)據(jù)來進(jìn)行。受時(shí)間等因素影響，獲得足夠多的實(shí)測數(shù)據(jù)非常困難。本文首先通過搜集全國不同地區(qū)大量鉆孔波速測試數(shù)據(jù)，采用理論計(jì)算方法獲得場地周期Ts，并采用圖6中Ts與T的回歸關(guān)系模型換算至地脈動H/V譜比卓越周期，依據(jù)轉(zhuǎn)換得到的地脈動卓越周期，參照本文的綜合劃分方案(表3)判定場地類別，并與實(shí)測場地類別比較計(jì)算相對準(zhǔn)確率。然后，將本文分類方案與基于傅氏譜、脈動譜比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法獲得的場地周期為參數(shù)進(jìn)行場地類別劃分的研究結(jié)果進(jìn)行對比，評估綜合三類計(jì)算方法給出的卓越周期場地界限的可靠性和合理性。

4.1 準(zhǔn)確率計(jì)算

本文另收集到陜西、吉林及浙江等地共178個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行場地類別的準(zhǔn)確率判別。其中，Ⅱ類場地102個(gè)，Ⅲ類場地70個(gè)，Ⅳ類場地6個(gè)。圖9給出178個(gè)場地等效剪切波速與覆蓋層厚度的統(tǒng)計(jì)，其中Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類場地等效剪切波速分別在151～389 m/s、124～248 m/s和108～132 m/s覆蓋層厚度分別在6～112 m、43～104 m和101～120 m。等效剪切波速和覆蓋層厚度分布范圍廣，基本代表了我國大部分場地。首先通過式(2)對178個(gè)場地進(jìn)行理論周期的計(jì)算得到場地周期Ts，然后基于圖6中Ts與T的回歸關(guān)系模型，將場地周期Ts換算至地脈動H/V譜比卓越周期T，結(jié)果如圖10，通過式(7)計(jì)算表3綜合給出劃分標(biāo)準(zhǔn)判定場地類別的相對準(zhǔn)確率。

圖10 178個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)場地分類Fig.10 Classification of 178 drilling data sites

4.2 同類研究者的對比

QX=P(本文分類結(jié)果為X類|鉆孔分類結(jié)果為X類)=

(7)

式中:X表示我國規(guī)范場地類別，Q表示準(zhǔn)確率。計(jì)算結(jié)果如圖11。其中Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類的準(zhǔn)確率Q分別為66.7%，82.26%，66.67%。平均準(zhǔn)確率均達(dá)到72%以上，較為合理的判斷了我國場地類別。Ⅱ類場地被誤判為Ⅲ類場地的比例為32.35%，被誤判為Ⅰ類場地的比例為0.95%；Ⅲ類場地被誤判為Ⅱ類場地的比例為2.86%，被誤判為Ⅳ類場地的比例為14.29%；Ⅳ類場地被誤判為Ⅲ類場地的比例為33.33%，多數(shù)情況將場地類別誤判為低一類別，較好的保證了對場地的保守估計(jì)。

圖11 場地分類準(zhǔn)確率Fig.11 The accuracy rate of site classification

本節(jié)統(tǒng)計(jì)整理了近些年以傅氏譜、地脈動H/V譜比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法獲得的場地周期為參數(shù)進(jìn)行場地類別劃分的研究結(jié)果，并與本文建議的場地卓越周期范圍進(jìn)行對比(圖12)。

圖12 各研究者場地分類方案Fig.12 Comparison of site classification scheme in different researches

早期以傅氏譜卓越周期為主要研究進(jìn)行場地分類，其中《地震區(qū)工程選址手冊》與《場地微振動測量技術(shù)規(guī)程》給出的場地分類結(jié)果如圖12?！兜卣饏^(qū)工程選址手冊》的Ⅰ類與Ⅱ類的界限與本文相近，Ⅱ類與Ⅲ類，Ⅲ類與Ⅳ類界限均小于本文。而《場地微振動測量技術(shù)規(guī)程》的場地分類界限整體與本文差距較大。兩者雖然都使用地脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，但早期卓越周期僅通過地脈動數(shù)據(jù)的水平向傅氏譜得出。且《地震區(qū)工程選址手冊》與《場地微振動測量技術(shù)規(guī)程》分別參照我國1989規(guī)范與2001規(guī)范的場地類別對場地進(jìn)行卓越周期界限分類。而現(xiàn)多數(shù)研究者認(rèn)為，譜比法對場地信息的表達(dá)更為準(zhǔn)確，且本文參照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行場地類別劃分，因此本文的場地類別劃分方案更有優(yōu)勢。

國內(nèi)研究者也有計(jì)算地脈動H/V譜比獲得卓越周期進(jìn)行場地類別劃分的方案，本文與林淋[26]的場地類別劃分方案進(jìn)行對比。圖12中看出，林淋的Ⅲ類場地與Ⅳ類場地的卓越周期界限，以及Ⅰ類與Ⅱ類場地的卓越周期界限與本文較為接近。而相比于林淋的分類結(jié)果，本文的Ⅱ類與Ⅲ類場地卓越周期界限較大。林淋使用日本KIK-net臺網(wǎng)的鉆孔及波速資料，參照我國2001版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范確定各臺站場地類別，并對臺網(wǎng)記錄的地震事前部分時(shí)程進(jìn)行H/V譜比分析，通過計(jì)算場地的卓越頻率均值與方差，確定出我國場地類別的卓越頻率f(倒數(shù)為周期T)的范圍。然而其使用數(shù)據(jù)為日本強(qiáng)震數(shù)據(jù)事件前的20.48 s作為脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并且僅用了10.24 s的窗進(jìn)行分割，其數(shù)據(jù)時(shí)間較短，而本文使用的是30 min左右的脈動實(shí)測數(shù)據(jù)，相比于林淋的計(jì)算結(jié)果，本文的卓越周期結(jié)果更穩(wěn)定。

在缺少脈動數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)研究者也有以譜比法的數(shù)值模擬計(jì)算確定我國卓越周期場地類別范圍，本文與陳國興等[27]獲得的場地類別方案進(jìn)行對比。其采用Nakamura提出的HVSR法以及弱震法對場地鉆孔土柱模型輸入地震動模擬估算得到場地周期T，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行抗震規(guī)范的場地分類及一些研究成果，給出了一個(gè)場地周期T、覆蓋層厚度H及等效剪切波速Vs30的三參數(shù)場地分類方案，其中卓越周期分類界限如圖12。相較于陳國興的分類結(jié)果，本文在Ⅱ類與Ⅲ類場地分類界限、Ⅲ類與Ⅳ類場地分類界限較大，Ⅰ類與Ⅱ類場地分類界限較小，整體上看較為接近。然而陳國興的兩個(gè)方法本質(zhì)上屬于弱非線性場地反應(yīng)分析，因模擬分析以輸入地震動的輕微影響會使結(jié)果略有影響，相比于模擬計(jì)算的場地卓越周期，本文實(shí)測值更準(zhǔn)確。

除了上述方法外，國內(nèi)還有理論計(jì)算方法獲得場地周期進(jìn)行場地類別劃分，本文對比了齊文浩[28]的場地類別方案。由圖12可知，Ⅰ類與Ⅱ類、Ⅱ類與Ⅲ類的場地分類與本文確定的界限較為接近，且Ⅱ類與Ⅲ類、Ⅲ類與Ⅳ類的界限略大于本文，基本符合Ts/T=1.1的比例關(guān)系，以Ⅳ類界限差距最大。其通過式(3)計(jì)算了我國四類場地的基本周期范圍，但齊文浩給出的場地分類范圍并未對邊界界限進(jìn)行處理整合，而本文對邊界進(jìn)行了整合確定。

5 結(jié) 論

由于我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范場地分類標(biāo)準(zhǔn)的更新、對應(yīng)于歷史版本的場地卓越周期劃分方案已經(jīng)不適用于現(xiàn)行規(guī)范。相比于傅氏譜法，計(jì)算場地卓越周期的地脈動H/V譜比法更能表達(dá)場地動力特性。因此，本文對76個(gè)場地進(jìn)行場地理論周期的計(jì)算得到Tz與Ts，并進(jìn)行地脈動單點(diǎn)三分向數(shù)據(jù)觀測及H/V譜比分析，通過對H/V譜比計(jì)算得出的場地卓越周期T進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)論如下：

(1) 以脈動數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過H/V譜比法可以得到代表場地的卓越周期數(shù)據(jù)，場地的卓越周期隨覆蓋層厚度增加而增加，隨等效剪切波速的增加而減小。

(2) H/V譜比法計(jì)算場地卓越周期T與子層周期求和法Tz、逐層單自由度法Ts均存在良好的線性關(guān)系，說明地脈動H/V譜比獲得場地卓越周期T的具有較高的準(zhǔn)確性。其中，Tz/T=1.3>Ts/T=1.1，即相比于子層周期求和法Tz、本文H/V譜比法計(jì)算場地卓越周期更接近于逐層單自由度法Ts；子層周期求和法和逐層單自由度法獲得的場地周期Tz和Ts整體上大于H/V譜比法計(jì)算的場地卓越周期T，這是由于地脈動H/V譜比法反映了場地整體的動力放大性能，場地簡化理論計(jì)算周期反映了鉆孔波速測試深度范圍內(nèi)的動力性能，理論上二者計(jì)算值會存在一些差別。

(3) 箱型圖法基于四分位數(shù)的數(shù)值耐抗性可以排除因異常值帶來的邊界范圍影響，而正態(tài)分布是對數(shù)據(jù)整體進(jìn)行均值標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)計(jì)算，并通過采取概率置信區(qū)間來確定邊界范圍，由于缺少Ⅰ、Ⅳ類場地的脈動卓越周期數(shù)據(jù)，采用師黎靜等的場地特征參數(shù)快速測定方法的擬合公式與我國場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)確定四類場地周期范圍。最終綜合三類方法給出基于我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的卓越周期場地類別劃分范圍。其中，Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類場地對應(yīng)的卓越周期范圍分別為：T≤0.08 s，0.08 s0.95 s。

(4) 受時(shí)間等因素影響，大量地脈動數(shù)據(jù)檢驗(yàn)較為困難。本文搜集全國共178個(gè)鉆孔波速測試數(shù)據(jù)，通過采用理論計(jì)算方法獲得場地周期Ts以及本文擬合的Ts與T的回歸關(guān)系，最終獲得H/V譜比卓越周期T。參照本文場地類別建議方案判定場地類別，計(jì)算與實(shí)測場地類別比較計(jì)算的平均相對準(zhǔn)確率達(dá)到72%以上，具有較好的有效性。

(5) 將本文建議方案與脈動譜比、理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方法獲得的場地周期進(jìn)行場地類別劃分的研究結(jié)果對比，說明了本文的合理性。且相比于傅氏譜法，本文的建議方案有較大改進(jìn)。