汪云龍,馬佳鈞,王維銘,陳龍偉,袁曉銘

(1. 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150080; 2. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150080; 3. 黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

2008年的汶川地震[1-2]、2011年新西蘭地震及2018年印度尼西亞蘇拉威西島地震等近期大地震引發(fā)的土壤液化震害被廣泛報(bào)道[3-4],經(jīng)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)并在后續(xù)深入研究中確認(rèn)的礫性土液化、深層土液化及液化誘發(fā)大規(guī)模流滑等新液化現(xiàn)象與災(zāi)害[5-7],使得場(chǎng)地液化在地震中的附加破壞作用再次引起研究者的重視。震害調(diào)查是液化研究的基礎(chǔ)性工作,獲取某次地震下液化震害的宏觀特征在研究中的作用得到凸顯。

2023年2月6日,在土耳其卡赫拉曼馬拉斯-帕扎爾克發(fā)生了7.8級(jí)地震,震源深度8.6 km,發(fā)生于東安納托利亞斷層區(qū)。該斷層帶長(zhǎng)約450 km,位于卡爾洛瓦和哈塔伊之間,呈東北走向的左側(cè)沖擊滑動(dòng)斷層系統(tǒng)。此次震源機(jī)制為左旋走滑型破裂,始于南部較小的Narl(土耳其語(yǔ),無(wú)標(biāo)準(zhǔn)翻譯)斷層,并向北跳躍,使Pazarck-Erkenek(土耳其語(yǔ),無(wú)標(biāo)準(zhǔn)翻譯)斷層段向東北方向破裂,Amanos(土耳其語(yǔ),無(wú)標(biāo)準(zhǔn)翻譯)段向西南方向破裂[8]?？ê绽R拉斯至哈塔伊一線是此次地震的主要受災(zāi)地區(qū),該區(qū)域是典型的地中海氣候降水充沛,地下水位較高,第四系沉積豐富并多有湖河水系分布,是土耳其國(guó)家棉花、煙草、橄欖與水果等主要經(jīng)濟(jì)作用產(chǎn)區(qū)。從地震動(dòng)條件和場(chǎng)地條件分析,該區(qū)域皆存在較大的地震液化風(fēng)險(xiǎn),美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey,USGS)對(duì)該區(qū)域的液化發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了先驗(yàn)評(píng)估[9]。

大量的場(chǎng)地液化現(xiàn)象在前期應(yīng)急震害調(diào)查中被發(fā)現(xiàn),由于目前不具備詳細(xì)勘察條件,研究以宏觀特征為主[8]。土耳其是我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略沿線國(guó)家中的重要區(qū)域大國(guó),雙方在安全和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域廣泛聯(lián)系,在中國(guó)工程建設(shè)走出去的背景下,中國(guó)抗震規(guī)范與方法的國(guó)際接軌顯得尤為重要。此次地震的液化震害宏觀特征調(diào)查及后續(xù)詳細(xì)勘察調(diào)查工作將為我國(guó)液化防治方法的進(jìn)一步完善和國(guó)際化推廣構(gòu)建事實(shí)基礎(chǔ)。

宏觀液化等級(jí)與宏觀液化指數(shù)的評(píng)估方法由王維銘[10]基于歷史地震,特別是2008年汶川地震的液化調(diào)查結(jié)果提出,是基于宏觀震害現(xiàn)象評(píng)估液化發(fā)生情況與危害程度的定量化方法。在地震動(dòng)特征相對(duì)明確的情況下,結(jié)合宏觀液化指數(shù)方法能有效的表達(dá)液化震害的宏觀分布特征。本文基于此方法與GIS技術(shù)對(duì)液化震害的區(qū)域分布及其與地震動(dòng)關(guān)系等宏觀特征開(kāi)展研究。

1 液化點(diǎn)的分布特征

針對(duì)液化的震后調(diào)查共發(fā)現(xiàn)18個(gè)液化點(diǎn)[8],將液化點(diǎn)與地震動(dòng)峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)等值線、MMI烈度等值線及中國(guó)規(guī)范儀器烈度等值線繪制于圖1[9,11],其中PGA等值線與MMI烈度等值線數(shù)據(jù)由USGS提供,中國(guó)規(guī)范儀器烈度由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)中心提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 地震液化點(diǎn)與地震動(dòng)強(qiáng)度特征關(guān)系Fig. 1 Relationship between seismic liquefaction site and ground motion intensity characteristics

從圖1可見(jiàn):液化點(diǎn)的分布與MMI烈度等值線及PGA等值線的主軸方向具有高相關(guān)性,基本沿破裂帶走向分布,分布區(qū)域與震中基本呈對(duì)稱,但液化點(diǎn)多集中于南部。從烈度角度,液化點(diǎn)主要位于MMI烈度的7(VII)～8(VIII)度之間,小于7(VII)度的地區(qū)未見(jiàn)明顯的液化現(xiàn)象發(fā)生;而液化點(diǎn)附近的儀器烈度則從7(VII)度到10(X)度都有分布。從地震動(dòng)強(qiáng)度角度,液化點(diǎn)分布于0.15 g≤PGA≤0.25 g以上的區(qū)域,少數(shù)達(dá)到0.4 g以上,沒(méi)有低于0.15 g的分布。這與我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于地震液化的設(shè)防基本烈度要求大致相當(dāng)。

FUKUSHIMA等[12]根據(jù)日本發(fā)生的44次地震及液化現(xiàn)象總結(jié)了液化場(chǎng)地的最大震中距滿足公式(1):

log10Rmax=0.77M-3.6

(1)

式中:地震液化場(chǎng)地的最大震中距離用Rmax表示,單位km,M為里氏震級(jí)。在我國(guó),該方法也經(jīng)過(guò)了1975年海城地震、1976年唐山地震至2021年瑪多地震的液化點(diǎn)分布特征的驗(yàn)證。由式(1)可得:此次地震液化場(chǎng)的震中距上限約為254 km,實(shí)際計(jì)算此次地震陸地液化點(diǎn)的距震中最遠(yuǎn)距離(伊斯肯德倫港)約為105 km,在該方程范圍內(nèi)。

從以上分析可知:此次地震中液化現(xiàn)象發(fā)展的地震動(dòng)激勵(lì)特征無(wú)論從烈度分布、震動(dòng)強(qiáng)度及空間分布方面都沒(méi)有超出以往的認(rèn)知,但液化點(diǎn)及附近區(qū)域的MMI烈度與儀器烈度評(píng)估范圍存在較大差異,這與以往對(duì)儀器烈度與烈度的關(guān)系的認(rèn)識(shí)不相吻合[10,13]。

2 宏觀液化等級(jí)與指數(shù)方法對(duì)液化震害的評(píng)估

2.1 宏觀液化等級(jí)與指數(shù)

宏觀液化等級(jí)主要依據(jù)地震液化所造成的場(chǎng)地地表破壞情況對(duì)液化程度分為六個(gè)級(jí)別,其中:0級(jí)為無(wú)液化現(xiàn)象,V級(jí)為非常嚴(yán)重。宏觀液化指數(shù)是根據(jù)“宏觀”現(xiàn)象即地震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中場(chǎng)地的液化情況對(duì)液化震害程度進(jìn)行定量描述,以1表示嚴(yán)重液化,0表示無(wú)液化,一定范圍的宏觀液化指數(shù)對(duì)應(yīng)一定的宏觀液化級(jí)別。這一等級(jí)與指數(shù)規(guī)則可以直觀、快捷的評(píng)定震后場(chǎng)地液化的情況,作為液化程度初步評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn),為液化震害程度評(píng)估提高提出定量的依據(jù)。具體的宏觀液化等級(jí)及其指數(shù)見(jiàn)表1。

表1 宏觀液化指數(shù)及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]Table 1 Macro liquefaction index and grade classification standards[10]

應(yīng)用表1的劃分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)2008年的汶川地震和2021年瑪多地震的總體和典型液化震害進(jìn)行宏觀液化等級(jí)與宏觀液化指數(shù)評(píng)估[10],如圖2所示。一方面,對(duì)表1的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定性的展示;另一方面,通過(guò)以往研究的對(duì)比深化對(duì)后續(xù)分析此次土耳其地震的液化宏觀特征的認(rèn)識(shí)。

圖2 歷史地震液化震害的宏觀液化等級(jí)與宏觀液化指數(shù)評(píng)估

2.2 此次液化點(diǎn)宏觀液化等級(jí)及宏觀液化指數(shù)

此次地震中液化點(diǎn)發(fā)生了噴水冒砂、地裂縫和地表沉陷等典型的宏觀液化現(xiàn)象,造成了結(jié)構(gòu)物傾倒、破壞及港口區(qū)場(chǎng)地側(cè)向位移等工程與結(jié)構(gòu)破壞。相關(guān)調(diào)查為宏觀液化等級(jí)及液化指數(shù)的評(píng)定提供了豐富的基礎(chǔ)資料,是應(yīng)用宏觀液化等級(jí)與指數(shù)評(píng)估液化震害的有效平臺(tái)。以液化引起工程結(jié)構(gòu)破壞較為典型的位于伊斯肯德倫港某一住宅區(qū)為例,見(jiàn)圖2,闡明本文實(shí)際應(yīng)用宏觀液化等級(jí)與指數(shù)方法的具體標(biāo)準(zhǔn)。

伊斯肯德倫港位于土耳其的東南部,瀕臨地中海的東北側(cè),距離帕扎爾克震中約105 km,處于MMI烈度的Ⅶ度區(qū),但港口部分場(chǎng)地發(fā)生較為顯著的側(cè)向位移,由液化引起。如圖3所示,該房屋位于港口生活區(qū),房屋基礎(chǔ)約有10 cm沉降,地面有噴砂冒水,路面磚發(fā)生隆起,砂層覆蓋厚度約3～5 cm左右,面積約20 m2,并有3 cm左右裂縫產(chǎn)生。根據(jù)表1所示的宏觀液化等級(jí)與指數(shù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),該處液化點(diǎn)的宏觀液化等級(jí)可劃分為Ⅲ級(jí),其液化程度為中等,宏觀液化指數(shù)為0.33。其他液化點(diǎn)的宏觀液化等級(jí)與指數(shù)評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 液化點(diǎn)處基本特征Table 2 Basic characteristics at the liquefaction site

3 液化震害的宏觀分布特征分析

如圖1所示,調(diào)查的液化點(diǎn)位于PGA等值線、MMI烈度等值線及個(gè)別儀器烈度數(shù)據(jù)點(diǎn)附近,不完全重合。為獲取液化調(diào)查點(diǎn)以上數(shù)據(jù)的定量化評(píng)價(jià),引入克里金插值方法。一方面,該方法是USGS數(shù)據(jù)獲得PGA和MMI等值線等數(shù)據(jù)的主要地質(zhì)統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)化方法;另一方面,以往研究表明該方法較有效的解決了地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中的誤差估算問(wèn)題和平均值數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目計(jì)算等問(wèn)題[14]。

克里金插值方法的區(qū)域性變量理論假設(shè)任何變量的空間變化都可以表示為下述三個(gè)主要成分的和:1)與恒定均值或趨勢(shì)有關(guān)的結(jié)構(gòu)性成分。2)與空間變化有關(guān)的隨機(jī)變量,即區(qū)域性變量。3)與空間無(wú)關(guān)的隨機(jī)噪聲項(xiàng)或剩余誤差項(xiàng)。該方法目前已在ArcGIS等軟件中形成通用化分析模塊[15]?？紤]到PGA值、MMI烈度值及儀器烈度值等被描述對(duì)象的隨機(jī)性和一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出的某種相關(guān)性,采用克里金插值法利用已有的區(qū)域化變量原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)液化點(diǎn)處的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏和最優(yōu)估計(jì)[16]。

通過(guò)ArcGIS平臺(tái)的空間分析模塊中克里金插值法,得到液化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PGA值、MMI烈度值及儀器烈度值等參數(shù),將其列于表2,這些地震動(dòng)強(qiáng)度表征參數(shù)與宏觀液化指數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 宏觀液化指數(shù)與典型地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系Fig. 4 Relationship between macroscopic liquefaction index and typical ground shaking intensity index

由表2可見(jiàn):在宏觀液化指數(shù)與PGA的關(guān)系中,出現(xiàn)了PGA較大,但宏觀液化指數(shù)較小的情況,比如震中附近的埃米羅格盧(表2內(nèi)編號(hào)5),盡管其PGA達(dá)到了約0.5 g,但場(chǎng)地的宏觀液化現(xiàn)象僅表現(xiàn)為小范圍的噴砂冒水及小規(guī)模的地裂縫,宏觀液化指數(shù)僅為0.13,甚至小于105 km以外的伊斯肯德倫港的港口區(qū)與生活區(qū)。距離震中約40 km的雅烏茲謝里姆(表2內(nèi)編號(hào)17),PGA約為0.25 g,但發(fā)生了液化引起劇烈不均勻震陷及建筑結(jié)構(gòu)的整體傾覆,宏觀液化指數(shù)定為0.93。從圖3可見(jiàn):這種PGA與宏觀液化指數(shù),即宏觀液化震害的不一致性并不是孤例存在,而是體現(xiàn)出一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。液化是內(nèi)外因共同作用的結(jié)果,場(chǎng)地的震動(dòng)強(qiáng)度更多體現(xiàn)外因的作用,而場(chǎng)地或基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)體系本身對(duì)液化的抗力則體現(xiàn)內(nèi)因。以上PGA與宏觀液化指數(shù)的非相關(guān)性即反映了震區(qū)局部場(chǎng)地對(duì)液化抗力的差異性,并且是控制此次地震液化震害情況的主要因素,也是后續(xù)詳細(xì)勘察考察的重點(diǎn)區(qū)域。由于MMI烈度確定時(shí)要參考PGA分布,所以圖3可見(jiàn):宏觀液化指數(shù)與MMI烈度值的關(guān)系和宏觀液化指數(shù)與PGA的關(guān)系基本相同。

但儀器烈度方面則反映出與宏觀液化指數(shù)正相關(guān)的特征。這是因?yàn)樵趦x器烈度的評(píng)估中,考慮PGA與地震動(dòng)峰值速度(peak ground velocity,PGV)兩類參數(shù),即考慮了震動(dòng)場(chǎng)地的頻率特征,而液化對(duì)震動(dòng)具有低頻放大功能[17],因此即使宏觀液化指數(shù)未與烈度表現(xiàn)明顯的相關(guān)性,但與儀器烈度的正相關(guān)性卻比較顯著。從此可見(jiàn):在校正烈度與儀器烈度關(guān)系的研究中與實(shí)踐中,液化場(chǎng)地的存在是應(yīng)該考慮的問(wèn)題之一。

4 結(jié)論

使用GIS技術(shù)與宏觀液化等級(jí)與指數(shù)的評(píng)估方法對(duì)2023年2月6日的土耳其7.8級(jí)地震的液化震害調(diào)查影像資料進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)液化是此次地震的主要震害之一,造成噴水冒砂、地裂縫和地表沉陷等典型的宏觀液化現(xiàn)象,并造成了結(jié)構(gòu)物傾倒、破壞及港口區(qū)場(chǎng)地側(cè)向位移等工程與結(jié)構(gòu)破壞。液化點(diǎn)的空間分布與烈度圈的主軸基本重合。所有液化點(diǎn)的激勵(lì)地震動(dòng)大于0.15 g。

2)應(yīng)用宏觀液化等級(jí)與液化指數(shù)的方法對(duì)液化震害進(jìn)行了定量分析。統(tǒng)計(jì)分析表明宏觀液化指數(shù)與地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性較小,反映出場(chǎng)地條件等內(nèi)因是此次地震液化宏觀現(xiàn)象與震害的主控因素。

3)MMI烈度及儀器烈度與宏觀液化指數(shù)的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢(shì),且MMI烈度液化點(diǎn)分布于VII度區(qū),而按儀器烈度,液化點(diǎn)分布于VII～X度區(qū),這反映出液化場(chǎng)地對(duì)儀器烈度校正的影響。

致謝：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)中心為該研究提供數(shù)據(jù)支持。