0 引言

场地地震动反应是工程地震中的重要研究内容之一, 局部场地条件对地震动特性影响显著(欧阳行艳等, 2008)。常用的研究方法是Nakamura(1989)提出的水平竖向谱比法(HVSR), 该方法最早是利用地脉动记录来进行场地特征研究, 能够较好地识别场地的卓越周期, 广泛应用于工程领域。近年来, 随着强震动台网的建设和强震动记录的积累, 国内外学者开展了利用强震动记录来进行场地特征的研究。Yamazaki等(1997)利用强震动加速度记录进行场地动力特性的研究, 并指出地震震级、震中距、震源深度等3个地震动参数对强震记录S波的HVSR值影响可以忽略不计。Zare等(1999)和Lee等(2001)采用HVSR方法, 利用强震动记录分别对伊朗与中国台湾地区的强震动台站场地进行分类。Zhao等(2006)利用速度反应谱代替传统的傅里叶谱计算HVSR值, 进行场地特征研究和场地分类, 并给出了不同场地类别划分的平均谱比经验曲线。Wen等(2011)采用HVSR方法对四川地区的强震动台站进行了场地类别划分。江苏地区自“十五”计划以来共建设了76个强震动台站, 近年来积累了丰富的强震动记录。本文利用强震动记录, 采用HVSR方法计算强震动台站的平均谱比曲线, 对台站场地进行分类并开展场地特征分析。

1 强震动记录选取与处理

江苏省强震动台网自2006年开始运行, 截至2019年10月, 共获取77次地震记录, 总计1000余条强震动记录, 在2012年7月20日江苏高邮-宝应4.9级地震和2016年10月20日江苏射阳4.4级地震中均获得了大量的近场强震动记录, 其中高邮-宝应4.9级地震是近年来江苏省陆地上发生的最大地震, 江苏省强震动台网共有43个台站获得了129条主震记录, 波形记录清晰完整。

为避免噪声对记录的干扰影响, 选取PGA值大于3cm/s²的强震动记录；为使计算结果具有统计意义上的代表性, 选取获得记录在3条及以上的台站进行分析。按此原则最终选取了22个强震动台站的324条记录, 所选地震事件震中位置与所触发台站地理位置见图 1(未包括汶川地震震中位置)。由于江苏地区获取的强震动记录PGA值较小, 无50cm/s²以上的记录, 因此无需考虑强震作用下场地产生的非线性影响。

选取的地震记录主要震级范围为2.0≤M≤5.0, 最大震级为M8.0, 最大震中距为1650km。对选取的记录进行基线校正处理, 由于本文关注的周期范围为0.05~3s, 因此对校正后的记录进行0.25~25Hz的Butterworth带通滤波(王恒知等, 2018)。经过处理后, 选取的记录PGA值主要在5~30cm/s²之间, 所选记录的PGA、震中距、震级对应关系分别见图 2和图 3。

计算选取记录的5%阻尼比的速度反应谱, 按照下式计算其HVSR谱比曲线

$ {\rm{HVSR}} = \frac{{\sqrt {{S_{{\rm{EW}}}} \times {S_{{\rm{NS}}}}} }}{{{S_{{\rm{UD}}}}}} $

(1)

其中, S_EW、S_NS、S_UD分别为东西、南北、竖向分量的5%阻尼比速度反应谱。

相较于传统的傅里叶谱来计算谱比曲线, 速度反应谱计算结果与其相近且形状相似, 而取低阻尼(常选5%)相当于对其进行平滑处理, 计算简单, 结果可靠, 避免了人工截取S波以及选择不同窗函数平滑处理傅里叶谱过程中引入的误差(冀昆等, 2014；温瑞智等, 2015)。

2 场地特征谱比分类方法

Zhao等(2006)利用日本KiK-net台站的强震动记录, 以日本抗震规范中的各类场地卓越周期为依据, 统计归纳了4类场地的HVSR经验曲线(图 4)。图 4中SCⅠ、SCⅡ、SCⅢ和SCⅣ分别对应岩石/硬土、硬土、中软土和软土, 从图中可以看出, 随着场地变软, 平均谱比曲线的场地放大明显, 场地较硬时曲线相对较平坦。本文在计算过程中以Zhao等(2006)给出的经验曲线为标准曲线, 采用谱比形状一致法对强震动台站场地进行分类。该方法的基本原理基于斯皮尔曼秩相关理论(Ghasemi et al, 2009), 取4类场地中SI值最大者为对应的场地类别, SI_k范围为-1~1, 当其计算结果为1时表示两曲线形态完全一致, 计算公式如下

$ S{I_k} = 1 - 6\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{d_i^2}}{{n\left({{n^2} - 1} \right)}}} $

(2)

其中, n为周期点的数量, k为场地类别, d_i为第i个周期点处的谱比曲线和k类场地标准曲线的差。

参考冀昆等(2014)提出的场地类别分类方法, 增加SCⅠ₀类场地, 将HVSR平均曲线平坦、无明显卓越周期的场地划分为SCⅠ₀类, 根据曲线平坦系数来进行该类场地的判别。按照下式计算曲线平坦系数, 曲线越平坦, 则平坦系数值越小

$ \lambda=\mathrm{HVSR}_{\max }-\mathrm{HVSR}_{\text {median }} $

(3)

其中, HVSR_max为曲线最大值, HVSR_median为曲线中位值。根据冀昆等(2014)给出的SCⅠ₀类和SCⅠ类场地的平坦系数阈值(0.7), 当台站场地谱比曲线的λ值低于0.7时, 则为SCⅠ₀类场地。且为了确保SI_k值计算的可靠性, 同样按照冀昆等(2014)所述方法对结果进行假设性检验, 否则根据表 1给出的场地卓越周期进行场地类别判断。

3 场地特征分析 3.1 场地分类结果

依据上述方法对选取的江苏地区22个固定强震动台站进行分类, 首先对SCⅠ₀类场地进行判别, 然后根据谱比形状一致法对其余场地的平均谱比曲线与4类标准曲线进行谱型匹配。分类结果如图 5~8所示(黑实线为平均谱比曲线, 虚线表示平均谱比曲线± σ)。选取的台站被划分为SCⅠ₀、SCⅡ、SCⅢ和SCⅣ 4类, 其中以SCⅡ类和SCⅣ类场地居多, 共19个, SCⅠ₀类场地1个, 未识别出SCⅠ类场地。

SCⅠ₀类场地谱比曲线平坦, 无明显卓越周期, 台站为基岩或者硬土场地。统计其他3类场地平均谱比曲线的卓越周期, 其中部分台站谱比曲线具有多个峰值, 这是由于场地覆盖土层较厚且分层较多引起的, 本文取其对应周期的平均值。3类场地的平均谱比曲线卓越周期和标准曲线的卓越周期范围基本相符, 如图 9所示。SCⅡ类场地谱比曲线卓越周期总体位于0.2~0.4s之间, SCⅢ类和SCⅣ类场地谱比曲线的卓越周期相对变长。总体来说, 场地相对越软, 卓越周期越长。

对比SCⅠ₀、SCⅡ、SCⅢ和SCⅣ 4类场地平均谱比曲线放大峰值, 统计了4类场地的放大峰值的中位值, 如图 10所示, 其中位值呈逐渐增大趋势。SCⅡ类和SCⅣ类场地放大中位值平均值分别为2.5和3.8, SCⅡ类场地明显小于SCⅣ类场地, 其余2类场地样本过少不做分析。由此可见场地相对越软, 场地放大越明显。

由于江苏地区地震较少, 获取的强震动记录相对偏少, 仅有22个台站获得了3条及以上记录, 为了保证计算结果具有统计意义的代表性, 仅对上述台站进行计算分析, 分类结果基本能够反映出不同场地的地震动反应特征。但是, 分类结果中存在部分台站场地分类结果与标准谱比曲线有一定差异的现象, 这是由于本文的分类方法主要是基于谱比曲线形状和卓越周期来判断, 而计算采用的标准谱比曲线是基于大量强震记录统计平均而得, 具有一定的离散性, 因而造成分类结果存在差异。

3.2 典型场地特征分析

收集整理4个不同类别场地的台站钻孔和波速测试等资料, 分析其场地特征。根据卓越周期经验计算公式, 分别计算场地卓越周期(32NJT台站无工程地质钻探及波速测试资料, 无法计算), 并根据《GB5001-2010建筑抗震设计规范(2016年版)》(以下简称抗震规范)(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2016)的场地划分标准确定场地类别。计算结果和台站场地工程地质钻孔及波速等参数见表 2, 场地土层卓越周期近似计算公式如下

$ T_{s}=\sum\limits_{i=1}^{n} \frac{4 h_{i}}{V_{s i}} $

(4)

其中, h_i为i层厚度, V_si为i层的剪切波速。

3.2.1 32NJT台站

32NJT台站地处宁镇山脉西段, 海拔高度60m, 台站属于基岩场地, 台基岩性为石英砂岩。场地覆盖层厚度小于5m, 按照抗震规范划分为Ⅰ₁类, 属于典型的坚硬场地。32NJT台站场地的平均HVSR曲线整体较为平坦, 平坦系数为0.45, 卓越周期不明显, 谱比曲线峰值近似为2.4, 根据本文分类方法, 划分为SCⅠ₀类场地。其结果与康清清等(2016)根据截取的S波记录计算得到的台站场地响应曲线结果基本一致, 符合基岩台站的场地反应特征。

3.2.2 32GUY台站

根据台站地质钻探资料, 覆盖土层厚度为15m, 覆盖土层等效剪切波速为212.5m/s, 其剪切波速随钻孔深度的分布见图 11(a), 按照抗震规范划分为Ⅱ类场地, 覆盖土层较浅, 属于较硬场地。与基岩场地32NJT相比, 该台站场地6个地震事件的平均HVSR曲线具有明显的谱峰, 谱比曲线最大幅值为5.1, 远大于32NJT。对应的卓越周期为0.24s, 根据钻孔资料计算得到的卓越周期为0.25s, 二者基本相同。按照本文分类方法, 将其归为较硬的SCⅡ类场地, 场地放大相对较大, 可能与上覆盖土层较软有关, 与场地特征较为吻合。

3.2.3 32YZT台站

根据台站地质钻探资料, 覆盖土层厚度为34m, 20m等效剪切波速为206.6m/s, 其剪切波速随钻孔深度的分布见图 11(b), 按照抗震规范划分为Ⅱ类场地, 覆盖层厚度增加, 属于中软场地。计算台站场地平均HVSR曲线得到的卓越周期为0.57s, 根据钻孔资料计算得到的卓越周期为0.61s, 2种方法的计算结果相近。谱比曲线峰值为6.1, 与32GUY台结果相比, 剪切波速相近, 但覆盖土层厚度较大, 卓越周期和场地放大明显较大。按照本文分类方法, 将其归为SCⅣ类场地。

3.2.4 32XHT台站

根据台站地质钻探资料, 覆盖土层厚度大于50m, 20m等效剪切波速为139.7m/s, 属于较软场地, 其剪切波速随钻孔深度的分布见图 11(c), 结合其覆盖层厚度较厚, 按照抗震规范划分为Ⅲ类场地, 属于较软场地。台站场地平均HVSR曲线存在多个峰值, 其对应周期在0.50~1.71s之间, 取其多个明显峰值的平均值1.01s为该场地的卓越周期, 根据钻孔资料计算得到的卓越周期为1.11s, 2种方法的计算结果相近。谱比曲线峰值为5.9。相较32GUY和32YZT, 剪切波速较小, 但覆盖土层厚度更大, 卓越周期更长, 场地放大与32YZT相近。按照本文分类方法计算, 将其归为SCⅣ类场地。

4 结论

本文通过筛选与处理江苏省强震动台网近年来获取的强震动记录, 计算了22个强震动台站场地的速度反应谱HVSR曲线, 以Zhao等(2006)给出的4类场地标准曲线为基础, 根据卓越周期、HVSR曲线谱型匹配等指标进行场地类别划分, 将台站场地划分为4个类别, 较客观地反映了不同台站的场地特征。另外, 结合工程地质资料分析了4个典型台站的场地特征, 基于HVSR法得到的谱比曲线卓越周期和放大特征与场地工程地质资料相吻合。从研究结果可以看出, HVSR曲线能够较好地体现不同场地的地震动反应特征, 随着强震动台站的不断增加, 基于HVSR的场地分类方法可作为传统场地分类方法的一种补充, 为缺少钻孔资料台站的场地特征研究提供参考。