场地划分标准对基岩地震动参数衰减关系的影响1

王 珊张郁山尤 贺

1）中国地震灾害防御中心，北京 100029

2）北京工业大学材料学院，北京 100022

场地划分标准对基岩地震动参数衰减关系的影响1

王 珊1）张郁山1）尤 贺2）

1）中国地震灾害防御中心，北京 100029

2）北京工业大学材料学院，北京 100022

基于美国NGA强震观测数据库中描述场地的不同指标，定义了五种不同的“基岩”场地类型，得到了相应的数据集；同时采用最小二乘法回归得到了世界范围内对应不同“基岩”定义的地震动参数衰减关系，并研究了不同场地划分标准造成的基岩地震动参数衰减关系的差异。

NGA强震观测数据库 地震动衰减关系 峰值加速度 反应谱

引言

地震动是引起震害的外因，是工程地震研究的主要内容。地震动的特性十分复杂，为了研究与工程应用的方便，通常采用对特定地震动参数（主要指对工程结构地震反应有重要影响的参数，如幅值、频谱和持时等）进行研究的方法来开展探索。以现有的强震观测记录为基础，使用经验模型，采用统计的方法得到地震动参数衰减关系，是地震动参数研究和工程应用中一种常用的方法，也是地震危险性分析工作的基础。

美国太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center，简称PEER）的NGA（Next Generation Attenuation）项目的主要目标，是建立新的地震动衰减关系模型。针对该目标，NGA通过对已有PEER强震数据库的修订、补充、整理，已经形成目前国际上最为完整、先进的强震数据库。利用该数据库提供的强震观测记录，NGA不同研究小组（Abrahamson等，2008；Boore等，2008；Campbell等，2008；Chiou等，2008；Idriss，2008）已建立了世界范围内地震动参数的衰减关系。但是，这些基于NGA数据库的衰减关系并不能直接应用于我国的工程实践，其主要原因在于：①NGA衰减关系使用的地震参数（包括震级、震源机制等）和场地参数（包括断层距、剪切波速、盆地参数等）与我国常用的模型不同，且模型复杂，计算不便；②不同地区地震动衰减可能存在区域性差异，统一采用世界范围的衰减关系不能反映我国不同地震区地震环境的差异。

另一方面，我国工程场地地震危险性分析的通常方法是利用基岩地震动参数衰减关系，确定对应于工程场址“自由基岩”面的地震动参数，之后通过开展场地土层地震反应计算考虑局部场地条件对地震动参数的影响，而且对土层场地条件下地震动参数衰减关系的使用持谨慎的态度（胡聿贤，1999）。而上述NGA衰减关系是将基岩和土层场地的观测数据统一进行统计回归，最后得到适用于所有场地类型的地震动参数衰减关系，并在模型中通过等效剪切波速来区分不同场地类别。这种做法尽管可以用一个连续的物理量（即场地等效剪切波速）来描述场地特性，但是，非基岩数据的引入也会导致对基岩地震动衰减规律的“扭曲”。因此，基于NGA强震观测数据，确定适合我国实际情况的“基岩”地震动参数衰减关系是十分必要的。基于此，陈勇（2008）和肖亮（2011）分别利用NGA数据库提供的基岩场地强震观测记录，采用不同的衰减模型，统计回归出了美国西部地区地震动参数的衰减关系，并且通过转换方法得到了我国不同分区的基岩地震动参数衰减关系（肖亮，2011）。

在上述两种衰减关系中，均将地表30m范围内平均剪切波速（Vs30）大于500m/s的场地定义为基岩场地。而NGA数据库中，除Vs30外，描述场地的指标有多种，根据不同的指标可以划分出不同的“基岩”场地，从而会得到不同的数据集，进而会对衰减关系的回归结果产生一定的影响。基于这种考虑，本文拟利用NGA数据库中世界范围的观测数据，回归对应不同“基岩”场地定义的地震动参数衰减关系，并据此研究“基岩”场地划分标准的不确定性对衰减关系计算结果的影响。

1 基础资料

NGA强震数据库经不断扩充和更新后，截止到2007年该数据库包含全世界范围内175个地震的3551条强震记录，并同时提供了用于建立衰减关系的各项详细参数。本文研究主要使用了美国NGA强震数据库提供的水平向基岩场地的强震加速度记录及相关参数。

本文的研究对象是自由基岩场地的地震动参数衰减规律。在NGA数据库中，描述场地的主要指标包括：①GMX’s C3（以下简称指标-1）；②GEOCODE（以下简称指标-2）；③SGS（以下简称指标−3）；④基于Vs30的NEHRP指标（以下简称指标-4）。上述不同指标及相应的“基岩”场地的定义如下。

1.1 指标-1

该指标根据地表地层的岩土工程特性，将强震仪所在场地分为如下五类：

A（rock，基岩）：基岩场地或覆盖层厚度小于5m的土层场地；

B（shallow stiff soil，浅硬土场地）：覆盖层厚度大于5m小于20m的土层场地；

C（deep narrow soil，深窄土场地）：覆盖层厚度至少20m，且场地所在谷地宽度不超过几公里；

D（deep broad soil，深宽土场地）：覆盖层厚度至少20m，且场地位于宽度较大的谷地中；

E（soft deep soil，深软土场地）：覆盖层厚度较大，且平均剪切波速小于150m/s。

1.2 指标-2

该指标由Campbell等（2003）提出，其基于Wills等（1998）建议的参数Vs30（即地表30m范围内平均剪切波速）和Wills等（2000）定义的拓展的NEHRP场地分类方法，将强震仪所在场地分为如下六类：

A（firm soil，硬土）：包括全新世、新近冲积层或冲积扇、未分化的第四纪沉积物；对应的等效剪切波速Vs30=298±92m/s；对应的NEHRP分类为D；

B（very firm soil，非常坚硬土）：更新世、老的冲积层或阶地沉积物；对应的等效剪切波速Vs30=360±80m/s；对应的NEHRP分类为CD；

C（soft rock，软基岩）：沉积岩、第三纪软火山沉积物、“较软”的弗兰西斯科构造、浅变质岩（例如混合岩、蛇纹石和片岩）；对应的等效剪切波速Vs30=421±109m/s；对应的NEHRP分类为CD；

D（firm rock，硬基岩）：更老一些的沉积岩和坚硬的火山沉积物、高度变质岩、结晶岩、“更硬”的弗兰西斯科构造；对应的等效剪切波速Vs30=830±339m/s；对应的NEHRP分类为BC；

E（shallow soils，浅层沉积土）：沉积层厚度小于10m；

F：极软或松散的全新世土壤，例如海滩的泥沙或者最近的平原、湖、河口、三角洲沉积物。

1.3 指标-3

该指标由Bray等（1997）提出，用于定义如下七类场地：

A（hard rock，硬基岩）：坚硬、完整的岩石；对应的等效剪切波速Vs≥1500m/s；

B（rock，基岩）：大多数“未风化”的加州基岩（Vs≥760m/s或者风化的基岩或土壤厚度＜6m）；

C（weathered soft rock/shallow stiff soil，风化软基岩/浅层沉积硬土）：风化基岩区域大于6m，并且等效剪切波速Vs由360m/s增加到700m/s的土层厚度小于60m；土层沉积厚度小于60m；

D（deep stiff soil，深硬土）：土层沉积厚度大于60m，并且软土层厚度小于3m；

E（sofy clay，软粘土）：软粘土厚度大于3m；

F（special，特殊土）：可能液化的砂土或泥炭，包括全新世高水位（Zw≤6m）的松砂或有机泥炭。

U（unknown condition，未知场地条件）：指不能确定强震仪所在场地的具体条件。

1.4 指标-4

该指标基于场地地表30m内平均剪切波速Vs30将场地分为如下五类：

A：Vs30＞1500m/s；

B：760m/s＜Vs30≤1500m/s；

C：360m/s＜Vs30≤760m/s；

D：180m/s＜Vs30≤360m/s；

E：Vs30≤180m/s。

参照上述四类指标，同一台站场地可能被划分成不同场地类型。比如美国的Tracy-Sewage Treatm Plant台站，按照“指标-1”的划分方法定义为：A（“基岩”场地）；按照“指标-2”的划分方法定义为：A（“硬土”场地）；按照“指标-3”的划分方法定义为：D（“深硬土”场地）；按照“指标-4”的划分方法则定义为：D（对应的等效剪切波速度范围180m/s＜ Vs30≤ 360m/s）。由此可知，不同指标的选取对同一台站场地类型的划分是有影响的。

针对上述不同的场地划分方法对“基岩”场地进行定义，所得到的衰减关系也将存在相应的差距。根据上述“基岩”场地定义，对NGA数据库中强震数据进行筛选，得到可用数据见表1。由于陈勇（2008）和肖亮（2011）均将Vs30＞500m/s定义为“基岩”场地，因此，表1中也包括了这种基岩场地划分方法。不同指标下，自由基岩场地对应的观测数据的震级—距离分布如图1所示。

表1 不同“基岩”场地的定义及数据Table 1 Definition of different rock sites and the corresponding data

图1 对应不同基岩场地定义的强震观测数据的分布Fig. 1 Distribution of strong-motion observation data corresponding to different definitions of rock sites

2 衰减模型与回归系数

本文采用我国工程实践中常用的如下衰减模型：

式中，Sa代表加速度峰值或加速度反应谱值，单位为cm/s2；M为震级；R是震中距（单位为km）；c2—c6为回归系数；σ为满足对数正态分布的随机变量。

由于本文关注的重点在于不同“基岩”场地定义造成的地震动衰减关系的差异，因此在衰减关系中略去震级饱和项，即令c3=0。采用最小二乘原理，通过二步回归方法得出公式（1）中的系数。所有衰减模型中，系数c5=1.0，c6=0.5；系数c1、c2、c4和方差与反应谱控制周期之间的关系如图2所示。从中可以看出，不同“基岩”场地定义对应的回归系数存在较大差别。而且由于回归分析所用数据集不同（如图1所示），导致不同定义对应的方差存在较大差别，数据量越大，其方差越大，如“指标-4”对应的数据量较小（如表1所示），其对应的方差明显小于其他指标的方差。在场地地震危险性计算中，在开展衰减关系不确定性校正时，这种方差上的较大差异将导致概率地震危险性计算结果出现较大的差别。

3 结果分析

利用上述衰减关系系数，可以计算出不同震级、距离条件下的地震动加速度反应谱曲线。图3给出了震级M=5、6、7、8，震中距R=30km、100km下，对应不同指标的“基岩”场地地震动反应谱曲线。可以看出，对应不同场地划分标准的基岩地震动衰减关系计算得到的反应谱曲线存在较大差别。比如在震中距R=30km处，在周期T大于1.0s的长周期范围内：在中小震级条件下（M=5、6），“指标-4”计算的反应谱显著低于其他指标的反应谱；在大震级条件下，“指标-4”（M=8）计算的反应谱又显著高于其他指标的反应谱。为了说明这种差别，以Vs30＞500m/s的计算结果Sa，0（T，M，R）为基准，定义如下比值：

图2 系数c1、c2、c4和方差与反应谱控制周期之间的关系Fig. 2 Relationships between coefficient c1，c2，c4，variance and the natural period of response spectrum

式中，Sa,i(T,M,R) 表示对应于指标−i在震级M、震中距R、控制周期T处的地震动加速度反应谱值；震级M=6、7，震中R=30km、100km下，由（2）式计算的对应于“指标-1”—“指标-4”的谱比曲线如图4所示。

从中可以看出，在震级M=6条件下：①“指标-3”和“指标-4”计算结果在大部分频带范围内均低于Vs30＞500m/s的计算结果；②“指标-1”计算结果在大部分频带范围内均高于Vs30＞500m/s的计算结果；③在R=30km处，对于T＜0.2s，“指标-2”的计算结果高于Vs30＞500m/s的计算结果，其比值最高可达约1.2；④在R=100km处，对于T＜0.3s，“指标-2”的计算结果高于Vs30＞500m/s的计算结果，其比值可高达约1.5。在震级M=7条件下：①在近场（R=30km）不同指标对应的谱比值在0.75至1.1之间变化；②在中远场（R=100km）不同指标对应的谱比值在0.78至1.32之间变化。

图3 对应不同指标的“基岩”场地地震动反应谱曲线（R=30km、100km，M=5、6、7、8）Fig. 3 Ground-motion response spectral curves of the rock sites corresponding to different indices（R=30km, 100km; M=5, 6, 7, 8）

图4 “指标-1”—“指标-4”与Vs30＞500m/s的谱比曲线Fig. 4 Spectral ratios between index-1 through index-4 in regarding to that of Vs30＞500m/s

在震级M=6、7条件下，地震动峰值加速度PGA、T=1.0s对应的反应谱值与震中距之间的关系曲线如图5所示；不同指标计算的参数与Vs30＞500m/s的计算结果之间的比值与震中距之间的关系曲线如图6所示。可以看出，在不同距离范围内，不同指标计算的地震动参数存在较大差别，在原始观测数据相对集中的距离范围内（即10—200km），不同指标计算的PGA与Vs30＞500m/s的计算结果之间的比值在0.8—1.4之间变化，T=1.0s对应的反应谱谱值比在0.65—1.2之间变化。

图5 地震动峰值加速度PGA、T=1.0s 对应的反应谱曲线Fig. 5 Attenuation curves for peak acceleration and spectral acceleration at T=0.1s of ground motion

从图3—6所示结果可以看出，对应于NGA不同场地指标回归出的基岩场地地震动衰减关系，在不同震级、距离下计算出的地震动参数存在较大差别，这种差别在地震危险性计算中将会导致最终所得基岩一致概率反应谱的较大差别。而且，如果考虑对衰减关系的不确定性进行校正，由于方差的较大差异（如图2所示），将会导致计算结果的更大差别。在我国工程场地地震危险性分析工作中，应考虑这种由于场地类别划分标准的不同，引起的基岩地震动参数衰减关系的不确定性对最终计算结果的影响。

图6 不同指标计算的参数与Vs30＞500m/s的计算结果之间的比值随距离的变化Fig. 6 Attenuation curves for the ratios between the parameters computed corresponding to different indices and these for Vs30＞500m/s

4 结论

我国重大工程的场地地震安全性评价工作中，需要首先确定适用于工程场址所处地震环境的基岩地震动参数衰减关系，通过开展地震危险性计算确定基岩地震动反应谱，之后进行场地地震反应计算，以确定拟建工程的场址相关设计地震动参数。因此，确定合理的基岩地震动参数衰减关系是我国工程场地地震安全性评价工作重要的环节。NGA数据库是目前面向地震动衰减关系研究的最全面的强震观测数据库，国际上最前沿的地震动衰减关系均是在其基础上回归得到的。在利用该数据库确定基岩地震动参数衰减关系时，基于数据库提供的不同场地类型指标将会得到不同的“基岩”场地的定义，并得到不同的统计数据集，相应地，最终所得基岩地震动衰减关系也会存在差异。针对该问题，本文利用NGA世界范围内的观测数据，回归得到了对应于五种场地指标的“基岩”地震动衰减关系，并比较了不同衰减关系计算结果的差异。结果表明，由于对“基岩”划分的不同，基于不同场地指标得到的基岩地震动参数衰减关系，对地震动参数的预测结果存在较大差异，而且这种差异随着震级、距离以及反应谱控制周期的变化表现出不同的规律。

在实际工程中，应考虑这种由于场地类型划分标准的不同，造成的地震动衰减关系的差异，并研究其对重大工程抗震设防要求的影响。具体可选用如下两种方法考虑这种影响：第一种方法可引入多个“基岩”地震动参数衰减关系的计算方案，采用基于逻辑树的概率地震危险性分析方法，以此反映对“基岩”场地认识的不确定性对场地地震危险性的影响；第二种方法是通过开展相关的研究工作，对比我国场地分类标准与NGA数据库中不同指标对应的场地分类标准之间的异同，以此确定适用于我国情况的“基岩”场地，并在此基础上确定适用于我国的“基岩”场地地震动参数衰减关系。

参考文献

陈勇，2008．强震动的长周期特性［博士学位论文］．北京：中国地震局地球物理研究所．

胡聿贤，1999．地震安全性评价技术教程．北京：地震出版社．

肖亮，2012．水平向基岩强地面运动参数衰减关系研究．国际地震动态，（1）：37—39．

Abrahamson N．and Silva W.，2008．Summary of the Abrahamson & Silva NGA Ground-Motion relations．Earthquake Spectra，24（1）：67—98．

Boore D.M．and Atkinson G.M.，2008．Ground-Motion Prediction Equations for the Average Horizontal Component of PGA，PGV，and 5%-Damped PSA at Spectral Periods between 0.01s and 10.0s．Earthquake Spectra，24（1）：99—138．

Bray J.D．and Rodriguez-Marek A.，1997．Geotechnical Site Categories．See：Proceedings First PEERPG&E Workshop on Seismic Reliability of Utility Lifelines，San Francisco，CA，1997．

Campbell K.W．and Bozorgnia Y.，2003．Updated Near-Source Ground-Motion （Attenuation）Relations for the Horizontal and Vertical Components of Peak Ground Acceleration and Acceleration Response Spectra．Bulletin of the Seismological Society of America，93（1）：314—331．

Campbell K.W．and Bozorgnia Y.，2008．NGA Ground Motion Model for the Geometric Mean Horizontal Component PGA，PGV，PGD and 5%-Damped Linear Elastic Response Spectra for periods Ranging from 0.01 to 10s．Earthquake Spectra，24（1）：139—172．

Chiou B．and Youngs R.R.，2008．An NGA Model for the Average Horizontal Component of Peak GROUND Motion and Response Spectra．Earthquake Spectra，24（1）：173—216．

Idriss I.M.，2008．An NGA Empirical Model for Estimating the Horizontal Spectral Values Generated By Shallow Crustal Earthquakes．Earthquake Spectra，24（1）：217—242．

Wills C.J．and Silva W.，1998．Shear-Wave Velocity Characteristics of Geologic Units in California．Earthquake Spectra，14（3）：533—556．

Wills C.J.，Petersen M.，Bryant W.A．et al.，2000．A Site-Conditions Map for California Based on Geology and Shear-Wave Velocity．Bulletin of the Seismological Society of America，90（6BS）：187—208．

Influence of Site Classification Criteria on Ground-Motion Attenuation Relationships for Rock Site

Wang Shan1），Zhang Yushan1）and You He2）

1）China Earthquake Disaster Prevention Center，Beijing 100029，China
2）College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China

Based on the different indices that classify the site condition in the strong-motion observation database of USA NGA，five different rock-type sites are defined altogether，and the corresponding data set are obtained．Then the ground-motion attenuation relationships corresponding to different definitions of rock site are regressed by the least square method．The difference of the attenuation relationships of rock ground-motion parameters caused by the different site classification criteria is also studied．

Strong-motion observation database of NGA；Ground-motion attenuation relationship；Peak ground acceleration; Response spectrum

王珊，张郁山，尤贺，2014．场地划分标准对基岩地震动参数衰减关系的影响．震灾防御技术，9（4）：759—769．

10.11899/zzfy20140403

国家自然科学基金（批准号：51178436）和国家科技支撑计划（2012BAK15B01）资助

2014-05-22

王珊，女，生于1988年。实习研究员。主要研究领域：地震工程。E-mail：huli_077@163.com