地表岩土层对地震动特性的影响分析①

地表岩土层对地震动特性的影响分析①

金基项目：国家重点基础研究发展(973)计划(2011CB013601)；国家自然科学基金重大研究计划集成项目(91215301)；环保公益性行业专项(201309056)

通信作者： 迟明杰(1978-)，博士后，副研究员，主要从事岩土地震工程方面的研究工作。E-mail：03115049@bjtu.edu.cn。

陈永新1， 迟明杰1，2， 李小军1

(1.中国地震局地球物理研究所，北京 100081； 2.中国地震局地震观测与地球物理成像重点实验室，北京 100081)

摘要：利用日本强震观测网KiK-Net中两个基岩台站、两个Ⅲ类场地台站中数百条强震记录，对比基岩场地和Ⅲ类场地的地震动特性，分析傅里叶谱卓越频率与震级和距离的关系，以及上覆岩土层对地震动的影响。分析结果表明：基岩场地上，地下和地表各分量傅里叶谱卓越频率随震级增大或距离增大而减小，大小及分布规律基本一致；Ⅲ类场地上，地下记录各分量傅里叶谱卓越频率随震级增大或距离增大而减小，而地表记录的这一规律则不明显，且地下、地表卓越频率大小及分布明显不同，对于同为Ⅲ类场地但土层条件不同的台站其变化也不同。说明坚硬的基岩场地对地震动影响较小，而基岩上覆土层对地震动有明显的影响且其影响具不确定性。

关键词：地震动；卓越频率；震级；距离；场地条件

收稿日期：①2014-08-20

作者简介：陈永新(1989-)，男，硕士，主要从事岩土地震工程。E-mail：chenyoyi@126.com。

中图分类号:P315.9文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0743

Effect of Overlaying Rock and Soil Layers on Ground

Motion Characteristics

CHEN Yong-xin1, CHI Ming-jie1,2, LI Xiao-jun1

(1.InstituteofGeophysics,CEA,Beijing100081,China;

2.SeismicObservationandGeophysicalImaging,CEA,Beijing100081,China)

Abstract：Several hundred strong motion records from two bedrock stations and two class Ⅲ stations from the KiK-Net in Japan were used to analyze ground motion features, the relationship between Fourier spectrum dominant frequency and magnitude or distance, and the effect of shallow surface rock and soil layers on ground motion. At the bedrock stations, both underground and at the surface, the Fourier spectrum dominant frequencies for three components decreased with increasing magnitude or distance, and exhibited similar values and distribution. However, at class Ⅲ sites, only the underground sites displayed a decrease in their three-component Fourier spectrum dominant frequencies over increasing magnitudes or distances. At these class Ⅲ sites, the Fourier spectrum dominant frequencies displayed significantly different values and distributions between the underground and surface ground motions, and the changes are different between the ground motions at stations with different soil conditions. These results indicate that hard bedrock has little effect on ground motion; however, an overlying soil layer on the bedrock has a profound and uncertain effect on ground motion characteristics.

Key words： ground motion; dominant frequency; magnitude; distance; site condition

0引言

不同场地在同一地震中的反应不尽相同，同一场地在不同地震中的反应也不相同[1]。因而地震动场地效应的研究是地震工程学中最重要的课题之一。在实际工程中，如何选择工程场址及评估场地的地震反应显得尤为重要[2]。

地震记录是一综合信息，包含了地震震源、地震波的传播途径及场地效应等特性。因而在研究场地的地震反应时, 其难点在于如何区分地震记录中的震源效应、传播途径及场地反应各自的影响[3-4]。栗林荣一等[5]研究了震级、震中距和场地条件等因素对加速度反应谱值的影响；Trifunac等[6]和片山恒雄等[7]分别用统计方法建立了加速度反应谱值与震级、震中距和场地条件的经验关系；周雍年[8]利用日本强震观测资料研究了影响加速度相对反应谱形状的因素，指出震级和场地条件对反应谱形状的影响要远比震中距的影响明显；胡聿贤等[9]利用美国27个基岩台站强震记录统计分析了反应谱以及几个最大值与震级和震源距离的关系。近年来地震频发，强震动记录数据也更加完整，很多学者采用日本强震数据库作为资料研究地震动参数[10-12]，主要是通过对比分析地下和地表记录研究场地对反应谱幅值和地震动衰减影响的相关研究。笔者认为有必要利用地下记录探讨地震动自身某些特性的影响因素，如震级、距离对其傅里叶谱卓越频率的影响，另外通过对地上和地下的对比分析可以研究地表岩土层对地震动的影响。

本文认为同一台站地下仪器的记录体现的是震源特性和中间介质对地震动特性的影响，而地表、地下仪器所记录的地震信息的变化则主要受地表岩土层条件影响；分析日本强震动观测网KiK-Net中两个基岩台站、两个Ⅲ类场地台站的地表、地下的数百条地震记录，使用ViewWave分析获取每条记录的傅里叶谱卓越频率(傅里叶谱中最大幅值所对应的频率值)，研究其卓越频率与震级大小和距离远近的关系，并通过对比地表与地下强震动记录信息反映场地地表岩土层对地震动的影响。

1强震动数据

从日本强震观测网Kik-Net中选取两个基岩台站FKOH06、KGSH03，两个Ⅲ类场地台站TCGH16、AOMH16作为研究对象。台站地震事件随机选取，PGA尽量能覆盖各个等级，其中FKOH06中29个地震事件，地表和地下三个分量共174条记录；KGSH03中25个地震事件，地表和地下共150条记录；TCGH16中45个地震事件，地表和地下共270条记录；AOMH16中32个地震事件，地表和地下共192条记录。

2数据分析

使用软件ViewWave读取记录、分析数据，分别获取各条记录的傅里叶谱卓越频率，然后分别绘制震级-频率、距离-频率散点图(图1～图8)，研究卓越频率与震级和距离的关系，以及地表岩土层对地震动的影响。

图1　FKOH06台站Fourier谱卓越频率-震级关系图 Fig.1　Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and magnitude for FKOH06 station

图2　FKOH06台站Fourier谱卓越频率-距离关系图 Fig.2　Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and distance for FKOH06 station

图3　 KGSH03台站Fourier谱卓越频率-震级关系图 Fig.3　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and magnitude for KGSH03 station

图4　KGSH03台站Fourier谱卓越频率-距离关系图 Fig.4　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and distance for KGSH03 station

首先分析基岩台站(FKOH06和KGSH03)强震动记录的特点。由图1～图4可以看出，对于震级-卓越频率，地下、地表三个分量的傅里叶谱卓越频率均随震级增大而减小；对于距离-卓越频率，地下、地表三个分量的傅里叶谱卓越频率也均随距离增大而减小，相对而言这个变化趋势在距离-卓越频率关系图中更显著一些。另外，地下、地表中水平分量与垂直分量的卓越频率都基本相当，地下和地表各分量之间卓越频率也基本相当。由以上分析可以看出，对于基岩台站，地下、地表三个分量卓越频率与震级和距离的变化规律是一致的。

接下来分析Ⅲ类场地台站(TCGH16和AOMH16)：Ⅲ类多层TCGH16，由图5、图6可以看出，对于震级-卓越频率，地下三个分量傅里叶谱卓越频率随震级增大而减小，但地表三个分量的这个趋势变化很不明显；同样对于距离-卓越频率，地下三个分量傅里叶谱卓越频率随距离增大而减小，但地表三个分量的这个趋势变化也很不明显。另外，地下三个分量卓越频率大小相当，但在地表，垂直分量的卓越频率分布广(0.5～12 Hz)，而水平分量的卓越频率分布相对窄(1.7～5.7 Hz)。

图5　TCGH16台站Fourier谱卓越频率-震级 　　　关系图 Fig.5　 Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and magnitude for TCGH16 station

图6　 TCGH16台站Fourier谱卓越频率-距离 　　　 关系图 Fig.6　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and distance for TCGH16 station

Ⅲ类多层AOMH16 ，由图7、图8可以看出，对于震级-卓越频率和距离-卓越频率，规律与TCGH16基本一致，即地下三个分量傅里叶谱卓越频率随震级增大或距离增大而减小，但地表三个分量的这个趋势变化不明显。另外，地下三个分量卓越频率大小相当，但在地表，水平分量和垂直分量分别都集中于两个不同频率段，水平分量集中于1 Hz和5 Hz，而垂直分量则集中于2 Hz和8 Hz，总体高于水平分量卓越频率。由以上分析可以看出，对于Ⅲ类场地台站，地表与地下强震动记录的震级、距离与卓越频率之间变化规律明显不一致。

图7　AOMH16台站Fourier谱卓越频率-震级 　　　关系图 Fig.7　Relationship between dominant frequency of Fourier 　　　 spectrum and magnitude for AOMH16 station

图8　AOMH16台站Fourier谱卓越频率-距离关系图 Fig.8　 Relationship between dominant frequency of Fourier spectrum and distance for AOMH16 station

3结果与讨论

综合以上分析可知，对于地下三个分量的傅里叶谱卓越频率，无论是基岩场地还是Ⅲ类场地，都存在一个基本规律，即卓越频率随震级增大或距离增大而减小；对于地表三个分量的傅里叶谱卓越频率，在基岩场地和Ⅲ类场地上则有不同体现，基岩场地上地表三个分量的傅里叶谱卓越频率仍随震级增大或距离增大而减小，但Ⅲ类场地上地表三个分量的傅里叶谱卓越频率随震级或距离的变化没有明显规律。

另外，基岩场地上地下和地表三个分量卓越频率分布都基本一致，但Ⅲ类场地上地下三个分量卓越频率分布基本一致，而地表水平分量和垂直分量卓越频率分布明显不一致，且对于地表土层条件不同的具体台站，地表各分量的卓越频率分布也不同。

无论是基岩场地还是Ⅲ类场地，对于地下记录各分量傅里叶卓越频率随震级增大或距离增大而减小的这一基本规律，因为仪器都置于坚硬基岩上，没有场地地表土层影响，所以体现的是地震动本身(包括震源特性和地震波传播路径)的一个特性。基岩台站地上、地下卓越频率大小及分布基本一致，体现了基岩这种坚硬场地对地震动影响作用很小；Ⅲ类场地台站地上、地下卓越频率大小及分布明显不同，且对于土层条件不同的具体台站变化不同，体现了场地地表土层对于地震动的明显影响及其影响的不确定性。

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