基于实测记录分析场地因素对海底地震动特性影响

陈宝魁, 王博为, 田 钦, 胡思聪

(南昌大学 建筑工程学院, 江西 南昌 330031)

0 引言

随着海洋工程的发展,自20世纪中期起对海底地震动特性的研究日益深入。鉴于地震动实测记录分析是研究地震动特性最直接的方法,20世纪70年代开始,美国、日本等国相继开展海底强震仪的布设与数据采集分析等工作[1]。1979年美国矿物资源管理处(MMS)在南加利福尼亚州近海安装了海底地震观测系统SEMS(Seafloor Earthquake Mea-suring System)[2]。1995年神户大地震后,日本科学技术厅防灾科学技术研究所在全国1 000多个地点布设了强震仪台网(K-NET强震台网),并于1996年在东京西南部50 km处的相模湾海域布设了6个深海强震台站,用于监测地震与海啸。

基于上述台网已采集到的海底强震记录,研究发现海底与陆地地震动特性区别明显。1999年Boore等[3]对美国SEMS台网8次地震中6个海底台站采集到的海底强震数据的反应谱、竖向与水平反应比谱等进行对比分析,发现相对于陆地,海底地震动竖向分量的高频成分更小,海水层对水平地震动分量的影响较小。在此基础上,刁红旗等[4]同样利用SEMS台网中海底强震记录的分析,发现海水层对以P波为主的垂直地震动影响较大,但对SV波影响有限。陈宝魁等[5-7]利用日本K-NET与美国SEMS台网的强震记录对比海底与陆地地震动的弹性与弹塑性反应谱特征,发现相比于陆地强震记录,海底地震动的竖向分量更小,水平向反应谱拥有比陆地地震动更长的峰值平台,其长周期成分也更为丰富。Dhakal等[8]通过搜集K-NET台网中海底台站的海底地震动研究了非线性场地条件对地震动的影响,发现土层的非线性响应会造成地震动卓越频率成分向低频移动。

近年来,学者们通过数值模拟等方法逐渐认识到海底局部场地因素也可能对地震动造成显著影响。胡进军等[9]基于实际地震动分析俯冲带特征,采用数值模拟的方法结合经验地震动衰减关系模型,发现地质构造差异是造成地震动区域性差异的主要原因。李天男等[10]基于南海岛礁场地钻孔材料和日本房总半岛沿海地区海底强震记录建立了4类岛礁工程场地的一维土层模型,讨论其在浅源地震以及中深源海底地震动作用下的地震反应,结果表明钙质砂密实程度不同的珊瑚礁场地对海底地震动的放大效应有较大差异。由于海底记录的数量十分有限,且场地条件等地理参数难以获得,一些学者辅以数值模拟和解析计算等方法进一步研究海底地震动的影响因素。Nakamura等[11]通过有限元差分法模拟了海底滑坡地震的海底地震波场,证明海水和海底地形对地震动有很大影响。李超等[12]基于水动力学方程等理论提出了一种由基岩、多孔土层和海水层组成的近海场地海底地震动建模与仿真方法,得出海底地震动垂直运动会受到抑制。

由于海底地震动数量有限且各海底台站的场地条件不确定,以往研究大多以震级、震中距、震源类型等作为海底强震记录的分组依据,缺少对不同海底台站间地震动特性的比较与分析。基于此,本文对比日本K-NET台网中6个海底台站强震记录的时程曲线及相关的反应谱特性,进一步分析海底强震记录与相邻不同场地条件陆地台站的地震动特性,初步判断海底场地因素对地震动特性具有较大影响。研究内容可为今后深入了解海底地震动的特性与影响因素提供参考。

1 地震台站与强震记录的选取

本研究所用海底与陆地强震记录选自日本K-NET强震台网。该台网由日本境内1 000多个陆地台站组成,并在日本东京西南部50 km三浦半岛与伊豆半岛之间的半圆型相模湾海域布设了6个海底强震台站,即KNG201～KNG206。以这6个海底强震台站采集到的强震记录为中心,研究不同海底台站间地震动特性的区别。6个海底强震台站的信息列于表1。

表1 海底台站信息表

另外,与海底强震记录对比的陆地记录选自临近海底台站的18个陆地台站。陆地台站按照场地平均剪切波速小于180 m/s、180～360 m/s、大于360 m/s划分为软土场地(CHB008、CHB014、KNG001、KNG002、KNG004、KNG009)、中硬土场地(CHB004、CHB006、CHB007、CHB024、KNG003、KNG006)和硬土场地(CHB021、FKS027、FKS029、KNG005、KNG014、TKY008)3组。海底与陆地台站信息与场地条件参见日本K-NET强震台网网站(http://www.kyoshin.bosai.go.jp/)。

在保证地震中海底与陆地台站均采集到有效强震记录的条件下,共选取2006—2020年间的8次地震事件,震级在MW4.9～6.0范围内,震源深度在53～156 km间(表2)。每个台站的强震记录均包含2条水平向和1条竖向加速度时程,总计576条。研究利用4阶Butterworth滤波法对收录的地震实测数据进行滤波,滤波频率范围为0.1～25 Hz,并对时程曲线做基线调整处理。

表2 地震事件信息

2 竖向与水平峰值加速度比

竖向与水平(V/H)峰值加速度比有利于观察地震动竖向与水平分量的关系:

(1)

式中:V/H为竖向与水平峰值加速度比;av和ah分别为竖向和水平方向加速度时程的峰值。

2.1 海底与陆地地震动V/H峰值加速度比分析

以往基于实测记录对比海底与陆地地震动特性的研究中缺乏对场地因素的考虑。虽然K-NET台网中海底台站的场地因素不能确定,但陆地台站的场地条件等信息非常全面。因此按照场地条件给陆地台站分组,并与海底地震动进行比较。图1列出了8次地震中不同场地条件陆地台站与海底台站的平均V/H峰值加速度比,可知8次事件中6个海底台站的平均峰值加速度比仅为0.15～0.25,明显小于陆地台站(基本大于0.4)。此外,陆地硬土场地地震动的V/H峰值加速度比最小,软土场地的V/H峰值加速度比最大。其中海底场地平均V/H峰值加速度比为0.2,3组陆地场地总的平均峰值加速度比为0.53;海底地震动的V/H峰值加速度比仅为陆地地震动的1/2左右。研究结果与以往研究结论一致[13]。由于P波与海水层的共振频率范围受到压制,海水层对海底地震动竖向分量的影响较大。

图1 8次地震事件中海底台站与3组陆地台站 强震记录的V/H峰值加速度比Fig.1 V/H PGA ratio of strong motion records from offshore and 3 groups of onshore stations during 8 earthquakes

2.2 不同海底台站V/H峰值加速度比分析

图2为6个海底台站在8次地震事件中的V/H峰值加速度比。由图2可知,6个海底台站的V/H峰值加速度比值一般为0.1～0.4,并且呈现出明显的规律性。如KNG202台站在每一次地震事件中的V/H峰值加速度比基本大于0.4,高于其他台站,而KNG201台站的峰值加速度比均小于0.2,在每次地震中基本最小;其他台站的峰值加速度比在每次地震中同样存在规律性。因为6个海底台站的距离较近,可以忽略震中距和传播路径对同次地震中不同海底台站强震记录的影响,且考虑到同次地震中强震记录的震源条件(震级和震源深度)相同,初步判断海底局部场地因素是引起不同海底台站间V/H峰值加速度比差异的原因。

图2 8次地震事件中6个海底台站的V/H峰值 加速度比Fig.2 V/H PGA ratio of 6 offshore stations during 8 earthquake events

3 竖向与水平加速度反应谱的比谱

为进一步了解海底竖向地震动的特性,本节不但对比了海底与陆地地震动平均竖向与水平反应谱的比谱(V/H比谱),还比较了不同海底台站的平均V/H比谱,并按周期绘制成谱曲线。V/H比谱是竖向加速度反应谱值与两个水平分量的平均加速度反应谱值的比值。V/H比谱可以消除场地条件以外其他因素对分析结果的影响,因此其有利于消除震中距、震级等震源机制因素的影响[14]。

3.1 海底与陆地V/H比谱分析

图3列出了8次地震中海底与3类陆地台站的平均V/H比谱。由图3可见,海底与陆地地震动的V/H比谱差异极为明显。在T<0.7 s周期段,海底地震动的V/H比谱基本小于0.2,明显小于陆地地震动;在短周期范围陆地软土场地的比谱谱值更高,可达0.6以上,在T>0.3 s时其下降趋势明显。当T>0.7 s时,海底地震动的V/H比谱逐渐升高,但始终小于陆地硬土场地地震动,更接近于陆地中硬土场地。

图3 8次地震事件平均V/H比谱Fig.3 Average V/H spectral ratio of 8 earthquake events

3.2 不同海底台站V/H比谱分析

图4为6个海底台站在8次地震中的平均V/H比谱。图中相同海底台站在不同地震中的谱值趋势与峰值位置基本一致,可见各海底台站的谱特性与海水层以及海底场地因素相关联。此外,虽然这些海底台站的比谱大多体现出不同于陆地地震动的特性,但各个台站之间仍存在差别,特别是KNG202台站的比谱在全部周期段内约在0.4～0.8范围波动,不同于其他海底台站,与陆地硬土场地的比谱更为接近。另外,由于2020-02-01地震中KNG201台站的竖向与水平分量PGA过小,比谱失真,未在图中列出。

图4 8次地震中6个海底台站的V/H比谱Fig.4 V/H spectral ratio from 6 offshore stations during 8 earthquake events

4 水平向反应谱

4.1 陆地与海底水平向放大系数谱分析

图5列出了8次地震中3组不同场地条件陆地台站与海底台站的平均(水平向)放大系数谱。放大系数谱为加速度反应谱与对应峰值加速度之比,水平向放大系数谱分析有利于消除地震动强度对谱值的影响。如图5所示,海底与陆地地震动水平向反应谱的差异较小,海底地震动的谱值在周期T≤0.2 s时基本与陆地中硬土场地地震动一致,在T>0.2 s时明显大于陆地硬土场地谱值,介于陆地中硬土场地与软土场地之间。

图5 不同场地条件下8次地震事件平均水平 放大系数谱Fig.5 Average horizontal amplification coefficient spectra of 8 earthquakes under different site conditions

4.2 不同海底台站水平向放大系数谱分析

图6列出了6个海底台站在8次地震中的水平向平均放大系数谱。由图可知,不同海底台站水平向反应谱的谱特征总体上比较相似,特征周期在0.1～0.3间。

图6 6个海底台站8次地震事件水平向平均 放大系数谱Fig.6 Average horizontal amplification coefficient spectra of 6 offshore stations during 8 earthquake events

综上研究,虽然海底台站KNG201与KNG202所处场地水深相近,但两个台站的V/H峰值加速度比与V/H反应谱比谱的差别明显,考虑到以上分析已消除了震源因素的影响,因此通过分析结果判断海底场地因素对海底地震动影响较大。由于本研究中6个海底台站所在海床的局部场地条件与地形尚未公布,难以通过实测海底强震记录分析场地条件和地形等场地因素对海底地震动特性的具体影响。

此外,目前一些专家的数值分析成果发现海底普遍存在的淤泥软土层可以放大SV波的水平向地震反应[12-13],这可能是导致海底水平向地震动长周期成分较大的原因。研究同样发现海底地形与海底淤泥软土层均会对P波产生较大影响[13],这也进一步说明场地条件与地形等场地因素可能导致不同海底台站间竖向地震动产生较大差异。

5 结论与展望

对比分析日本K-NET强震台网中海底台站与3类不同场地条件陆地台站的强震记录,发现海底与陆地震动特性差异较大,不同海底台站间竖向地震动的特性也存在明显差异。主要结论如下:

(1) 海底与陆地地震动竖向分量差异较大,海底地震动竖向与水平峰值加速度比明显低于陆地地震动。海底地震动的V/H比谱在短周期范围内明显小于陆地地震动,在长周期范围接近陆地中硬土场地地震动。

(2) 不同海底台站间竖向地震动差异明显且在不同地震中表现出相同的规律性。基于本文海底实测强震记录的分析与以往数值分析结果,判断海底场地条件、地形等场地因素对海底地震动特性影响较大。

(3) 海底地震动水平向反应谱在T>0.2 s的中长周期段明显高于陆地硬土场地地震动,介于陆地中硬土场地与软土场地之间,因此建议在自振周期较大的海洋结构物的抗震分析中谨慎使用陆地硬土场地强震记录。

此外,限于海底台站的场地信息无法获得,场地因素对海底地震动的具体影响程度难以由准确把握。但伴随海底台站数据的增加与场地信息的完善,研究结果将进一步补充完善。