土层剪切波速测试中的不确定性对场地地震动参数的影响分析——以Ⅲ类场地为例1

沈得秀1,2)　王庆民1)　许洪泰2)　杨传成2)



土层剪切波速测试中的不确定性对场地地震动参数的影响分析——以Ⅲ类场地为例

沈得秀王庆民许洪泰杨传成

1）山东省地震局，济南 250014 2）山东省地震工程研究院，济南 250021

本文选取山东地区2个Ⅲ类场地的工程地质勘探及土层剪切波速等资料，将土层厚度按5个深度段，每个分段给出了4个土层剪切波速的改变量，通过改变不同深度段土层剪切波速，建立了19种土层地震反应分析模型，分析了不同深度段，不同概率水平下土层剪切波速的变化对场地地震动参数的影响。研究表明，不同深度段土层剪切波速的变化对场地地震动参数的影响有差异。具体表现为，土层剪切波速的改变在1—10m、11—40m和地震输入界面处三个深度段对地震动加速度峰值影响较大；其中，41—70m和71—100m两个深度段剪切波速的改变对地震动加速度峰值影响小；在土层深度1—10m时，剪切波速降低，峰值变大，剪切波速的改变与峰值的改变呈负相关；在其它深度段，剪切波速降低，峰值变小，剪切波速的改变与峰值的改变呈正相关。剪切波速的改变在1—10m和11—40m两个深度段对地震加速度反应谱影响较大；在41—70m、71—100m和地震输入界面三个深度段对地震加速度反应谱影响很小。

场地地震动参数 剪切波速 不确定性 Ⅲ类场地

引言

场地地震动参数的确定，其结果作为建设工程抗震设防的依据，是工程场地地震安全性评价的目标之一（中华人民共和国国家标准，2005）。局部场地条件作为影响地震动的三类因素之一（胡聿贤，1988），其对场地地震动参数的影响是不容忽视的。如何估计场地条件对地震动特性的影响，并在工程结构抗震设防中考虑这一因素，一直是工程地震学的重要研究课题。对此，不同学者从不同角度进行了多方面研究，普遍认为场地条件对地震动的影响很大，在地震动幅值（如峰值加速度）和频谱特性（如反应谱特征周期）的变化上均有体现（李小军等，2001a；200lb；薄景山等，2003a；2003b；2003c；吕悦军等，2008；李建亮等，2011）。

反映场地条件的重要因素之一是场地土层的剪切波速，它是由场地现场原位测试得到的，是反映土体动力特性的重要参数，也是进行场地类别划分和建立土层地震反应分析模型的基础数据。随着场地条件对地震动影响的深入研究，土层剪切波速对场地地震动参数的影响及剪切波速测试中存在的问题，也越来越受到学者们的重视（薄景山等，2003a；兰景岩等，2007；董林等，2013）。

土层剪切波速的测试，由于受测试仪器、场地条件、测试条件及观测人员等因素的影响，总会不可避免地产生误差。那么，在地震动参数确定过程中，土层剪切波速测试中的误差作为一种不确定性因素，它对场地地震动参数的确定结果有着怎样的影响？分析这种影响对于进一步分析场地地震动参数的合理性有着重要意义。

本文研究了山东地区两个Ⅲ类场地条件下的实测土层原位剪切波速资料，通过改变不同深度段的剪切波速，建立多种土层地震反应分析模型，分析了不同深度段剪切波速的变化对场地地震动参数的影响，以期为分析土层剪切波速测试中的不确定性对场地地震动参数的影响提供参考。

1 场地资料的选取

本文选取山东地区Ⅲ类场地条件下2个场地的工程地质钻孔资料、剪切波速及动三轴土样资料，用以研究不同深度段剪切波速变化对地表场地地震加速度峰值及地震反应谱形态的影响。所选的2个场地的基本资料如表1所示。

2 基岩地震动输入的确定及土层地震反应计算

2.1 基岩地震动输入的确定

基岩地震动输入的确定是进行场地地震动参数确定的基础。首先以所选场地钻孔为计算控制点进行地震危险性概率分析，确定自由基岩条件下的地震动峰值及加速度反应谱；然后根据所计算控制点处的地震构造环境，确定等效震中距及等效震级，并以霍俊荣（1989）对强度包络函数的估计公式，拟合出2个场地的基岩人工地震动时程，每个场地以50年超越概率63%、10%、2%水平下，各自拟合出3个随机初相位的基岩加速度时程，并以此作为场地地震反应分析的输入。

2.2 土层地震反应计算

为研究不同深度段剪切波速变化对场地地震动参数的影响，对选取的２个场地的土层地震反应模型按照研究的需要，对不同深度的剪切波速进行调整。根据２个场地的覆盖层厚度，选取5个深度段，即1—10m、11—40m、41—70m、71—100m、地震输入界面处（剪切波速不小于500m/s时深度处）。为分析不同的剪切波速改变量对场地地震动参数的影响，考虑到所选场地的表层波速较低的因素，根据选取的2个场地的原始剪切波速，取-20m/s、20m/s、40m/s、60m/s的4个改变量，通过改变5个深度段的剪切波速值，分别建立土层地震反应分析模型，共建立19种工况（所选场地基岩地震动输入面剪切波速较低，只选取了3个剪切波速改变量，即20m/s、40m/s、60m/s）进行土层地震反应分析，得到不同土层地震反应模型下的地震动加速度峰值及反应谱，然后与场地的实际土层地震反应模型所计算得到的场地地震动参数进行比较，进而分析不同深度段的剪切波速改变对场地地震动参数的影响。

3 剪切波速的变化对场地地震动参数的影响分析

对于不同深度段剪切波速的变化对场地地震动参数的影响，主要从场地地震动加速度峰值、场地地震加速度反应谱形态二个方面，分析不同深度段剪切波速的改变对场地地震动参数的影响。

3.1 剪切波速的变化对场地地震动加速度峰值的影响

如前所述，根据已建立的19种土层地震反应分析模型及场地实际土层地震反应分析模型进行土层地震反应分析的结果，分不同深度段、不同超越概率条件下，分析改变剪切波速对场地地震加速度峰值的影响。

通过对已建立的19种工况土层地震反应分析的结果与场地实际模型得到的土层地震反应分析的结果对比，在1—10m、11—40m、41—70m、71—100m、地震动输入界面处，改变剪切波速，对场地地震动加速度峰值有着明显的差异，并且这种差异在不同超越概率条件下有着明显不同的影响。

在图1和图2中，分别比较了场地１和场地2在不同深度段剪切波速改变条件下得到的场地地震加速度峰值与实际场地地震加速度峰值结果。在图1和图2中，横坐标为剪切波速的改变量（-20m/s、20m/s、40m/s、60m/s），坐标原点为实际土层模型下的场地地震动加速度峰值，纵坐标为峰值的改变量。图中（a）、（b）、（c）分别对应50年超越概率63%、10%、2%水平下的峰值比较结果；图中1、2、3、4、5分别对应1—10m、11—40m、41—70m、71—100m土层、地震动输入界面处土层5个深度段。

对图1和图2的分析可得出，场地地震动加速度峰值对土层剪切波速的依赖性很强，在其它条件不变的情况下，在1—10m、11—40m、41—70m、71—100m土层、地震输入界面处土层5个深度段，剪切波速的改变和场地地震动加速度峰值有明显的差别，其中，剪切波速的改变在土层深度1—10m时，对场地地震动加速度峰值影响最大；在11—40m时次之；基岩输入面处较次之；41—70m、71—100m时影响最小。在土层深度1—10m时，剪切波速降低，峰值变大，剪切波速的改变与峰值的改变呈负相关；在其它深度段，剪切波速降低，峰值变小，剪切波速的改变与峰值的改变呈正相关。同一深度段，剪切波速的改变，对不同超越概率条件下有差异，50年超越概率63%水平下对峰值影响最小；50年超越概率10%水平下影响次之；50年超越概率2%水平下影响最大。在场地1和场地2条件下，不同的地震动输入强度，对峰值有着影响，强度大对应的峰值改变量也大；剪切波速的改变量大对应的峰值也大。本文所得到的认识都是基于总体的认识，在个别深度段及个别剪切波速改变量条件下，仍存在差异，这可能与不同基岩人工地震动时程对不同深度段模型的作用不同有关系。

3.2 剪切波速的变化对场地地震动加速度反应谱形态的影响

在场地地震动加速度反应谱方面，根据已建立的19种工况与实际场地地震加速度反应谱比较，不同深度段土层的剪切波速改变，对场地地震加速度反应谱的形态影响不同，主要表现在场地地震动加速度峰值高的工况下，场地地震加速度反应谱整体变窄，变高，在周期中低频段更为明显。

由于在场地地震动参数中，、T、之间相互影响，在有变化时，难以分析不同深度段土层剪切波速的改变对T的影响。为此，本文分别选取2个场地条件下用50年超越概率10%的第1相位计算得到的土层地震反应分析结果，与实际剪切波速条件下的土层地震反应分析结果进行比较。

图3和图4分别为场地1和场地2不同深度段土层剪切波速的改变对场地地震加速度反应谱的变化。

对图3和图4的对比分析可得到，在不同深度段土层剪切波速对地震加速度反应谱形态的影响有明显差异，在1—10m、11—40m两个深度段，剪切波速的改变对地震加速度反应谱的形态影响比较明显。其中，1—10m深度段对地震加速度反应谱的影响较宽，大致在0.04—0.60s周期段反映明显；11—40m深度段对地震加速度反应谱的影响较窄，大致在0.1—0.55s周期段反映明显；而在41—70m、71—100m、地震动输入面处三个深度段的地震加速度反应谱的形态受剪切波速改变的影响较小。2个场地地震加速度反应谱形态受剪切波速改变的影响基本一致。

4 结论与讨论

土层的剪切波速，不管在场地地震动加速度峰值，还是在地震加速度反应谱形态方面，对场地地震动参数的影响都是非常明显的，通过本文的研究可以得出如下的认识：

（1）剪切波速的改变，在不同深度段场地地震动加速度峰值有明显的差别。剪切波速的改变在土层深度1—10m时，对场地地震动加速度峰值影响最大；11—40m时次之；基岩输入面处较次之；41—70m、71—100m时影响最小。在土层深度1—10m时，剪切波速降低，峰值变大，剪切波速的改变与峰值的改变呈负相关；在其它深度段，剪切波速降低，峰值变小，剪切波速的改变与峰值的改变呈正相关。同一深度段，剪切波速的改变，对不同超越概率条件下有差异，50年超越概率63%水平下对峰值影响最小；50年超越概率10%水平下影响次之；50年超越概率2%水平下影响最大。场地1和场地2条件下，不同深度段剪切波速的改变，在覆盖层厚度不同时，对峰值的影响并不明显，但不同的地震动输入强度，对峰值有着影响，强度大对应的峰值改变量也大。

（2）在不同深度段，土层剪切波速对地震加速度反应谱形态的影响有明显差异。在1—10m、11—40m两个深度段，剪切波速的改变对地震加速度反应谱的形态影响比较明显。其中，1—10m深度段对地震加速度反应谱的影响较宽，大致在0.04—0.60s周期段反映明显；11—40m深度段对地震加速度反应谱的影响较窄，大致在0.1—0.55s周期段反映明显；而在41—70m、71—100m、地震动输入面处三个深度段的地震加速度反应谱的形态受剪切波速改变的影响较小。2个场地地震加速度反应谱形态受剪切波速改变的影响基本一致。

本文在基于一定的假设条件下，主要分析了土层剪切波速的不确定性对场地地震动加速度峰值及场地相关谱的影响。研究结果表明，土层的剪切波速对场地地震动参数的影响较大，那么土层剪切波速测试是否反映真实的场地条件，波速的测试结果是否可靠，将是合理确定场地地震动参数的先决条件。当然，影响场地地震动参数的因素还有很多，如土动力学参数、土层结构等，如何合理确定场地地震动参数仍然是今后需要不断研究的课题。

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Analysis of Ground Motion Parameters Impact on Soil Shear Wave Velocity at Different Depths——A Case of Site Class Ⅲ

Shen Dexiu, Wang Qinmin, Xu Hongtaiand Yang Chuancheng

1) Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China 2) Shandong Institute of Earthquake Engineering, Jinan 250021, China

We selected data of engineering geological exploration and soil shear wave velocity from two class Ⅲ sites in Shandong, and divided the depth of soil thickness into five segments, in which each segment is given four values of soil shear wave velocity. By changing the soil shear wave velocity at different depth, we established 19 kinds of soil seismic response analysis models, and analyzed influence on segments at different depths and different probability levels change on soil shear wave velocity of ground motion parameters. Our results show that the change soil shear wave velocity at different depth has different impact on ground motion parameters. Particularly, changes in soil shear wave velocity at 1-10m, 11-40m and interface where seismic wave input have the greater influence on peak ground acceleration. Whereas, the changes of shear wave velocity at 41-70m and 71-100m depth have the less influence on the peak ground acceleration. In soil at depth 1-10m, with the decrease of shear wave velocity the peak acceleration increases, and vice versa at the other depths. Changes of shear wave velocity have great influence on acceleration response spectra at 1-10m and 11-40m depth, and small influence at 41-70m and 71-100m depth.

Shear wave velocity；Ground motion parameter；Uncertainties；Ⅲclass site

1基金项目 山东省地震局重点科研基金项目（JJ1313Y）和山东省地震局合同制科研项目（09Y17）共同资助

2013-08-24

沈得秀，女，生于1975年。2007年获得硕士学位，工程师。主要从事地震活动性和工程地震的研究工作。E-mail: shendexiu@163.com

沈得秀，王庆民，许洪泰，杨传成2014．土层剪切波速测试中的不确定性对场地地震动参数的影响分析——以Ⅲ类场地为例. 震灾防御技术，9（2）：244—251.