汶川地震汉源县城震害分布与场地反应分析

2020-07-28齐文浩王振清薄景山郑桐

哈尔滨工程大学学报 2020年3期

齐文浩，王振清，薄景山，郑桐

(1.中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080； 2.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150001； 3.防灾科技学院，河北三河 065201)

“5·12”汶川8.0级特大地震造成了巨大灾害，受灾严重的除了距震中较近的区域外，距离震中较远的高烈度异常区也不容忽视，如汉源(Ⅷ度异常区)、康县(Ⅸ度异常区)、中江(Ⅷ度异常区)、通江(Ⅶ度异常区)、洪雅(Ⅶ度异常区)、宝鸡-岐山-眉县(Ⅶ度异常区)、西安(Ⅵ度异常区)等烈度异常区。其中以距离震中约200 km的汉源县城的烈度异常现象最为典型，为Ⅵ度区中的Ⅷ度烈度异常区[1]。探究这种跨两度的高烈度异常现象的原因，减轻或避免以后类似灾害的重演，成为地震工程界密切关注的课题之一。

自汶川地震汉源县烈度异常被发现以来[2]，研究者们从不同角度对引起这一现象的原因进行了分析研究。齐文浩等从地脉动的角度初步指明场地软厚的可能原因[2]；高孟潭[3]也初步指明了这一可能原因；门妮[4]从背后山滑坡的角度分析指出滑坡加重了汉源震害；李平等[5-6]从汉源土层结构和河谷地形的角度分析了汉源震害异常的原因；Liu等[7]也从场地放大效应的角度进行了研究。

地震烈度异常是地震事件中常见的现象，都有特定的形成原因。最为典型的是1985年墨西哥地震中距离震中约400 km的墨西哥盆地出现的震害异常[8]；2011年东日本大地震中远离震中的大阪湾遭受的严重地震灾害[9-10]；中国云南施甸盆地多次出现的严重震害[11]。这些高烈度异常现象都与其场地软弱、深厚密不可分。在唐山地震中，由于玉田县覆盖土层土质坚硬，剪切模量较大，该地区出现了低烈度异常现象[12]。纵观这些典型的烈度异常现象不难发现，场地条件是主要的影响因素之一。本文依据震害调查的结果，从场地条件角度着手，研究汉源县城震害分布及其与场地地震反应的关系，分析造成汉源烈度异常的原因。

1 汉源县城震害概况

汉源县隶属四川省雅安市，距离震中约200 km。在汶川地震中，汉源县城富林镇受灾较周边地区更为严重，烈度达到了Ⅷ度，为了探明其原因，对富林镇进行了详细的汶川地震灾害调查。

根据富林镇的街道分布情况，在约42 km2范围内大致均匀调查了86栋房屋，房屋类型包括砌体结构、框架结构和木结构房屋等。根据调查结果得到每一栋被调查房屋的震害指数。图1为典型的震害照片及其震害指数(DI)，调查结果显示，砌体结构房屋震害相对更为严重。

图1 房屋结构破坏震害调查Fig.1 Earthquake disaster investigation of buildings and houses

图2为依据86栋房屋的震害指数绘制的震害等值线图。其中震害指数DI=0.5等值线以内区域为严重破坏区，地震烈度不小于Ⅷ度；震害指数DI=0.5等值线以外且DI=0.2等值线以内区域为轻微至中等破坏区，地震烈度为Ⅶ～Ⅷ度。从图2可以看出，汉源县老县城的地震烈度整体上可以评定为Ⅷ度，个别区域高于Ⅷ度，这一结果与汶川地震烈度图吻合良好。

2 汉源县城场地条件

汉源县城位于汉源向斜的核部，近场主要断裂中金坪断裂和九襄隐伏断裂规模较大，但现今活动性微弱，区域构造相对比较稳定，对汉源烈度异常影响不大。汉源县城区区域地层发育较全，古生代寒武系、奥陶系、二叠系，中生代三叠系、侏罗系，新生代第三系及第四系地层均有出露，受汉源震害影响的为侏罗系、新生代第三系及第四系地层。汉源县城大部分位于背后山古滑坡滑动留下的堆积体上，堆积体形成的较厚覆盖土层对地震动中长周期部分产生了良好的共振效应，导致长周期成分被很好的放大，导致汉源震害加重。在地形上汉源县城位于流沙河、大渡河一级阶地以上，现场调查和收集的钻孔资料表明该地区第四系沉积物主要为河流相的砾石、砂土和黏土类沉积物[13]。

为进一步研究汉源县城场地条件与震害异常的关系，在严重破坏区内布设了5个呈“十”字分布的控制性工程地质钻孔(图2)。从图2可以看出：ZK1、ZK2、ZK3钻孔连线平行于背后山滑坡前缘；ZK4、ZK2、ZK5钻孔连线垂直于背后山滑坡前缘；ZK4靠近背后山；ZK5靠近流沙河。图3为5个钻孔的土层分布及剪切波速测试结果，从图中地层可以看出，汉源县城下卧土层中上部分布有较厚的软塑粉质黏土层，并且在埋深30 m附近各钻孔波速差异较大，覆盖土层ZK1、ZK2、ZK3和ZK5较深，ZK4较浅。

图3 5个钻孔土层及剪切波速随深度分布Fig.3 Soil layers and hear wave velocity distributing along depth of 5 boreholes

图2 汉源县城震害指数等值线(据汶川地震科考队场地组结构震害小组)Fig.2 Earthquake disaster isoline map of Hanyuan county town (from structure group of Wenchuan earthquake disaster investigation term)

在钻探工作中获取了各钻孔不同层位、不同土类共30余组代表性土样，利用共振柱试验测试了这些土样的动力学参数。由于测试的很多土类相似，依据土性将其划分为粉质黏土(软塑、可塑、硬塑)、中砂、细砂、粉砂4类典型土。为了减少动力学参数的离散性，对相同土类的动力学参数进行了合并，同时杂填土、卵石和基岩动力学参数参考经验值给出，各类土8个剪应变下的动剪切模量比与动阻尼比参数如表1所示。

表1 各类土动剪切模量比和阻尼比Table 1 Soil dynamic shear modulus ratio and damping ratio

3 汉源县强震记录

强震记录是场地地震反应分析的必要的输入数据。汉源县城内没有强震观测台，但是汉源县境内典型地质地段有4个强震观测台，即乌斯河台、九襄台、清溪台和宜东台(图4)，这4个台站与汉源县城大概位于西北-东南走向的一条线上，这4个台站均坐落于坚硬场地之上，汉源县城大致位于乌斯河台与九襄台之间，其中九襄台距汉源县城22 km，乌斯河台距汉源县城48 km。选取九襄台和乌斯河台的汶川地震记录作为地震动输入。

图4 汉源县台站分布Fig.4 Distributing map of strong motion stations in Hanyuan county

九襄台站和乌斯河台站都成功记录到了汶川大地震的强震记录，如图5和图6所示。其中九襄强震记录共63 459记录点，时间步长0.005 s，其加速度峰值东西向(EW)为72.7 cm/s2、南北向(SN)为80.35 cm/s2；乌斯河强震记录共51 546记录点，时间步长0.005 s，其加速度峰值东西向(EW)为60.2 cm/s2、南北向(SN)为40.01 cm/s2。

图6 乌斯河强震记录加速度时程曲线Fig.6 Time history curves of strong motion record of Wusihe station

图5 九襄强震记录加速度时程曲线Fig.5 Time history curses of strong motion record of Jiuxiang station

4 汉源县城地震反应分析

4.1 土层地震反应分析方法

等效线性化波动方法是土层地震反应分析广泛使用的方法，分为线性方程的频域波动求解和土体非线性的等效线性化处理2个部分，其基本计算过程包括3个方面:

1)将输入的地震动时程由傅里叶变换分解为一系列谐波。

2)通过相邻土层界面位移和应力连续条件，确定相应波幅矢量间的递推关系。

3)对每一土层分别计算其中部的等效剪应变，通过土体动剪切模量和阻尼比随应变变化的曲线插值确定对应的等效剪切模量和阻尼比，计算出新的等效剪应变；新剪应变再插值出等效剪切模量和阻尼比。类似重复迭代计算，直至相邻2次的模量和阻尼比满足精度要求。

根据5个钻孔的土层剖面、土层剪切波速和土动力学参数等信息，建立等效线性化计算模型；以九襄台和乌斯河台的汶川地震记录为输入，利用等效线性化波动方法对5个钻孔进行土层地震反应分析，计算得到5个钻孔的加速度峰值和加速度反应谱。

4.2 峰值加速度及其放大倍数

定义峰值加速度放大倍数α为:

(1)

式中：Amax,s为地表反应加速度峰值;Amax,b为基岩输入加速度峰值。表2给出了汉源县城5个钻孔场地的地表峰值加速度计算结果，同时列出了输入基岩地震动峰值和放大倍数。从计算结果来看，5个钻孔的峰值加速度普遍较大，除乌斯河记录输入外，基本达到了Ⅶ度以上(≥90 Gal(1 Gal=0.01 m/s2))，半数超过了140 Gal，甚至达到了Ⅷ度(≥190 Gal)。5个钻孔的放大倍数普遍较大，九襄台和乌斯河台记录部分放大系数甚至超过5.0，这是较少见的，而以往研究中常见的是小振幅地震动输入下的场地放大倍数平均值仅仅约为3.0。

表2 5个场地加速度峰值及放大倍数Table 2 The acceleration peak values and their amplifying ratios of the five sites

此外，5个钻孔的地表加速度反应还有如下规律。

1)从地震台距汉源县城远近来看，距离汉源县城较近的九襄台记录的地表加速度反应普遍较大，距离汉源县城较远的乌斯河台记录的地表加速度反应普遍较小。其中，九襄台记录的地表加速度反应最大，最大达203.5 Gal，乌斯河台记录最小，为82.4 Gal。 2) 从记录方向来看，2个台站东西方向的记录对应的地表反应和放大倍数基本都大于南北方向的反应。

3)从钻孔位置来看，距离背后山滑坡前缘的较近的4个钻孔ZK1～ZK4的反应较大，其中位于DI=0.5中心范围中心位置的ZK3反应最大，距离流沙河岸边较近的ZK5的反应普遍较小。

4.3 加速度反应谱

经土层地震反应分析计算得到的汉源县城5个钻孔场地的地表加速度反应谱如图7所示，同时为了与设防标准对比，按汶川地震发生前执行的最近的《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)规定，汉源县抗震设防烈度Ⅶ度，第三地震动分组，即峰值加速度0.1g，汉源的几个钻孔均为Ⅲ类场地，其特征周期为0.65 s。据此在图7中添加了汶川地震发生前所执行的抗震设防标准(大震、中震)，即设计了反应谱曲线，称为规范谱。

图7 汶川地震中5个场地的地表水平向加速度反应谱计算值与规范值对比Fig.7 Comparison between calculated values and seismic code values of the acceleration response spectra of the 5 sites

从图7可以看出，汶川地震计算反应谱谱型较宽、谱值较高。其中ZK3的反应谱曲线最高，其峰值达近900 Gal；ZK5相对偏小，其峰值也达到了约600 Gal。

ZK1～ZK4谱形较为相似，反应谱的卓越周期集中出现在0.5～1.0 s；ZK5的谱形较为分散，反应谱卓越周期也基本集中在0.5～1.0 s。周期大于2.0 s部分反应谱基本低于50 Gal。

通过与汶川地震前汉源县执行的大震、中震抗震设计反应谱比较，结果显示：

1)5个场地的实际反应谱的峰值部分集中设计反应谱的平台段，靠近或超过特征周期。

2)在设计反应谱平台段，5个场地的计算反应谱都远超过了中震水平设防水平，甚至超过了大震的设防水平。除ZK5外，反应谱峰值部分超过大震设计反应谱平台值很多，ZK1达到60%；ZK2为50%；ZK3最高，达80%，ZK4为45%，ZK5的实际反应谱基本没超出大震设计反应谱平台值，但是也远高于中震设计反应谱平台值。

3)在上升段(0～0.1 s)，实际反应谱均低于大震设计反应谱。

4)下降段在(T>1.0 s)，计算反应谱也均低于大震和中震的设计反应谱。

由汉源县城的汶川地震震害科考可知，汉源县城毁坏房屋主要为多层的砌体结构、框架结构、木结构等，其自振周期在0.1～0.85 s。其中泥土房为0.1～0.3 s，建筑质量较好的2～6层砌体和框架房屋的自振周期为0.3～0.85 s。0.1～.85 s的周期范围内，恰好位于反应谱的平台段，而计算得到的汶川地震时的反应谱在平台段明显高于大震设防标准，其中ZK1～ZK3场地最为明显，ZK4场地次之，ZK5场地最不明显，这也与震害调查时的震害分布相吻合。