喀什乌恰地区场地卓越周期T0和VS20相关性研究①

何金刚， 李文倩， 魏 斌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震动特性由震源、传播路径、场地特征3方面共同体现，其中场地特征对地震动具有显著影响[1]，同时也是确定抗震设计地震动参数时需要考虑的重要因素[2]，因此场地特征研究不仅具有重要理论意义，也具有工程实用价值。

剪切波速是场地特征重要参数之一，在场地类别分类、场地卓越周期计算、地震安全性评价、地震地质灾害评价等方面有着重要应用[3-6]。实际工程中，剪切波速往往通过钻孔测试获得，需耗费大量的人力、财力和时间，另一方面对于强震动流动台站观测记录来说，往往缺乏观测点场地信息，因此剪切波速相关性研究得到关注。李帅、闫振军、乔峰、王琦等人通过区域覆盖层剪切波速与埋深的相关性分析，得到剪切波速随深度变化的经验性关系式[7-10]。张帝采用地表微动信息反演土层波速结构的方法，开展钻孔脉动和土层剪切波速的关系研究[11]。胡进军以中国四川、甘肃地区强震台站的场地资料和数据为基础，通过分析场地卓越周期T0与场地VS30关系，建立两者经验性关系[12]。

喀什乌恰地区是新疆地震重点监视区之一，同时喀什作为南疆经济较为发达、人口密度相对集中的地区之一，做好地震灾害预防具有重要意义。在一些西方国家一般采用30 m等效剪切波速，即VS30，作为场地特征参数之一，而在中国抗震设计规范中则普遍使用VS20作为基本参数，为适应于中国抗震设防等相关工作研究，本文中基于场地钻孔剪切波速数据，通过回归拟合得到VS20与VS10的关系式，从而补充缺乏VS20钻孔点的VS20理论值，开展喀什乌恰地区VS20与场地卓越周期T0相关性研究，为区域场地反应研究、地震灾害预防提供基础资料。

1 基础数据

喀什乌恰区位于帕米尔弧的北端，活动断裂密集，地震活跃性高，是新疆地区地震多发地区之一。为加强该地区的强震动观测，“十五”项目建设44个土层强震动观测台站(图1)，这些强震动观测台站位于山前构造到盆地腹地过渡带，覆盖层厚度7 m至大于100 m不等。图2是该地区强震台站剪切波速剖面图，可以看出随着钻孔深度变大，剪切波速有变大趋势。覆盖层厚度小于20 m 的部分台站，其同一深度的剪切波速大于其他台站，反映出场地越坚硬，其等效剪切波速越大，同时等效剪切波速作为场地特征的参数之一，区域性差异较大，尤其是山前地区。

图1 喀什乌恰地区强震台分布图Fig.1 Strong motion stations distribution in Kashi Wuqia area

图2 强震台站剪切波速剖面图Fig.2 Shear wave velocity profile of strong motion stations

2 场地卓越周期

场地卓越周期T0是反映场地动力特征的重要参数，可以通过场地钻孔剪切波速数据直接计算，或通过强震动记录、地脉动记录进行谱分析计算获得[13-15]。由于各台站剪切波速资料已知，本文中采用前者方法，根据式(1)进行计算[16],

(1)

式中，T0是根据剪切波速计算的场地卓越周期，hi为各分层土土层厚度，VSi为各分层土土层剪切波速，n为土层层数。表1是喀什乌恰地区44个土层观测台站场地卓越周期T0计算结果。该地区场地类型以Ⅱ类和Ⅲ类场地为主，Ⅱ类地区场地卓越周期均值为0.23 s，Ⅲ类地区场地卓越周期均值为0.56 s。总的来说，随着覆盖层厚度增大，场地卓越周期向长周期移动。

表1 强震台站场地卓越周期

3 20 m等效剪切波速计算

许多地震学者研究发现VSZ之间有很好的相关性[17-19]，本文中选取的强震台站钻孔深度虽然均大于10 m，但是部分台站缺少VS20数据，为获取更多的VS20用于后期T0的拟合研究，采用统计回归的方法，根据对数线性模型(式2)[17]，拟合VS10和VS20关系式(式3)，

lgVS20=a+blgVS10.

(2)

lgVS20=0.3944a+0.8616lgVS10.

(3)

图3是VS10和VS20等效剪切波速拟合关系图，拟合直线可以从数据点中穿过，为进一步检验拟合结果对观测值的拟合度，计算了决定系数R2，为0.891 9，接近于1，拟合程度较高。根据统计回归得到VS10和VS20关系式(式3)，计算得到钻孔深度小于20 m场点的VS20值，从而补充部分场点VS20理论值，开展T0和VS20相关性研究工作。

图3 10 m、20 m等效剪切波速拟合关系图Fig.3 10 m, 20 m equivalent shear wave velocity fitting graph

4 VS20与T0相关性研究

胡进军采用蒙特卡洛模拟技术模拟了大量符合真实剪切波速剖面特征的场地，通过分析模拟剖面场地周期T0对VS30的影响规律得到了表示两者关系最优拟合度的幂函数模型形式[12]，由于VSZ有较好的相关性，采用胡进军研究成果中T0和VS30相关性模型作为T0和VS20相关性模型进行研究(式4)，式4中a和b为拟合系数。

ln(VS20)=a+bln(T0).

(4)

通过VS10和VS20拟合关系式，计算补充12个强震台站VS20理论值，汇同已有的其他强震台站VS20实测值，采用式4，拟合得到VS20与T0关系式(式5)，图4是VS20和T0拟合曲线，决定系数为0.861 3。由图4可以看出，VS20随着T0的增大而减小，当T0较小时，随着T0的增大VS20急剧减小，当T0较大时，VS20随着T0减小幅度变缓。除此之外，T0<0.6 s，拟合结果和实测值大部分吻合度较高，T0>1.0 s，虽然仅有2个实测值，但均大于拟合结果。究其原因，可能是因为场地覆盖层厚度较小时，场地卓越周期较小，此时T0主要受剪切波速影响，两者相关性较好，当场地覆盖层厚度较大时，场地卓越周期较大，此时T0受剪切波速影响有所减弱。

图4 T0和VS20拟合曲线Fig.4 Fitting curve of T0 and VS20

ln(VS20)=5.1497-0.4026ln(T0) .

(5)

5 结论

(1) 利用研究区强震台站钻孔剪切波速数据计算得到各场点场地卓越周期。研究区场地类型以Ⅱ类和Ⅲ类场地为主，经分析计算Ⅱ类地区场地卓越周期均值为0.23 s，Ⅲ类地区场地卓越周期均值为0.56 s。

(2) 利用研究区钻孔深度大于20 m的场点钻孔剪切波速数据，统计回归了VS10和VS20关系式，即lgVS20=0.3944+0.8616lgVS10，决定系数R2为0.891 9，接近于1，拟合值与实测值相关性较好。

(3) 利用VS10和VS20的关系式，补充了12个钻孔剪切波速深度不足20 m强震台站VS20理论值，根据前人分析计算研究得到的T0和VS20经验模型，回归拟合得到两者关系式，ln(VS20)=5.1497-0.4026ln(T0)，决定系数为0.861 3，拟合值与实测值相关性较好。

(4) 当场地覆盖层厚度较小时，场地卓越周期较小，T0和VS20相关性较好，此时T0主要受剪切波速影响；当场地覆盖层厚度较大时，T0和VS20相关性较弱，场地卓越周期较大，此时T0受剪切波速影响有所减弱。