日本浅壳与上地幔地震水平与竖向加速度反应谱比的研究

我国现行的抗震规范中将竖向加速度峰值设定为水平加速度峰值的0.65,这种处理方式有时低估了竖向地震动的作用,而有时又存在冗余度。本文选用5258条日本俯冲带浅壳与上地幔地震记录,综合考虑谱周期和场地条件的影响,研究建立水平与竖向加速度反应谱比模型,用于针对未知地震震源和路径信息的实际工程设计。研究表明:1)地震类型和场地类别对加速度反应谱比的影响都是显著的,因此在建立反应谱比模型时,需要考虑地震类型和场地类别的影响。2)本文模型场地项系数在接近每个场地类别的平均场地周期的对应谱周期上存在峰值,这与一维场地模型的场地放大理论一致。3)本文模型与BOMMER(2011)模型整体趋势相似,而BOMMER(2011)模型的R_(HV)在岩石、硬土和软土场地之间变化不大,该差异主要源自场地分类式不同,BOMMER(2011)基于V_(S 30)对场地分类,而V_(S 30)仅代表浅地表土层的刚度,难以全面反映场地基本特征。4)本文建立的R_(HV)模型应用于实际的工程设计,而非专门针对某一指定地震,所以没有涵盖震源以及路径的相关信息。但模型残差分析结果表明:当具有明确地震信息时,加入震级、震源深度和断层距离的参数来能够进一步优化R_(HV)模型。

场地土层速度结构的背景噪声反演方法及其应用

散射场理论能全面地考虑背景噪声中各类型波场的共同作用,基于散射场理论的噪声水平和竖向谱比(NHV)将地表观测与地下介质固有的特征相联系,可用于地下土层速度结构的反演.目前快速有效的全局NHV反演方法亟待发展.本文将遗传模拟退火混合反演算法与基于散射场理论的NHV正演方法相结合,提出了一种基于背景噪声波场NHV反演场地土层速度结构的全局反演方法.对模型参数的敏感性分析表明土层的纵波波速VP、横波波速VS、厚度h以及基岩层的VS参数是影响NHV的主要因素,土层和基岩的密度ρ对NHV的影响可以忽略.通过理论算例与唐山响嘡竖向台阵观测数据的检验以及与已有同类方法的比较,表明本文发展的场地土层速度结构的背景噪声反演方法能获得很好的反演效果,能为获取场地土层的模型参数提供一种低成本且快速有效的途径.

基于HVSR和VRSR法的场地地震响应分析

基于2018年松原5.7级地震的强震动记录,结合在强震台站获取的地脉动数据,采用水平与竖向谱比(horizontal-to-vertical spectral ratio,HVSR)法和速度反应谱谱比(velocity response spectral ratio,VRSR)法,探究了强震台站场地的地震响应特征。结果表明:(1)地脉动水平与竖向谱比(horizontal-to-vertical spectral ratio of microtremors,MHVR)法、强震动水平与竖向谱比(horizontal-to-vertical spectral ratio of earthquake motions,EHVR)法以及VRSR都能较好地表征出场地地震响应峰值频段,达里巴、东三家子、风华以及宝甸等4个强震台站场地的(一阶)峰值频率范围分别为0.90~1.48 Hz,0.51~0.89 Hz,0.47~0.98 Hz,0.66~1.10 Hz;(2)同一场地条件下,MHVR,EHVR以及VRSR得出的场地放大系数差别较大,MHVR的放大系数最小,VRSR的放大系数整体较EHVR大,达里巴、东三家子、风华以及宝甸等4个强震台站场地与(一阶)峰值频率对应的放大系数范围分别为2.63~8.60,3.21~8.19,3.56~8.41以及4.14~7.96;(3)与MHVR相比,EHVR和VRSR都能较好地体现出地震动高频特征,且具有大致相同的变化趋势;(4)与EHVR相比,VRSR给出的低频信息更为丰富,但较为频繁的波动变化对峰值频率的快速识别具有一定程度的影响。该研究可为依托强震记录和地脉动数据开展场地地震响应分析提供参考,具有一定的工程应用价值。

HVSR方法用于地震作用下场地效应分析的适用性研究

以美国Garner Valley Downhole Array(GVDA)竖向观测台阵的强震观测记录为基础,利用水平与竖向谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,HVSR)方法与传统谱比方法研究了多次地震作用下竖向台阵场地的波动传播规律,探讨了该场地HVSR曲线与传递函数(Transfer Function,TF)曲线的差异,综合利用频域求解一维层状场地P、SV波入射情况下场地响应的土层地震反应分析方法和合成理论地震图的波数积分法解释了二者差异可能的原因,在此基础上研究了HVSR方法应用于地震作用下场地效应分析的适用性.研究结论表明:竖向地震动场地效应是HVSR与传递函数产生差异的主要原因,竖向地震动场地效应主要是由竖向地震动中的P波成分引起的.在场地竖向放大可以忽略的频段范围内,HVSR可以作为传递函数研究地震作用下的场地效应.

基于单台加速度记录的混合全局优化HVSR反演场地浅层速度结构

利用水平与竖向谱比(HVSR)方法反演场地速度结构是国际上迅速发展的研究领域.HVSR反演计算实质是一个土层场地模型空间搜索的全局优化问题,当模型搜索空间的复杂程度增大时,目前常用的搜索算法收敛速度慢,计算效率较低.本文实现了一种结合遗传和模拟退火方法优点的混合全局优化HVSR反演算法,通过理论模型和竖向台阵实测数据的检验,表明该算法能获得很好的反演效果,较好地解决了蒙特卡罗方法收敛速度慢,遗传算法收敛早熟和模拟退火算法搜索效率低的问题.本文在此基础上讨论了单台加速度S波记录用于场地速度结构HVSR反演的适用性,为基于单个地震台的地震观测记录反演浅层速度结构提供了一种高效且较为准确的反演方法.

场地土层模型参数的地震动记录反演方法

考虑场地土层不同物理参数的综合反演,改进了水平与竖向谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,简称HVSR)混合全局优化反演方法,进一步通过土层的S、P波波速、厚度、泊松比、密度和S、P波品质因子等土层参数反演的敏感性分析,形成了可同时反演场地土层厚度及剪切波速的混合全局优化反演方法.以美国GVDA和日本IWTH27竖向强震动观测台阵为例,分别以理论HVSR及加速度观测记录获得的HVSR曲线为目标,反演获得了场地浅层速度结构,并与观测台阵场地钻孔揭示的土层模型进行比较,验证了发展的反演方法的合理性和适用性.本文研究表明,基于地震加速度记录的HVSR全局优化反演方法是获取场地土层速度结构的一种有效的途径.

基于环境噪声测试表征斜坡地震动响应:以自贡西山斜坡为例

以四川省自贡市西山公园斜坡上8处强震台站场地为研究对象,通过2次环境噪声测试并采用水平/竖直向谱比法(HVSR)和标准谱比法(SSR)分析该斜坡场地效应,并与汶川地震监测数据对比,探究采用环境噪声在表征斜坡地震动响应特征上的异同。研究结果表明,环境噪声HVSR平均谱比曲线分析较好揭示了斜坡台站场地放大效应的峰值频率,且和SSR分析结果共同揭示了该斜坡顶5#~7#台站场地放大效应较明显;而1#~4#台站场地放大效应并未随海拔高度增加产生明显变化,且2种谱比分析对比显示其放大峰值频率范围相近,放大系数差异不明显。对比环境噪声和地震监测数据显示,两者HVSR平均谱比曲线在场地响应卓越频率上的拟合度较高,但在方向效应上的拟合度不具代表性,且地震数据平均谱比放大系数大于环境噪声。采用环境噪声表征斜坡的地震动放大效应,其峰值频率耦合性较好,而场地放大系数仍需参考地震监测数据或数值模拟分析。

确定场地土层速度结构的改进半波长法

地球物理反演浅地表土层波速剖面通常基于初始速度结构模型,为避免对地勘资料产生较多依赖,充分利用地震和背景噪声等被动源观测记录,快速简便地构建出土层反演的初始模型,本文基于场地土层的频散曲线和水平与竖向谱比提出了一种改进半波长法。该方法首先通过水平与竖向谱比确定场地土层的卓越频率,获取场地覆盖层厚度,确定反演所需的频带范围;其次,利用瑞雷波相速度对剪切波速的偏导数随土层深度的变化规律反演出场地的初始速度结构,并结合工程场地勘探中的半波长法,对常见的三类典型土层模型和日本Kushiro场地实测模型进行了实例分析;最后,将反演得到的速度结构与理论或实测速度结构进行误差对比分析。结果表明:改进半波长法获得的初始速度结构相对于理论或实测速度结构的最大误差不超过35%,可为利用地球物理方法反演工程场地波速剖面构造一个较小的搜索模型空间,进而提高反演计算的速度和结果的可靠性。

基于HVSR的DONET1海底地震动场地效应研究

为基于谱比方法研究海底地震动场地效应,选取日本DONET1台网的20个海底台站2014-2021年记录的1634组地震数据,对其进行筛选和处理后,利用水平与竖向谱比(HVSR)方法考虑不同布设对海底5组节点台站(KMA、KMB、KMC、KMD、KME)谱比特征的影响。研究结果表明:KMA与KME节点台站具有相似的场地特征,KMB与KMD节点台站分散布置在2种场地,KMC节点台站场地与其他节点均不相似,这与长期地质调查结果相似;海底台站谱比曲线呈多峰值现象,其中KMB、KMC、KMD分组台站利用HVSR方法识别的主频变异性较高,KMA、KME分组台站主频较稳定;相同地形条件下,布设方式相同的海底台站谱比曲线随频率分布相似,海底复杂场地条件下,采用装沙沉底方式布置的台站识别场地条件时出现偏差;海底复杂因素对掩埋沉箱方式布设的台站谱比曲线的影响主要集中在频率<5 Hz的低频处;海底复杂因素对未埋入海底台站谱比曲线的影响主要集中在频率为5-10 Hz的高频处。研究结果可为海底地震动场地效应研究提供参考。

用微动台阵记录联合反演场地浅层速度结构--以唐山响嘡台3#场地为例

目前,利用台阵观测记录反演浅地表土层波速剖面的研究一般单独进行面波频散曲线(Dispersion Curve,简称DC)或微动水平与竖向谱比(Microtremor Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,简称MHVSR)反演,但其反演的速度结构往往存在明显的多解性。鉴于此,文中发展了DC与MHVSR联合反演方法,提出了一种新的反演策略。区别于已有的反演方法,文中方法首先利用微动台阵记录获得面波频散曲线,进而采用改进的半波长法获得场地初始速度结构,最后通过DC和MHVSR的联合反演得到场地最佳速度结构。该反演方法的优势体现在2个方面:1)在面波频散曲线提取环节,综合应用修正空间自相关(MSPAC)法和频率-波数(F-K)法,拓宽了采用单一方法提取频散曲线的频率范围;2)在初始速度结构确定环节采用了改进半波长法,可较好解决当前其他反演方法依赖一定先验信息的难题。文中分别以一理论算例及台阵观测算例验证了新反演策略的有效性及稳定性。结果表明,单独的DC反演模型的理论MHVSR在峰值频率之后(特别在高频段)与理论算例模型的MHVSR有差异,单独的MHVSR反演所得模型的DC在较低频段内与理论算例模型的DC有差异,而二者联合反演可弥补DC反演模型的MHVSR高频差异和MHVSR反演模型的DC低频差异,极大地降低了反演模型的多解性。相比已有的浅层速度结构反演方法,文中提出的基于微动台阵记录的联合反演方法更具有实用价值。

基于强震观测的海域和陆域场地效应的对比研究

目前由于海域强震观测记录较少,对海域场地效应及同一地震作用下海、陆域场地放大特征的差异认识不足。利用美国海底地震观测系统获得的海域台站及其相邻陆域台站的强震观测记录开展了地震波形对比研究,并采用水平与竖向谱比(HVSR)方法分析了海、陆域场地效应的差异。研究表明,在相同地震作用下海域场地竖向地震动普遍小于陆域场地,海域台站观测到的面波成分比陆域台站更丰富。海域场地的观测HVSR在较宽频段大于邻近陆域场地,利用一维场地波速积分法的数值模拟能较好解释这一现象。