深度小于30 m正常停钻V_(S30)预测公式精度分析

我国钻孔测速中在正常停孔条件下产生大量深度小于30 m的钻孔数据。由于正常停钻,我国几乎没有此类场地下深度超30 m的钻孔实测数据,故无法以同类场地大于30 m数据直接回归V_(S30)公式。国外区域数据建立的V_(S30)预测公式有区域性,其在场地特征类似才适用;针对我国深度小于30 m正常停孔下V_(S30)预测线性外插公式LEE为具有潜在可行性公式。因此,为了从已有公式中得到可靠的V_(S30)预测公式,基于地质宏观类比,在停钻深度没有到30 m数据条件下发展了对已有公式的精度分析方法。通过对平均剪切波速竖向分布特点的分析,提出“精度分析区间”;并在缺乏停钻深度到30 m直接验证数据的前提下,提出两种分析公式预测精度的方法:方法一中校核对象是实测数据,具有一定直接检验的特点,但仅适用于具有反算能力的公式;方法二是基于所有公式都具有的——换算深度越靠近30 m则V_(S30)预测越准确的特点提出的,适用范围广。以滇中引水工程为案例,应用两种方法于该工程中深度小于30 m的正常停钻数据,为该工程选出精度最高公式LEE。

四川地区深度小于30m钻孔的_s(30)估计方法

本文收集了733个四川地区的实测钻孔数据,从中筛选出深度大于30m的268个钻孔剖面资料。分别获得了10m、15m、20m、25m和28m不同深度处的平均剪切波速_s(d)与_s(30)的对数线性相关关系。同时还与Boore(2004)的结果做了对比分析,比较了采用常数外推法和对数线性外推法得到的不同深度处剪切波速的残差分布。结果表明,不同深度处剪切波速_s(d)与_s(30)的对数相关关系可能具有一定的区域性特征,本文得到的对数关系更适合四川地区。对数线性外推法与常数外推法相比,前者的系统偏差更小;随着深度的增加,两种方法的外推误差均逐渐减小,但常数外推法普遍低估了_s(30)值;当深度较浅时,低估的情况更为明显。本文的研究结果为利用大量的不足30m的钻孔资料估计_s(30)值提供了参考。

山东地区等效剪切波速与30 m等效剪切波速转换研究

为实现等效剪切波速向30 m等效剪切波速的转换,根据覆盖层厚度的不同,分两种情况对山东地区等效剪切波速(V se)向30 m等效剪切波速(V S30)的转换进行了研究。当覆盖层厚度≥20 m时,通过最小二乘法拟合V se和V S30的对数线性关系,并与前人的研究结果进行对比。当覆盖层厚度<20 m时,采用基岩剪切波速拟合法:首先拟合基岩剪切波速与基岩深度的多项式关系式,然后推导V S30与等效剪切波速、覆盖层厚度、剪切波在基岩内的传播时间的关系式。对基岩剪切波速拟合法的V S30计算值进行验证,相对误差分布于区间[-2.89%,5.26%],相对误差绝对值小于3%的数据占比为87.5%。可见考虑覆盖层、基岩差异的基岩剪切波速拟合法是可行的。

基于BP神经网络的场地等效剪切波速变化预测研究

利用日本KiK-net台网提供的407个台站的30952条地震动记录,提出了一种基于BP神经网络的场地等效剪切波速比变化预测模型。模型采用了均方误差函数及Adam优化算法,由3个输入参数、5个隐藏神经元及1个输出参数组成。输入参数为地面峰值加速度PGA、Arias烈度I_(a)及场地剪切波速V_(S30),输出为场地等效剪切波速比(V_(S r))。研究结果表明:该神经网络模型残差对于各输入变量整体呈现出无偏的特性,在大部分的软硬场地中均有较好的预测性能,该模型预测得到的PGA关于V_(S30)的相关系数曲线与用传统的最小二乘法回归得到的函数曲线相比,其相关系数有更好的表现。该模型预测曲线显示,B类场地在PGA达到175 cm/s^(2)时,场地剪切波速下降5%,D、E类场地在PGA达到140 cm/s^(2)时,场地剪切波速下降5%,多数场地的非线性阈值为50~100 cm/s^(2)。PGA在该网络模型中占据着较高的权重,为场地等效剪切波速变化的最主要控制参数。该网络模型捕捉到场地等效剪切波速比随PGA的增大有下降的趋势,而较为松软的D、E类场地受PGA影响更大,下降幅度更大。

v_(sm)与v_(se)对建筑场地类别划分的影响

本文分析了平均剪切波速 (vsm)和等效剪切波速 (vse)之间的关系。以北京城区为例 ,对按《建筑抗震设计规范》 (GBJ 11- 89)计算的平均剪切波速和按新修订的《建筑抗震设计规范》 (GB5 0 0 11 2 0 0 1)计算的等效剪切波速进行分析 。

北京平原地区V_(S30)估算模型适用性研究

本文使用基于钻孔测井数据的3类模型,即常速度外推模型、速度梯度模型、双深度参数外推模型,通过对北京地区460个深度超过30m的钻孔剪切波速资料进行分析,详细探究了V_(S30)估算模型在本研究区的适用性。研究结果表明双深度参数外推模型在估算V_(S30)上准确度很高,其不需要大量的数据进行回归分析,且不具有区域独立性,可以为全球包括北京地区场地类别划分提供依据,进而在震害快速评估中用于确定场地影响,是一种值得推广的估算模型。

基于典型地质特征分析的大同盆地VS30预测研究

土体剪切波速是进行土层地震反应分析的动力学参数,对场地地震动参数确定具有重要意义。基于地质地貌分析,将大同盆地划分为5类典型地质单元。对盆地1429个钻孔剪切波速资料进行分析,探讨VS30与VS20的相关性,研究土体埋深、岩性、地质单元、标贯击数及密实度等地质特征对VS的影响,并基于地质单元、剪切波速比、密实度系数及第四系上部覆盖层厚度相关性分析给出土体VS30预测模型。研究结果表明,基于典型地质特征的VS30预测模型拟合优度R2>0.90,预测精度很高,对于离散性较大、直接拟合估算较差及无剪切波速场地来说,以区分地质单元及土体类型的方式进行VS30分解预测是良好的研究思路。首次在区分地质单元及土体类型的前提下提出剪切波速比及密实度系数,并将其与第四系上部覆盖层厚度综合应用于VS30预测研究。研究结果可为大同盆地城市防震减灾规划、震害预测、区域性地震安全评价提供重要技术支撑。

唐山地震高烈度区V_(s30)经验估计研究

以唐山地震高烈度区场地条件为背景,选取并整理其中701个实际钻孔的剪切波速测试资料,分别计算国际上较普遍采用的场地分类指标V_(se)和V_(s30),初步建立了适用于唐山地区V_(se)与V_(s30)的对应关系,利用Boore提出的速度梯度外推法,回归得到了唐山地区Vs30的经验模型与拟合参数,并与四个地区(北京、新疆乌鲁木齐、加利福尼亚、日本KiK-net)的经验公式进行了对比。结果表明,场地分类指标V_(se)和V_(s30)之间具有强相关性,不同地区数据回归得到的经验公式能够得到很好的预测结果,也能对场地类别相近地区的剪切波速模型预测提供参考。

雄安新区剪切波速剖面V_(S30)估算模型研究

本文基于雄安新区起步区区域性地震安全性评价工程435个钻孔剖面数据,选取其中300个钻孔剖面进行回归分析,利用剩余的135个钻孔剖面数据进行模型可靠性检验。研究结果表明,当钻孔剖面深度小于15 m时,Boore等模型明显低估了V_(S30);当深度小于10 m时,本研究中对数线性模型、对数二次模型、对数三次模型存在约3%的低估现象;对数三次模型相对误差、残差标准差均较小,因此,对数三次模型更适用于估算雄安新区缺乏钻孔资料或钻孔剖面深度未达30 m的V_(S30)。

雄安新区v_(S30)经验估计研究

选用国际最常见的v_(S30)经验估算模型(常速度外推模型、速度梯度外推模型、双深度参数模型),利用雄安新区435个剪切波速剖面达30 m的钻孔数据,计算估算值v_(SE30)和实测值v_(S30)的相关性、v_(SE30)的相对误差,验证经验估算模型的适用性。结果表明:双深度参数模型不需要对大量场地数据做回归分析,没有区域依赖性,准确度也有显著提高。该模型更适用于雄安新区工程建设中v_(S30)的确定。

单孔法波速测试在宿州市区建筑场地类别划分的应用及该区特征研究

建筑场地的不同类别反映不同场地条件对基岩地震震动的综合放大效应,建筑场地类别是根据土层等效剪切波速和覆盖层厚度进行划分的。这里介绍了单孔法波速测试在计算土层等效剪切波速度,划分建筑场地类别上的应用,以及通过对宿州市区40个建筑场地的201个土层等效剪切波速数据Vse20和场地类别划分结果进行统计分析、研究,得出该区域类似地层条件的土层等效剪切波速近似呈正态分布特征,估算范围在195.89m/s~222.46 m/s,推测建筑场地类别为Ⅲ类。

场地特征周期插值方法探讨与应用

场地特征周期是一项重要的地震动参数,对抗震设计的影响较大。研究了参考文献中的各类插值计算方法,并基于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的连续化插入方案及附图,给出了各地震分组条件下的特征周期等值线图以及覆盖层厚度和剪切波速分界线±15%范围内所对应的特征周期数值速查表格,简化了插值过程。同时补充了剪切波速超过700m/s的特征周期插值数值,根据规范附图校准了连续化插入方案及等值线图,讨论了特征周期值不合理的反向跳跃现象和处理方法。

场地设计特征周期的插值方法

针对国家标准《建筑与市政工程抗震通用规范》(GB 55002-2021)有关覆盖层厚度、等效剪切波速位于场地分界线附近时设计特征周期应插值确定的强制性要求,依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第4.1.6条条文说明及相关研究成果,给出了不同设计地震分组特征周期按0.01s间隔进行插值的具体方法,并绘制了相应插值图表,可供勘察设计单位参考使用。

工程场地分类中等效剪切波速计算深度问题的讨论

根据中国华北、华东、华南、东北和西北等地918个实测钻孔资料的计算统计,探讨了工程场地分类中等效剪切波速计算深度取值20m和30m的实际差别,并对中国、美国、欧洲现有规范利用等效剪切波速进行场地类别划分的方法特点和具体指标进行了对比讨论。结果表明:1)计算深度由20m增加至30m时,钻孔等效剪切波速值的增大范围约为15～50m/s,平均增加值为25m/s;2)与欧美规范相比,中国现行规范(GB50011-2001)在划分场地类别时要求同时考虑20m计算深度的等效剪切波速值和覆盖层厚度,而在许多实际工程中,因较准确的覆盖层厚度不易获取而难以具体进行场地分类。因此,有必要借鉴欧美规范,通过增大等效剪切波速的计算深度至30m来强化该指标在场地类别判定中的作用。

动剪切模量比与剪切波速对地震动影响及等量关系研究

采用数值模拟方法,研究动剪切模量比和剪切波速对地震动的影响问题,并以对地表加速度反应谱影响为标准研究动剪切模量比变化与剪切波速变化间的对等关系,同时建立了等价关系式,分析中考虑了场地类别、场地遭遇地震强度和地震输入波型的影响。结果表明:①动剪切模量比误差和剪切波速误差对地震动都有着重要影响,在土体强非线性和软弱场地中影响更为强烈,实测的动剪切模量比和剪切波速比真实值低时较比真实值高时对地表反应谱影响更大,三类场地0.1g地震输入时动剪切模量比6%误差或剪切波速25%误差的影响已经不可忽视;②对不同的场地类别、场地地震烈度和地震输入波情况,动剪切模量比单独变化与剪切波速单独变化对反应谱的影响都具有对等关系;③动剪切模量比误差对地震动的影响程度要大于剪切波速误差,二者对地表反应谱的敏感性相差3～5倍,绝对误差相同时动剪切模量比降低情况下与剪切波速的敏感程度相差更大。

土层剪切波速与埋深关系统计分析和应用

一般认为土层剪切波速与埋深关系的回归公式主要用于对当地土层剪切波速值的初步估计。为了提高钻孔波速测试数据的应用价值,基于土层剪切波速与埋深关系的主要数学模型及其拟合参数,推导了场地覆盖层厚度计算公式、等效剪切波速计算公式和时深转换中反射波组埋深计算公式。以河南省长垣县场地为例,采用上述新公式计算获得的场地覆盖层厚度值、等效剪切波速值可满足工程需要。并提出应用这些新公式的步骤为:1)依据场地相关资料划分地震工程地质单元;2)对同一个地震工程地质单元内的钻孔波速测试数据进行统计分析,综合判别和选择土层波速与埋深统计关系的数学模型及其拟合参数;3)将选择的数学模型的拟合参数分别代入上述的新公式,即可分别获得场地覆盖层厚度、等效剪切波速或地层反射波组埋深。

苏州城区场地等效剪切波速计算深度取值探讨

鉴于场地等效剪切波速的计算深度是否需要由地表以下20 m增至30 m的争论尚未有定论,依据苏州城区场地143组实测剪切波速资料的统计分析,对GB50011-2010《建筑抗震设计规范》场地类别分类标准与欧美抗震设计规范场地分类标准进行了对比,比较了苏州城区场地等效剪切波速计算深度取为20 m和30 m的差异性,结果表明:苏州城区场地剪切波速在地表以下20～60m范围的变异性较大,采用分段函数描述剪切波速随土层深度的变化关系是合适的;III类场地等效剪切波速大小的分布偏向III类场地类别的下界限值,当计算深度由20 m增至30 m时,场地等效剪切波速的均值增大16%,如果直接沿用欧美规范的场地分类界限值,将会整体提高苏州城区场地类别的划分标准,苏州城区III类和Ⅳ类场地的等效剪切波速分界值取为170 m/s是适宜的。

抗震规范等效剪切波速简化算法适用性研究

我国现行抗震设计规范中推荐采用走时等效原则来计算土层场地的等效剪切波速,并以此作为场地类别划分的主要依据之一,但是该简化算法无法反映土层结构和软弱夹层对场地动力效应的影响。本文以等效过程不改变场地卓越周期为原则,提出场地整体动力效应等效剪切波速的概念及计算流程。从成层介质中波动传播的基本理论出发,通过传递函数给出场地频响曲线进而确定其卓越周期,在此基础上得到等效剪切波速标准值。给出了120个构造场地和394个实际场地上按规范法计算所得等效剪切波速偏差分布,结果表明在含有极端软夹层的场地上使用规范推荐方法会使计算结果显著偏大,最大偏差可达60%,而在正常的渐硬型场地上结果极有可能偏小,最大偏差可达-40%,平均偏差-20%,且随土层间阻抗比的增大偏差有增大的趋势。这说明规范方法具有一定程度的局限性,研发能够考虑场地土层结构的等效剪切波速简化计算方法是十分有必要的。

两种表层土剪切波速等效方法对比研究

等效剪切波速是确定场地类别进而得到地表设计地震动参数的重要依据之一,不同等效方法的可靠性对比研究对工程建设的地震安全意义非常。调整典型人造场地、274个实际工程场地计算深度内的剪切波速排列顺序,讨论走时等效剪切波速(vse)以及周期等效剪切波速(vs T)二者对不同土层结构场地的灵敏性;对比采用vse、vs T两种指标对收集整理的200多个场地的场地分类结果,讨论vse、vs T两者在场地分类方面的一致性;放缩各场地模型各土层剪切波速,直至vse达到分类临界值,计算各场地的vs T。结果表明,计算深度内土层结构改变,vs T随之改变,而vse固定不变,即vs T相对于vse更能灵敏的反映土层结构对地表地震动参数的影响;利用vse、vs T两个指标对实际工程场地的分类结果具有高度的一致性,vs T作为场地类别的划分指标具有一定的合理性和有效性;vs T的计算结果比vse偏大,当vse达到临界值时,vs T很好的呈现为正态分布,以此得到二者统计意义的转化值。

场地分类的新指标——土层等效周期

提出以土层等效周期替换土层等效剪切波速进行场地分类的思想,以克服土层等效剪切波速指标的局限性。以我国双参数场地分类法为例,讨论土层等效剪切波速在实际工程应用中造成的不合理场地分类现象,论证场地基本周期区分场地动力特性的合理性,在场地基本周期概念的基础上延拓提出土层等效周期的概念,通过调整60个实际工程场地的土层结构,研究了土层等效周期和特征周期的关联性。结果表明:随计算深度内土层结构的改变,各场地的土层等效周期均变大,特征周期亦随之增大,其中,Ⅰ类场地二者变化不明显,Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地的二者增大明显,即土层等效周期与特征周期呈现有较强的关联性;而土层等效剪切波速及场地类别并不随计算深度内土层结构改变而改变。土层等效周期比土层等效剪切波速更适合作为场地分类指标。