浅层剪切波速预测及其在场地周期中的应用研究

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剪切波速是土体重要的动力学参数之一。研究表明,浅层剪切波速对局部场地的地震动放大效应有显著影响。当前我国抗震设计规范常用20米内的等效剪切波速Vs20评估工程地质条件、场地周期以及场地分类,低于美国、日本和欧洲等发达国家Vs30的规范标准,以此得到的场地周期等结果将会产生较大的偏差,从而对工程抗震设计安全带来潜在风险。鉴于此,通过收集整理大量的实际钻孔剪切波速资料,利用数理回归手段建立浅层剪切波速与Vs30之间的内在关系;开展场地剪切波速预测建立深度预测模型,分析该剪切波速预测模型对地震动的影响,评价其在实际场地周期估算中的可行性和合理性;结合KiK-net强震动观测数据和台站场地资料,分别采用傅里叶谱分析法、HVSR法、地表地下谱比法和经验公式法计算场地周期值,探讨并分析各种方法所得结果之间的差异。研究成果进一步阐明了浅层剪切波速在场地周期评估等方面有重要应用价值,有助于深化场地浅层剪切波速预测结果的认识,将Vs20向国际标准Vs30过渡和转变,并可实现推动现行抗震设计规范中场地分类指标的修订,具有一定的工程应用意义和科学价值。本文主要工作内容和研究成果如下:(1)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,采用6种模型(常速度模型、线性模型、二阶线性模型、双参数线性模型、独立条件模型、双深度模型)初步建立了唐山地区各深度等效剪切波速与Vs30的关系,确定双参数线性模型为唐山地区最适宜的预测模型。对比四个地区(北京、乌鲁木齐、加利福尼亚、日本)的预测公式,发现某些地区获取的经验公式不仅能在本地获得很好的预测结果,在唐山地区使用也能得到相对可靠的预测结果。(2)整理唐山地区各土类的剪切波速与埋深数据共计3925条,对于存在着明显关系的土类(粉质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂、卵石、圆砾)分别采用线性函数、幂函数以及二阶线性函数建立了其剪切波速与埋深之间的关系公式,确定最合适的函数形式,给出相应函数参数。利用函数曲线对比分析法,计算预测值误差法以及地震反应分析,将本文模型与《构筑物抗震规范》、刘红帅等人、《工程地质手册(第五版)》的模型作比较,证明本文给出的唐山地区常见土类剪切波速与埋深关系公式能够比较准确地预测出唐山地区场地土层剪切波速。(3)选取13个日本KiK-net台站,利用收集到的强震记录获取了台站所在场地的卓越周期,再利用子层周期求和法和单自由度法计算了对应的场地基本周期,通过对结果分析发现,HVSR法、地表地下谱比法均能较好地确定场地卓越周期;在Ⅰ类和Ⅱ类场地卓越周期与基本周期相近,而在Ⅲ类和Ⅳ类场地两者的差距较大。
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