Ground Motion Characteristics of Horizontal Layered Site Based on SH Wave Oblique Incidence
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摘要: 基于位移场理论和传递矩阵法，建立SH波斜入射下水平成层场地非线性地震反应等效线性化求解方法，研究SH波不同角度入射下场地地表峰值加速度放大系数及反应谱谱比变化规律。研究结果表明，地震波入射角度对场地地表峰值加速度影响明显，在大多数情况下，地震波斜入射下地表峰值加速度大于垂直入射；地震波斜入射下反应谱特性变化明显，入射角度对高频段反应谱的放大效应显著，且入射角度对不同类型场地的影响周期范围不同，入射角度对Ⅲ类场地周期影响范围明显宽于Ⅱ类场地。Abstract: Based on the displacement field theory and transfer matrix method, this paper deduces the equivalent linearization method of layered site under oblique incidence of SH waves, and studies the variation law of peak acceleration magnification and response spectrum ratio of horizontal layered site under different angles of SH waves. The results show that the incident angle of seismic waves has obvious influence on the peak acceleration of the ground surface of layered sites. In many cases, the peak acceleration of the ground surface under oblique incidence of seismic waves is greater than that under vertical incidence. The response spectrum characteristics change obviously under oblique incidence of seismic waves, and the amplification effect of incident angle on high frequency response spectrum values is very significant. On the spectrum shape surface, the influence range of the period of different site types is different, and the influence range of incident angle on the period of type III site is obviously wider than that of type II site.
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Key words:
- SH wave /
- Oblique incidence /
- The spectral ratio /
- Amplification effect
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引言
2017年4月12日2时25分，浙江省杭州市临安市（现为杭州市临安区，考虑地震发生时行政区划名称为临安市，本文沿用临安市名称）发生4.2级地震，震中（30.08°N，119.34°E）位于临安市河桥镇与潜川镇交界附近的九龙坑，震源深度16.2km。震中附近的潜川镇、河桥镇震感强烈，於潜镇、太阳镇、湍口镇等地也有较明显的震感。地震发生后，浙江省地震局启动了Ⅲ级响应，组织工作队赶赴地震现场，在对震区地质构造概况、震源机制解、实际震情等情况进行分析的基础上，开展了烈度调查，获取了震区震害分布基本资料，并绘制了地震烈度分布图。
1. 震区地形地貌及地质构造概况
震区在地貌上属于浙西低山丘陵区，地势自西北、西南向东部倾斜。震区在大地构造上属于扬子准地台的钱塘台褶带，新构造运动主要表现为大面积的间歇性升降运动，以整体抬升为主，震区发育第四系早期的坡洪积物、侏罗系凝灰岩、志留系、奥陶系粉砂岩、泥岩及燕山期花岗岩等地层。震中附近发育区域性北东走向的马金-乌镇断裂带（图 1）。马金-乌镇断裂带是浙江省内1条重要的区域性断层（浙江省地质矿产局，1989），控制前新生代地层分区，总体走向约40°，倾向南东，倾角约80°，震区一带断层带宽12km、由多条分支组成，在东山畈采石场观察点见其中一主要分支断层的出露剖面（图 2），剖面上断层切割寒武纪厚层灰色灰岩，剖面中见3个断面（f1、f2、f3），性质皆逆断。其中，f1为单一断面，f2与f3则构成宽约2m的黄褐色粗碎裂岩；f2、f3延伸到冲沟对面，断面及黄褐色粗碎裂岩仍出露清楚（图 3），且沿2个断面还形成1—2cm的灰绿色断层泥，断层泥ESR样品测试结果为（151±30）ka BP，表明断层中更新世有过活动迹象。
图 2 东山畈附近调查照片及清绘剖面1Figure 2. Fault profile #1 near Dongshanfan1：厚层灰色灰岩；2：逆断层及黄褐色粗碎裂岩
图 3 东山畈附近断层照片及清绘剖面2Figure 3. Fault profile #2 near Dongshanfan1：厚层灰色灰岩；2：逆断层及黄褐色粗碎裂岩；3：逆断层及灰绿色断层泥；4：ESR样点2. 震源机制
采用CAP方法（Zhao等，1994；Zhu等，1996；Wang，2011），计算获得了此次地震的震源机制解。其中，节面Ⅰ走向为298°，倾向87°，滑动角-12°；节面Ⅱ走向为29°，倾向78°、滑动角为-177°；主压应力轴（P轴）方位角平均为253°；主张应力轴（T轴）方位角平均为344°。震源机制解具体数值见表 1，拟合波形如图 4所示，图中红色曲线为理论地震波形，黑色曲线为观测地震波形。
表 1 临安4.2级地震震源机制解参数Table 1. The parameters of focal mechanism solution of Lin'an M 4.2 earthquake最佳双力偶解 节面Ⅰ/° 节面Ⅱ/° 走向 倾向 滑动角 走向 倾向 滑动角 298 87 -12 29 78 -177 应力轴 T轴/° B轴/° P轴/° 方位角 倾角 方位角 倾角 方位角 倾角 344 6 104 78 253 11 
图 4 临安4.2级地震震源机制解参数Figure 4. The focal mechanism solution of the Lin'an M 4.2 earthquakeCAP方法求解震源机制解受震源深度影响较大。通过设置步长1km，搜索不同深度对应的震源机制解，拟合误差越小，深度越准确。最终，得到误差最小的16.2km为此次临安M 4.2地震最佳震源深度（图 5）。
震区现代构造应力场的特征以北东东向水平压应力、北北西向水平张应力为主，北东向断层容易发生右旋走滑错动，震源机制解显示本次地震受大范围构造应力的控制。
3. 现场调查与震害特征
3.1 现场调查
依据《地震现场工作（第3部分）：调查规范》、《地震现场工作（第4部分）：灾害直接损失评估》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2012a, 2012b）及《中国地震烈度表》（GB/T 17742—2008）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2009）中的技术要求，主要根据震区人的感觉、器物反应、房屋震害程度等（夏坤等，2011）开展地震烈度调查与评定工作。根据当地政府反馈的震感情况，分别在潜川镇、河桥镇、於潜镇、太阳镇和湍口镇安排调查路线，共25个调查点，取得了震区大量的基础数据和第一手资料，调查范围基本上覆盖了本次地震震区。地震现场调查路线及调查点分布见图 6。
3.2 震区烈度分布情况
通过对25个调查点的震害评估与科学考察，同时收集了当地政府提供的人员伤亡、房屋受损排查情况以及山塘水库基础设施和地质灾害点排查情况，4个调查点的烈度评定为Ⅴ度，分别为潜川镇的五里亭、茶叶山、鱼潭和过水埠，主要分布在震中的东北和西南，Ⅴ度区面积约22.6km2；其余21个调查点烈度评定为Ⅳ度（图 7）。本次地震未造成人员伤亡和较大经济损失。
Ⅴ度区人和器物的反应特征主要为：①震区主要建筑为3层房屋，绝大多数调查点居民居住在2楼，反映震感强烈，多数人梦中惊醒，少数逃出户外，个别居民在室外过夜直至天明；②绝大多数被调查居民听到地声，且反映声音很响，如同打雷的轰轰声或放炮声，部分居民能明确指出声音由震源方向传来；③大多数被调查居民听到门窗、屋顶、屋架颤动作响，且门窗响声较大；④多数被调查居民感觉床和悬挂物有较大幅度的晃动。
Ⅴ度区房屋震害特征主要为：①个别土木、砖木结构房屋有老裂缝加宽、加长及墙皮脱落现象；②个别砌体结构房屋出现细微裂缝和老裂缝加宽、加长及灰土掉落现象（图 8）。
图 8 震中区个别老旧房屋震害特征Figure 8. Earthquake damage characteristics of some old houses at the epicenter area（a）五里亭某户砖木结构房屋二楼窗口下墙皮掉落；（b）新桥头某户土木结构房屋墙体老裂缝加长、加宽；（c）鱼潭村某户砌体房屋老缝加长，瓷砖出现细小裂纹通过调查分析本次地震的房屋破坏情况，认为造成破坏的主要因素有以下方面：
（1）房屋质量
震区内产生破坏的个别房屋属于老旧房屋，建造时基本没有采取任何抗震措施，而且房龄长，一般多在20多年以上，有的甚至30、40年，这些房屋多为夯土（砖、石）墙木结构，或者某一面承重墙为空斗砖墙，由于房龄长、年久失修且普遍存在裂缝，有的墙体已倾斜，特别是房屋的屋顶、屋内木架构，梁木多有腐烂现象；另外，震区内部分建造于2000年以前的砌体房屋中，仅有少数有地梁或圈梁，多数无地梁、圈梁和构造柱，抗震性能较差，加之地基基础的不均匀，个别房屋墙体出现细微裂缝或抹灰缝。
（2）场地效应
震区位于山区，多数自然村分布于陡坡、边坡等地，导致部分调查点上的个别房屋在建造时为天然地基加垒石形成的不均匀基础（属于抗震不利地段），地震时容易产生沉降差异，抗震稳定性差，易出现轻微破坏。
4. 结语
通过对临安4.2级地震开展现场调查，得出如下认识：
（1）震源机制解显示长轴方向为北东向，与马金-乌镇断裂带走向基本一致；地震现场地震烈度调查结果表明，本次地震的影响烈度最高为Ⅴ度，面积22.6km2，烈度圈长轴方向为北东向，与地震震源机制解及北东向马金-乌镇断裂带方向一致。
（2）本次地震震中附近的潜川镇、河桥镇震感强烈，但未造成人员伤亡和较大经济损失，震中区少数房屋有轻微开裂和老裂缝加长、加宽现象。
（3）与浙江省内其它类似震级大小的地震相比，此次地震震源深度较深（16km），地面的地震破坏影响相对较小，因此虽然震感强烈，但震害相对较轻。
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图 1 SH波不同角度入射下自由表面加速度峰值变化比较
Figure 1. Compare of the peak acceleration excited by SH wave with different angles
图 4 场地土剪切模量比和阻尼比随剪应变变化曲线
Figure 4. The curve shows change of shear modulus ratio and damping ratio change with shear strain
图 5 地震波入射角度对峰值加速度放大系数的影响
Figure 5. Influence of incident angle on PGA amplification coefficient
图 6 所有地震波以60°入射下的反应谱谱比曲线
Figure 6. Spectral ratio curves under the inputs of natural ground motions at 60°incidence
图 7 不同强度地震波斜入射下反应谱放大系数
Figure 7. Magnification of response spectrum under oblique incidence with different intensities of seismic waves
表 1 天然地震波基本信息
Table 1. Basic information of natural ground motions
编号 地震名称 震级/级 台站名称 震中距/km 记录分量 1 1979年美国Imperial Valley-06地震 6.5 Parachute Test Site 12.69 225 2 1999年台湾集集地震 7.6 TCU046 16.74 EW 3 1978年伊朗Tabas地震 7.3 Tabas 2.05 L1 4 1999年台湾集集地震 7.6 TCU075 0.89 EW 5 2004年日本新泻地震 6.6 TYMH05 175.52 NS 6 1999年美国Hector Mine地震 7.1 Amboy 43.05 090 7 1999年台湾集集地震 7.6 TCU101 2.11 EW 8 2010年墨西El Mayor-Cucapah地震 7.2 El Centro Array #12 11.26 000 
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表 2 千叶场地计算模型参数
Table 2. Model parameters of the Chiba-ken site
土层编号 土类名称 剪切波速/
（m·s−1）密度/（g·cm−3） 层厚/m 1 亚黏土 140 1.75 5 2 砂质黏土 320 1.80 5 3 细砂 320 2.00 14 4 细砂 420 2.10 16 5 基岩输入 540 2.20 —
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表 3 地铁17号线某站场计算模型参数
Table 3. Model parameters of the Line 17 Subway site
土层编号 土类名称 剪切波速/
（m·s−1）密度/（g·cm−3） 层厚/m 1 粉质黏土 192 1.90 10 2 细砂 236 1.95 25 3 粉质黏土 331 2.00 10 4 细砂 355 2.00 26 5 粉质黏土 362 2.05 12 6 粉质黏土 416 2.10 17 7 粉质黏土 467 2.15 28 8 基岩输入 505 2.20 —
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陈维, 2007. 多层土粘弹性边界的二维斜入射SH波时域输入. 山西建筑, 33（25）: 84—85Chen W. , 2007. A method of inclined-incidence SH waves input on viscous-spring boundary in multilayered soil. Shanxi Architecture, 33(25): 84—85. (in Chinese) 范留明, 赵钦, 2014. 成层半空间出平面自由波场的界面子波算法. 地震工程学报, 36（4）: 765—772Fan L. M. , Zhao Q. , 2014. Interfacial wavelet superposition method for out-of-plane wave motion of a free field in a layered half space. China Earthquake Engineering Journal, 36(4): 765—772. (in Chinese) 高智能, 卓卫东, 谷音, 2017. SH波斜入射时有阻尼成层介质自由场的一维化时域算法. 振动与冲击, 36（16）: 37—43, 84Gao Z. N. , Zhuo W. D. , Gu Y. , 2017. A 1 D time-domain method for free field motion in layered media with damping under obliquely incident SH wave. Journal of Vibration and Shock, 36(16): 37—43, 84. (in Chinese) 廖河山, 陈清军, 徐植信, 1994. SH波倾斜入射时土层的非线性响应分析. 同济大学学报, 22（4）: 517—522Liao H. S. , Chen Q. J. , Xu Z. X. , 1994. Nonlinear responses of layered soils to obliquely incident SH waves. Journal of Tongji University, 22(4): 517—522. (in Chinese) 刘晶波, 王艳, 2006. 成层半空间出平面自由波场的一维化时域算法. 力学学报, 38（2）: 219—225Liu J. B. , Wang Y. , 2006. A 1-D time-domain method for 2-D wave motion in elastic layered half-space by antiplane wave oblique incidence. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 38(2): 219—225. (in Chinese) 王笃国, 赵成刚, 2016. 地震波斜入射时二维成层介质自由场求解的等效线性化方法. 岩土工程学报, 38（3）: 554—561Wang D. G. , Zhao C. G. , 2016. Two-dimensional equivalent linear seismic analysis of free field in layered half-space due to oblique incidence. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 38(3): 554—561. (in Chinese) 尤红兵, 赵凤新, 荣棉水, 2009. 地震波斜入射时水平层状场地的非线性地震反应. 岩土工程学报, 31（2）: 234—240You H. B. , Zhao F. X. , Rong M. S. , 2009. Nonlinear seismic response of horizontal layered site due to inclined wave. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 31(2): 234—240. (in Chinese) Heymsfield E. , 2000. Two-dimensional scattering of SH waves in a soil layer underlain with a sloping bedrock. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 19(7): 489—500. doi: 10.1016/S0267-7261(00)00030-0 Katayama T. , Yamazaki F. , Nagata S. , et al, 1990. A strong motion database for the Chiba seismometer array and its engineering analysis. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 19(8): 1089—1106. Lee V. W. , Luo H. , Liang J. W. , 2006. Antiplane (SH) waves diffraction by a semicircular cylindrical hill revisited: an improved analytic wave series solution. Journal of Engineering Mechanics, 132(10): 1106—1114. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2006)132:10(1106) Liu G. , Chen H. T. , Liu D. K. et al. , 2010. Surface motion of a half-space with triangular and semicircular hills under incident SH waves. Bulletin of the Seismological Society of America, 100(3): 1306—1319. doi: 10.1785/0120090273 Tsaur D. H. , Chang K. H. , 2009. Scattering and focusing of SH waves by a convex circular-arc topography. Geophysical Journal International, 177(1): 222—234. doi: 10.1111/j.1365-246X.2008.04080.x Tsaur D. H. , 2011. Scattering and focusing of SH waves by a lower semielliptic convex topography. Bulletin of the Seismological Society of America, 101(5): 2212—2219. doi: 10.1785/0120100324 -
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