喻 畑， 李小军

(1.中国地震局地壳应力研究所，北京 100085； 2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

四川、甘肃地区VS30经验估计研究①

喻 畑1， 李小军2

(1.中国地震局地壳应力研究所，北京 100085； 2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

目前我国建筑工程抗震设计规范中对于工程场地条件的判断依据主要是地表以下20 m深度范围内土层的等效剪切波速，简称VS20。相比之下，国外应用较广的是地表以下30 m深度范围内的等效剪切波速，简称VS30。这种差别导致国内科研工作者在应用国外的地震工程、工程抗震模型时经常遇到对场地条件描述不准确的困难。为了解决这个问题，本文根据147个四川、甘肃地区国家强震动台站20 m左右深度的钻孔剪切波速数据，利用延拓方法、场地分类统计方法以及基于地形特征的VS30估计方法研究各台站VS30与VS20的经验关系，对比发现基于速度梯度延拓的结果最为可取。参考国际上通用的Geomatrix Classification场地分类标准，最终得到四川、甘肃地区各类场地的平均VS30，此结果可以为缺乏钻孔数据的工程场地的VS30估计提供参考。

场地反应； 场地分类；VS30估计

0 引言

我国建筑抗震设计规范[1]中场地分类判别标准主要依靠两个参数：一是覆盖层厚度，普遍取地面至剪切波速大于500 m/s且其下卧土层剪切波速均不小于500 m/s的土层顶面的距离；二是覆盖层厚度和20 m两者较小值深度范围内的等效剪切波速。因此，我国许多工程场址工程勘察钻孔深度均在20 m以下，等效剪切波速一般取VS20。相比之下，美国、欧洲、新西兰等国家和地区[2-3]的抗震设计规范以及地震工程专业普遍用30 m深度的等效剪切波速(VS30)判断工程场地的类别。这种差别导致我国地震工程以及工程抗震等专业的科研人员在应用国外抗震设计规范和地震动估计模型时极不方便。例如：我国建筑抗震设计规范依据VS20分为四类，而美国建筑抗震设计规范依据VS30分为五类；我国地震动估计一般只分基岩和土层两种场地类型[4-5]，而美国地震动估计的模型全部采用VS30。因此，如何将VS20转换成VS30是一个亟待解决的问题。

目前，国内主要是基于大量剪切波速与深度的数据，建立数学模型以统计的手段获取剪切波速与钻孔深度的经验关系[6-7]。基于浅钻孔数据估计大于钻孔深度的等效剪切波速成果较少。本文为研究VS20与VS30的经验关系，收集四川和甘肃地区土层场地强震动台站的钻孔数据。2008年我国强震动台网正式运行以来，四川和甘肃地区建设了数百个强震动观测台站获取数字强震动记录[8-9]，其中有147个为土层场地强震动台站，图1展示了这147个台站的位置。参考我国建筑抗震设计规范要求，大部分土层场地强震动台站的钻孔深度均小于20 m，小部分台站由于覆盖土层很薄，钻孔深度甚至小于10 m。本文拟基于这些强震动台站的钻孔数据，利用延拓方法、场地分类统计方法以及基于地形特征VS30估计方法研究VS20与VS30的经验关系。通过各种方法的结果对比分析发现速度梯度延拓方法的结果最为可取，依据该方法的结果统计得到了四川、甘肃地区基于Geomatrix Classification场地分类标准的各类场地的平均VS30。对于没有钻孔数据的场地，可以依据场地的地形地貌条件判断其Geomatrix Classification类别，进而估计其VS30。

图1 本文所用强震台站分布图Fig.1 Distribution of strong-motion stations used in the study

1 延拓方法

延拓方法是根据钻孔剪切波速数据，基于一些经验的假定或模型，得到经验的剪切波速剖面以计算等效剪切波速值的方法。主要有两种：一是简单延拓，另一种是速度梯度延拓。

1.1 简单延拓

简单延拓假定：从钻孔的底部至30 m深度的介质与孔底一致，即从底部至30 m的剪切波速等于孔底层的剪切波速，从而构造经验的剪切波速剖面，计算VS30。这里定义基于简单延拓方法得到的VS30为VS30Profile。

(1)

(2)

其中，VS(Z)为Zm深处的土层剪切波速。

一般情况下，深度越大的土层剪切波速应该呈递增的趋势。而简单延拓的假定较小地估计了孔底至30 m深度范围土层的剪切波速，因此简单延拓是一种保守的估计，VS30Profile会小于真实的VS30。但当钻孔深度大于或接近20 m时，这种估计的误差很小；而当钻孔深度小于20 m时，误差会很大。

由于简单延拓是基于真实钻孔数据获取等效剪切波速，以VS30Profile为估计的参考值，而将其他方法得到的结果与之对比来粗略估计方法的精度。

1.2 速度梯度延拓

速度梯度延拓假定：在某地区或地质构造相似的国家和地区，VS30与某一深度的等效剪切波速存在经验关系，这种经验关系可以是线性的或者高次的。它首先由Boore提出[10]。为了估计美国加州142个钻孔深度小于30 m的台站的VS30，基于135个钻孔深度大于或等于30 m的台站的钻孔数据，Boore得到了加州地区VS30基于速度梯度延拓的线性模型。

(3)

其中VS(d)为地表至深度为d的土层等效剪切波速。

Boore的模型[10]很好地拟合了135个台站真实的VS30，因此认为其模型可以可靠地估计其他142个钻孔深不到30m台站的VS30。表1给出了Boore的线性模型系数及统计参数。

表1 Boore的线性模型系数及统计参数[10]

为了获取更好的估计结果，本文尝试性地选择了74个钻孔深度均超过30 m的日本Kik-net台站钻孔数据。这些台站按照Geomatrix Classification分类标准(见表2)被分为60个基岩台站(Geomatrix Classification A和B)以及13个土层台站(Geomatrix Classification C和D)。

表2 NGA 台站场地分类标准

为了能够更好地拟合数据，本文做了2个改进：一是将线性模型改进为三次模型；二是对基岩台站和土层台站分别拟合，得到不同场地类型的模型。 三次模型如下：

(4)

表3给出了73个Kik-net台站钻孔数据基于线性模型以及三次模型拟合的系数以及统计参数。图2展示了73个Kik-net台站钻孔数据5、10、20、28 m深度的线性拟合和三次拟合的对比。由图2可以看出，除了5 m深度外，其他深度线性拟合和三次拟合基本一致。而且5 m深度也只有在VS(d)小于150 m/s或者大于1 000 m/s时拟合结果略好。因此三次拟合相对于线性拟合并不能显著地提高精度。相比于更麻烦的三次模型，本文认为线性模型更好。

表3 73个Kik-net台站的线性拟合和三次拟合的系数

图2 深度和速度梯度延拓模型的线性拟合和三次拟合对比Fig.2 Comparison of linear fitting and cubic fitting of contiuation model at different depths and velocity gradients

表4给出了对73个台站进行场地分类后，分别基于一次模型和三次模型延拓结果的对比。可以看出，误差随着深度减小；三次模型相对于一次模型改善有限，并且基于场地分类的拟合方法要比无场地分类的拟合方法结果好，但改善的程度很小。本文认为不需要进行台站场地分类的线性拟合结果可行，原因有二：一是简单、可行；二是线性拟合的结果即使是基于10 m深度的钻孔估计VS30，整体误差为0.51%,方差为20%左右。这种估计可以满足工程应用的精度要求。

表4 73个Kik-net台站钻孔数据的基于各类场地的线性拟合以及三次拟合结果相对于真实VS30的对比

注： +表示低估，-表示高估。

2 基于Geomatrix Classification场地分类的场地平均VS30估计

PEER的NGA数据库[11]有全球范围内561个强震动台站的钻孔数据。根据钻孔数据以及地形信息，按照Geomatrix Classification分类标准(见表2)[11]，561个强震动台站被分为74个A类、97个B类、44个C类，306个D类以及40个E类台站。对每类场地的所有台站取对数平均，统计各类场地的平均VS30。表5给出了5类场地的平均VS30以及统计参数。

表5 NGA数据库强震台站基于Geomatrix Classification场地分类标准的各类场地的平均VS30以及统计参数

我国147个台站按照Geomatrix Classification标准被分为9个A 类、52 个B类、83 个C类以及3个D类场地。图3显示了147个台站的各类场地平均剪切波速剖面与NGA数据库同类场地平均剪切波速剖面的对比。从图中可以看出，四川、甘肃地区地表土层非常软，平均剪切波速为150 m/s左右。当深度大于5 m时，除了B类场地稍大外，四川、甘肃地区的其他类型场地的平均剪切波速与NGA数据库的同类型场地的平均剪切波速非常接近。

因此，根据台站的Geomatrix Classification，判定NGA数据库同类场地的平均VS30即为四川、甘肃台站的VS30是可取的，定义为VS30Geo。这种方法的好处是即使台站没有钻孔数据，也可以根据台站的局部地形以及地质条件估计该场地的VS30。

图3 我国四川、甘肃地区与NGA数据库的各类场地平均剪切波速剖面对比Fig.3 Comparison of average shear-wave velocities undervarious site conditions between Sichuan，Gansu provinces and NGA database

3 基于地形特征的场地分类方法

基于地形特征的场地分类方法主要是基于地形的卫星数据或实测数据进行分析。主要有两种，一种是根据地区的地形和地质相似性，对地区的VS30做一阶近似[12]。这种方法认为地区的地形梯度与地区的VS30有相关性。因为岩石层厚的地区的地形梯度要大而陡，而盆地或者沉积区相对来说地形梯度要小而平。美国的USGS根据加州的地形模型构造了全球的VS30与地形的经验模型，简单实用并且可以网络操作。进入网址http://earthquake.usgs.gov/hazard/app s/vs30/custom.php，选取目标区域划分网格，即可得到网格点的VS30。选取网格点离147个台站的距离小于0.6 km，该网格点的VS30近似为该台站VS30，定义为VS30W。另一种为Young[13]提出的基于1 km分辨率的加州地形弧度模型，构造了VS30与地形的经验关系。根据Young的模型给出147个台站的VS30，定义为VS30arc。同时Young考虑加州地区与我国四川、甘肃地区地形的差异，进行了调整，得到了新的VS30的估计，定义为VS30R。

4 对比与讨论

表6 相对于VS30profile，五种其他方法VS30估计值的平均误差以及均方差

表7 相对于VSe，3种VS30估计值的平均误差及均方差

表8 我国四川、甘肃地区基于Geomatrix Classification各类场地的平均VS30

5 总结

本文采用多种方法经验地估计了四川、甘肃地区147个钻孔深度小于20 m的强震动台站的VS30。通过对各种方法的结果对比分析认为：对于钻孔深度小于20 m的台站，应用本文基于73个Kik-net强震动台站数据得到的速度梯度线性模型延拓估计四川、甘肃地区强震动台站的VS30是比较可靠的，该方法可以应用到四川、甘肃地区其他工程场地。而且，对于没有钻孔数据的工程场地，可以根据局部场地地形地貌条件或者利用Google Earth得出该场地的Geomatrix Classification场地类别，进而用各类场地的平均VS30值估计。本文模型如需拓展到我国其他地区的VS30估计，需要用目标地区的钻孔数据进行试验，以判别目标地区与四川、甘肃地区土层结构的差异性对模型的影响。

References)

[1] 中华人民共和国建设部.(GB50011-2010)建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.Ministry of Construction of People's Republic of China.(GB50011-2010)，Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2010.(in Chines)

[2] European Committee of Standardization.EN 1998 Euro code 8：Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 1：General Rules，Seismic actions and Rules for Buildings[S].Landon：Taylor and Francis，1998.

[3] Building Seismic Safety Council (BSSC).Edition NEHRP Recommended Provision for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, FEMA368/369[R].Washington D C，2001

[4] 唐丽华，李锰，王海涛.伽师—巴楚地区中强地震加速度衰减关系[J].西北地震学报，2007，29(4)：377-379.TANG Li-hua，LI Meng，WANG Hai-tao.Research on the Acceleration Attenuation Relationship of Moderate Strong Earthquake in Jiashi—Bachu Region[J].Northwestern Seismological Journal，2007，29(4)：377-379.(in Chines)

[5] 姚凯，孙崇绍，朱珊珊，等.2008年汶川地震后的三次强余震地表峰值加速度衰减场研究[J].西北地震学报，2012，34(1)：99-104.YAO Kai，SUN Chong-shao，ZHU Shan-shan，et al.Study on PGA Attenuation of Three Strong Aftershocks of 2008 Wenchuan Earthquake[J].Northwestern Seismological Journal，2012，34(1)：99-104.(in Chines)

[6] 李帅，赵纯青，葛鸣.喀什场地土剪切波速与土层深度经验关系[J].地震工程学报，2013，35(3)：702-707.LI Shuai，ZHAO Chun-qin，GE Ming.Empirical Relationship Between Shear-wave Velocities and Soil Depths in Kashi City[J].China Earthquake Engineering Journal，2013，35(3)：702-707.(in Chines)

[7] 薛锋，王庆良，胡亚轩，等.西安市岩土体剪切波速与土层深度关系的研究[J].地震工程学报，2014，36(2)：249-255.XUE Feng，WANG Qin-liang，HU Ya-xuan，et al.Study on the Relationship Between Soil Depth and Shear Wave Velocity of Rock and Soil Mass in Xian City[J].China Earthquake Engineering Journal，2014，36(2)：249-255.(in Chines)

[8] 卢寿德，李小军.汶川8.0级地震未校正加速度记录[M].地震出版社，北京，2008.LU Shou-de，LI Xiao-jun.Uncorrected Acceleration Records of Wenchuan 8.0 Earthquake[M].Beijing：Seismological Press，2008.(in Chines)

[9] 李小军.汶川8.0级地震余震流动台站观测未校正加速度记录[M].北京：地震出版社，2009.LI Xiao-jun.Uncorrected Acceleration Records of Wenchuan Aftershocks from Mobile Observation Stations[M].Beijing：Seismological Press，2009.(in Chines)

[10] Boore D M.EstimatingVS30(or NEHRP Site Classes) from Shallow Velocity Models (Depth<30 m) [J].Bull Seism Soc Am，2004，94：591-597.

[11] Chiou B，R Darragh，N Gregor，et al.NGA Project Strong-Motion Database[J].Earthquake Spectra，2008，24：23-44.

[12] Wald D J，Trevor I，Allen.Review Article：Topographic Slope as a Proxy for Seismic Site Conditions and Amplification[J].Bull Seism Soc Am，2007，97：1379-1395.

[13] Yong A，Hough S E，Braverman A，et al.A Terrain-basedVS30Estimation Map of the Contiguous United States[J].Seismological Research Letters，2010，81(2)：294.

Empirical Estimation ofVS30in the Sichuan and Gansu Provinces

YU Tian1， LI Xiao-jun2

(1.InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China；2.InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China)

At present， Chinese seismic design codes for engineering projects classify site conditions primarily by their equivalent shear wave velocity at a depth of 20 m below the surface, which is referred to asVS20.However, the parameter widely used abroad in seismic design codes is the equivalent shear wave velocity at a depth of 30 m below the surface，VS30.This non-standardized parameter has led to inaccurate site condition descriptions when foreign models for earthquake engineering or seismic resistance are applied to Chinese engineering projects.Several methods have been used in an attempt to estimateVS30from site profiles with 20 m-deep boreholes for strong motion stations located in the Sichuan and Gansu Provinces.These estimation methods include: extrapolation (constant and gradient), Geomatrix site classification correlation via shear-wave velocity, and remote sensing (terrain and topography).In this study, gradient extrapolation was the preferred estimation method for sites with shear-wave velocity profile data.When combined with Geomatrix site classification, the averageVS30for each site was derived from 147 estimatedVS30.Thus, gradient extrapolation followed by Geomatrix site classification can be used to assign aVS30to a site without 30 m-deep borehole data, unifying global engineering design codes.

site response； site classification； estimation ofVS30

附录(Appendix)

续

51NNS22．00280NoC26126733828731651951976051PGD22．00380NoC230265338260287⁃⁃68851PGL22．00413NoC30133133833736851951976051PGQ22．00557NoC22828433826329051951976051PJD22．00433NoC31935033835738940249726751PJW22．00440NoC27231233830833836337421651PWM25．00753YesB32337342435737651951958951PZF22．00700YesA525573660588628⁃⁃76051PZT22．00750YesA373448660427463⁃⁃76051PZW22．00800YesB331411424381415⁃⁃45351QCD20．00893YesB308394424345386⁃⁃61151QLY22．00747YesB41448642447250854751952751SFB20．00548YesB30235542433837951951947651SMC22．00340NoC29530933832635751951976051SMK22．00405NoC34636333838241651951976051SML22．00395YesC31333633834838051951976051SMM22．00320NoC26327933829132051951976051SMW22．00405NoC24428133827630551951976051SMX22．00400NoC27831033831234351951976051SPA21．00473YesC30134233833837451951952751TQL22．001066YesB42752942448952651951976051WCW20．10485YesC315357338353395⁃⁃76051XCC22．00351NoD25127727428030936338822451XCH22．00522NoC34138633838541854754751851XCL22．00504NoC27532433831334354754734851XCT22．00510YesB347389424390424⁃⁃44951XCY21．00358YesC21724933824327454754760651XDG22．00507NoC30735333834737951951957351XDM22．00700NoC33540533838441751954776051XJB21．00430NoC293327338328364⁃⁃76051XJD21．00498NoC29734333833437051951976051XXC22．00431NoD30433627434037245945972651YAD22．00721YesB185245424216240⁃⁃25351YAL22．001168YesB42954442449753551951937251YAM22．00877YesA49357766056160054738876051YAS22．00694YesB35242242440343751954776051YBA22．00760YesB400475424456493⁃⁃58951YBG15．101302YesA518739660631693⁃⁃51651YBH22．00566YesB303358424345377⁃⁃37651YXX22．00364NoC28230433831334354754763051YXZ22．00444NoC31434833835238554754775751YYJ22．00555YesB332384424376410⁃⁃76051YYM22．00550NoC29334733833436538854728251YYW22．50420NoC20624833823826438845943051ZJJ22．30523YesB30535442434838051951976051ZJQ20．80520YesB29734642433837951954752462ANY30．00562NoC384425338425425⁃⁃51962BAS23．00530YesC25430733829331851951968762DAT13．50532YesB35243242443852238838834862ERT13．00528YesB26737142433041724651933362GLA30．00523YesC19022933822922940240236862GXT24．00510YesC20625633824326240251940362HEP30．00290NoC22223833823823854751960562HEZ20．00540YesB284338424318358⁃⁃58962HJI28．00506YesC329372338373381⁃⁃56362JAI30．00540NoC23428233828228238851926962JCH22．00550NoC448477338498535⁃⁃30662KLE16．00562YesB26435142431137651951933962LJB25．00540NoC30735833835437332854730462MXT22．00638YesC23830133827530340254737862PAN30．00530YesC29334333834334351938854862PJY30．00284NoC237249338249249⁃⁃32062QCH28．00510NoC32136233836237037434532262SHW22．00510NoC34238433838541951951976062TCH16．00790YesB28140242433239751951969862TSH22．00540YesC36340833840944354754757462WUD28．00262NoD20522127422322851951952262XGU24．00548YesC24329833828530651954732562XHS26．00530YesB289341424337351⁃⁃64262XIC30．00506NoC24628433828428438837435662YGX20．00525YesB258311424288327⁃⁃54462YLG12．00810YesB335517424423513⁃⁃66662ZNI9．00730YesB185387424⁃36351940276062ZPU20．00516YesB367406424411456547519475

2015-05-09

金基项目：国家自然科学基金项目(51308509，51278469)；中国地震局地壳应力研究所基本科研业务费专项资金项目(ZDJ2013- 04)

喻 畑(1983-)，男，助理研究员，主要从事岩土工程及地震工程等方面的科研.E-mail：yutian0721@yeah.net

P315.9

A

1000-0844(2015)02-0525-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0525