2014年8月3日16时30分,云南省昭通市鲁甸县发生M_S6.5地震,该地震造成鲁甸县及其周边地区严重的人员伤亡和工程结构破坏。位于云南和四川省的80多个强震台获取了主震的强震动记录。震中距约36 km的迤车强震台,其强震动记录最大峰值加速度为88.2 gal。而震中距约4.4 km的龙头山强震台,其强震动记录最大峰值加速度达948.5 gal,此记录是我国在极震区内获取的最大地面峰值加速度(崔建文等,2014)。

地震所产生的强地面运动是导致构筑物地震破坏的主要原因。强震动主要受震源、传播路径、场地因素的影响。震源动力学反演结果显示,鲁甸M_S6.5地震属于高应力降的浅源地震,断层破裂接近地表,是产生较高地面峰值加速度的因素之一(刘成利等,2014; 张振国等,2014; 张勇等,2014)。龙头山镇在此次地震中人员伤亡最多,构筑物破坏最严重。钻孔与物探结果显示,其场地存在一洪积扇,土层较为软弱,局部场地效应加重了震害(庞卫东等,2016)。

如何能真实可靠地估算此次地震的场地效应,为重建工作提供可靠的建议,是需要关注的问题。本文采用能反映地震震源特性与地震动传播特点的随机有限断层法,合成此次地震中迤车与龙头山2类典型场地的地震动时程。将合成的龙头山强震台基岩地震动时程作为输入地震动,进行场地土层等效线性化,分析此次地震中龙头山强震台的场地效应。最后结合龙头山镇的场地情况与代表性建筑物的自振特征,进一步探讨此次地震产生重大伤亡的原因。

当地震动超过一定阈值时(100～200 gal),土层场地会出现明显的非线性效应,其主要表现为土体的剪切波速降低、地震动峰值加速度降低、阻尼比升高、场地卓越频率降低(王伟,2008)。

土层等效线性化法是场地非线性效应分析的常用方法之一。其基本原理为:在总体动力学效应大致相当的意义上,用一个等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同应变幅值下的剪切模量和阻尼比,将非线性问题转化为线性问题,利用频域线性波动方法求解。当场地土层等效剪切波速变化率不足20%时,场地地震反应分析可不计入场地非线性效应(王伟等,2011)。龙头山场地存在厚度约26 m的覆盖层,且龙头山强震动峰值加速度远超上述阈值。根据上述条件初步判断,鲁甸M_S6.5地震中,龙头山强震台土层场地应该存在场地非线性效应。

对于覆盖层厚度为H的场地,其场地卓越周期计算公式为:

T_g=(4H)/V(7)

式中:V为场地等效剪切波速,用下式表示:

V=d₀/t(8)

t=∑ⁿ_i=1(d_i/v_si)(9)

式中:d₀为计算深度(m),取覆盖层厚度和20 m两者的较小值; d_i为第i土层厚度(m); v_si为第i土层剪切波速(m/s)。

由实际钻孔资料可得,龙头山强震台场地等效剪切波速v_s=254 m/s,场地卓越周期T_g=0.41 s。由我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)场地分类标准确定,该场地属于Ⅱ类场地。

利用等效线性化法分析场地效应时,龙头山强震台的土层参数按照表3取值,土体动剪切模量比与动剪切阻尼比采用Darendeli(2001)模型。

表3 龙头山强震台场地土层参数
Tab.3 Site soil parameters of Longtoushan strong motion station

将合成的龙头山强震台基岩地震动作为输入地震动,假定场地土层为水平均匀层状,地震动输入位置为地下30 m的基岩处。经土层等效线性化后,得到土层地面强震动的等效线性化值(图3c)。一维土层线性反应分析中,软土层对地震动有着较强的滤波作用,因此经土层等效线性反应后,地震动最大峰值加速度较基岩输入地震动显著降低(王伟等,2011)。等效线性化加速度反应谱如图3d所示,从图中可见,等效线性反应后的地震动反应谱显著升高。土层等效线性化值与基岩输入地震动反应谱的比值如图4所示,在周期为0.08～5 s范围内,等效线性化值高于基岩输入地震动反应谱值,地震动被放大。土层等效线性化后得到的土层剪切波速值明显低于初始的钻孔剪切波速(图5)。综上所述,该场地在此次地震中存在较强的场地非线性效应(王伟等,2011)。

图4 龙头山强震台等效线性化值与基岩地震动反应谱比值
Fig.4 The comparison of the equivalent linearization value and input ground motion response spectrum

图5 等效剪切波速与钻孔剪切波速比较
Fig.5 The comparison of equivalent shear wave velocity and borehole shear wave velocity

利用能反映震源特点的随机有限断层法,合成了鲁甸M_S6.5地震的地震动时程。选取迤车强震台、龙头山强震台作为目标台站,其中迤车强震台为基岩台,不考虑局部场地效应,龙头山强震台位于土层场地,考虑局部场地因素对于地震动的影响。将强震动水平观测记录转换为沿断层走向、垂直断层地震动,对比迤车强震台合成地震动与沿断层走向地震动发现,随机有限断层法合成的地震动与沿断层走向地震动拟合程度较高。这表明,所确定的震源参数与地震动传播路径参数是可靠的。

将合成的龙头山强震台基岩地震动作为输入地震动,采用等效线性化法,分析了龙头山强震台的场地非线性效应。结果显示,该场地在此次地震中存在显著的非线性效应。其主要表现为土层等效剪切波速降低,对于周期在0.08～5 s范围内的地震动存在较强的放大作用。龙头山强震台的场地卓越周期Tg约为0.41 s(图7),正好处于放大周期范围内,使得实际地面运动被放大。这是导致龙头山地区震害加重的场地因素,同时,也是强震动记录反应谱平台较宽的原因之一(图5)。

龙头山场地对于周期为0.4～0.6 s范围内的地震动放大作用最明显。由于我国中小城市主要建筑结构的自振周期处于0.3～1.0 s之间(冀昆等,2014),该场地对于这一周期范围内的地震动又存在最强的放大作用,所以此自振周期的建筑物震害最严重。

本文通过合成鲁甸M_S6.5地震的地震动,比较合成地震动与沿断层走向强震动观测记录认为,随机有限断层法合成地震动较好反映了震源的主要特征,可应用于震害估计。同时,通过分析龙头山强震台的场地非线性效应,认为龙头山镇重建过程中,应充分考虑工程场地条件对地震动的放大作用,加强工程结构的抗震设防。