工程场地地震安全性评价 ————工程场地地震影响评价

工程场地地震安全性评价

————工程场地地震影响评价

赵凤新中国地震灾害防御中心

安评工作基本要求

了解对工程和抗震设防等方面的要求

确定工程对安评提供结果的要求确定安评工作等级确定需要提供的地震动参数和概率水平工作涉及的范围


特定工程：特定的设防地震动参数要求一般房屋设计加速度 + 标准反应谱超高层房屋长周期反应谱 (a, v, d) 储液罐长周期反应谱 (a, v, d) 地下管线相对变形（ v ）特大跨桥长周期反应谱 + 桥墩相对运动重要工程时程 a(t) ，多阻尼，地震动场

地震动参数确定


特定工程：特定的设防概率水平要求房屋建筑 50 年 63% 、 10% 、 2-3% 地下管线 50 年 10% 、 2-3% 特大跨桥 50 、 100 年 63% 、 10% 、

2-3% 核电站年 10-4

概率水平确定

工程场地地震安全性评价

工程场地地震影响评价

震源

地震波传播

场地土层区（局部）

基岩区

（区域地质）

地表及基岩地形

工程场地地震影响涉及的主要问题

解决的问题：地震动及工程特性与作用场地条件对地震动及地震地质灾害影响

影响地震动及地震地质灾害的因素

地震、地质环境：震源特性

区域地质条件：地壳介质对地震动的影响空间上缓慢变化

局部场地条件：地形，土层，（近地表）断层对地震动的影响空间上显著变化小区划的关键因素小区划差不多是场地影响区划

工程地震部分的主要问题

区域地质条件对地震波的传播的影响地震动衰减问题

局部场地条件对地震波传播的影响场地地震反应分析问题

场地设计地震动参数工程场地地震地质灾害

主要内容 1. 地震动的工程特性分析基础性工作2. 地震动衰减关系确定3. 场地地震工程地质条件勘测4. 区域性地震区划 5. 场地地震动参数确定 6. 地震地质灾害评价结果性工作7. 地震小区划 8. 地震动峰值加速度复核9. 不同安评工作之间的关系

主要内容 1. 地震动的工程特性分析2. 地震动衰减关系确定3. 场地地震工程地质条件勘测4. 区域性地震区划 5. 场地地震动参数确定 6. 地震地质灾害评价7. 地震小区划 8. 地震动峰值加速度复核9. 不同安评工作之间的关系

地震动的工程特性分析地震动加速度过程

1940.05.18 美国 El Centro, M=7, Δ=10 km

加速

度位

移

0 10 20 30 40

time (S)

地震动的工程特性分析地震动加速度过程

地震动的工程特性分析地震动参数

• 地震动加速度时程 a(t)

一次地震时，地震动加速度随时间变化的过程

• 地震烈度• 地震动三要素

地震动峰值（加速度、速度、位移）谱（反应谱、富氏谱、功率谱等）持续时间

地震动的工程特性分析地震烈度

• 地震烈度的用途：1. 震害轻重的简单估计2. 地震影响的宏观描述3. 设计地震动参数的间接表示• 地震烈度的特点1. 多指标的综合2. 宏观分级3. 以结果表示原因

地震动的工程特性分析地震动三要素的认识过程

峰值——频谱——持时

峰值： 20 世纪初 F=ma

频谱： 50 年代震害经验，强震记录

持时： 70 年代，重大工程采用时程

地震动的工程特性分析地震动峰值

• 绝对峰值• 有效峰值

t, 秒

a/g

0

a/g

加速度时程包络函数

地震动加速度时程 a(t)

地震动的工程特性分析地震动持时

• 强度包络函数• 地震动总持时• 地震动强震持时（如 1/2 持时）• 绝对持时• 相对持时

t, 秒

a/g

0

a/g

加速度时程包络函数

地震动加速度时程 a(t)

地震动的工程特性分析地震动反应谱定义：具有同一阻尼比的一系列单自由度体系在同一地震动输入下的反应的绝对最大值与单自由度体系自振周期的关系，即为这一地震动的反应谱

2 个参数：周期、阻尼比

3 个谱量：加速度、相对速度、相对位移反应谱

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

地震动的工程特性分析地震动反应谱

• 地震动 --- 形状极不规则地震动反应谱 ---- 地震动的频谱成分变化但丢失了相位信息

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15


地震动反应谱的重要性

• 反映了地震动的频谱特性• 直接给出了不同结构的最大反应• 结构抗震设计规范中普遍采用的规定


• 地震动反应谱与地震动峰值的关系• 加速度反应谱（极）高频处的值趋近地震动峰值

加速度• 加速度反应谱中频段的值与地震动峰值速度有关• 加速度反应谱低频段的值与地震动峰值位移有关

地震动的工程特性分析影响反应谱的因素

• 地震大小• 地震远近• 地震的其他特性（如破裂方向，等等）

• 场地条件，如土层软硬与厚薄，盆地等• 局部地形

地震动的工程特性分析地震烈度与地震动参数关系

地震烈度 (I)换算地震动加速度 amax

I = VI VII VIII IX X

amax = 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8

或 0.0625 0.125 0.25 0.5 1.0

地震动的工程特性分析地震烈度与地震动参数关系

地震烈度与地震动参数的关系离散性很大，同一烈度对应的地震动参数实测值可能相差 10倍以上

地震动衰减关系确定收集强震动观测资料和地震烈度资料空间范围地震烈度和强震动资料的收集原则与内容基岩地震动衰减模型建立基岩地震动衰减关系选取与适用性分析地震动衰减关系的统计回归缺乏强震动观测资料地区的地震动衰减关系确

定的原则与方法地震烈度衰减关系选择原则与方法。

关键内容

地震动衰减关系确定影响地震动的参数

Y (M, R, G)=OP G

O ：震源影响 --- 震级 M, 断层面

P ：地震波传播影响 --- 距离 R 能量吸收 ; 几何扩散 ; 反射、折射、分散G ：场地影响 --- 近地表地质条件 G 土层与地形

地震动衰减关系确定衰减关系形式

lnY = C0 + C1 M - C2 M2 - C3 ln[R + R0] - C4 R + C7 g 其中 R0 = C5 exp(C6 M)

Y = 地震动的某一参数，如：加速度，或某一周期处的反应谱值，或地震烈度 Ci (i=1,..., 7) = 回归系数 g = 0 岩石 , 1 土层 ------ 场地影响往往单独考虑

地震动衰减关系确定衰减关系各项的含义

lnY = C0 + C1 M - C2 M2 - C3 ln[R + R0] - C4 R

• C0 + C1 M项：震源影响• C2 M2 和 R0 = C5 exp(C6 M) 项：大地震震中附近高频地震动的饱和

M ≥ 7 or 7.5 ， ≤ 10-20km

• C3 ln[R + R0]项：几何衰减• C4 R项：非弹性耗能• 后两项往往合并考虑

地震动衰减关系确定衰减模型

• 点圆衰减

• 椭圆衰减

• 断层距衰减

地震动衰减关系确定衰减关系给出

• 区域性

• 有记录地区：利用丰富的地震记录资料统计

• 缺乏和无记录地区类比、转换

地震动衰减关系确定衰减关系转换

从 B 区转换到 A 区

已知 : IA = fA(MA, RA) A 区烈度衰减关系 IB = fB(MB, RB) B 区烈度衰减关系 lnYB = FB(MB, RB) B 区地震动衰减关系导出：地震动数据 YA (MA, RA)

求 : lnYA = FA(MA, RA) A 区地震动衰减关系

地震动衰减关系确定衰减关系选择

• 了解不同关系的特点、背景• 针对工程特点• 考虑工程场地区域性• 小震、大震？近震、远震？• 各地震动参数关系之间的匹配与协调合成地震动

• 长短轴关系，近、远场值的协调• 所使用关系的适用性论证• 尽量不使用土层场地的关系

地震动衰减关系确定衰减关系选择

• 长短轴关系，近、远场值的协调

• 所使用关系的适用性论证• 是否能反映本地的地震地质和地震活动性特征 ( 大震或小震

影响、近场或远场影响等 ) ，是否能针对工程的结构特性，论证所采用地震动观测资料的长周期可靠性。

• 与常用的衰减关系和本区其它衰减关系进行对比，并对所获得的衰减关系的特点进行说明。

• 将地震动衰减关系与收集的区域和邻区强震动观测资料进行对比，论述所选用的衰减关系是否适用于本区

场地地震工程地质条件指对场地地震效应产生影响的场地条件，大致包括场地内及附近地区的工程地质、水文地质、地形地貌、地质构造条件及场地土体物理与力学特性等。

场地地震工程地质条件勘测

勘测目的确定工程场地条件为场地地震反应分析提供场地相关资料为地震地质灾害评价提供场地相关资料

主要工作收集、整理和分析相关的工程地质、水文地质、地

形地貌和地质构造资料场地工程地质条件调查、钻探及原位和室内测试收集、整理和分析场地及附近范围的历史地震地震

地质灾害相关资料以及开展相关场地条件勘测

目的与主要工作



（一）场地勘测确定场地勘查范围场地勘查相关资料收集、整理和分析要求场地勘测中需要确定的土层物理力学参数场地勘测钻孔的布设要求对场地钻探、取样、现场波速测试的要求

关键内容

场地岩土力学性能测定内容岩土剪切波速测量的方法土动力试验的测试要求和内容土动力试验方法和适用范围考虑竖向地震反应时力学性能测定的工作要

求与内容

关键内容


（二）地震地质灾害的场地勘查

地基土液化场地勘查内容和要求崩塌、滑坡、地裂缝和泥石流的勘查内容和

要求地表断层影响分析所需的资料内容

关键内容


勘测范围I 、 II 级工作，场地范围可取其建设工程所覆盖的范围；小区划工作，场地范围可取区划所覆盖的范围

钻孔布设Ⅰ级工作钻孔布置应能控制工程场地的工程地质条件，控制孔应不少于 3 个Ⅱ级工作钻孔布置应能控制工程场地的工程地质条件，控制孔应不少于 2 个地震小区划钻孔布置应能控制土层结构和工程场地内不同工程地质单元，每个工程地质单元内应至少有 1 个控制孔

勘测范围与钻孔布设


Ⅰ级工作控制孔深度达到基岩或剪切波速不小于 700 m/s 层位

Ⅱ级工作和地震小区划控制孔应达到基岩或剪切波速不小于 500 m/s 处，若控制孔深度超过 100 m 时，剪切波速仍小于 500 m/s ，可终孔，应进行专门研究。

钻孔深度要求


场地剖面土层描述土层分层、土性、横向变化

场地测试S 波波速、 P 波波速、标贯数

土动力、静力实验动三轴、共振柱实验确定动模量和等效阻尼比随应变幅值变化关系，土密度

可能液化场地，地下水位，标贯及粘粒含量应编制钻孔分布图及柱状图地震小区划应编制工程地质分区图

勘测物理与力学参数


现场原位波速测量，试验室波速测量（海洋工程）

测试方法：检层法（单孔法）交孔法（双孔法）表面波法（无孔法）

波速测试方法


波速测试要求与方法


测定： G/G0——曲线，——曲线

共振柱试验， 10-6-10-4 应变范围动三轴试验， 10-4-10-3 应变范围空心扭剪试验（ * ）

土体动力性能测定要求与方法


土体动力性能测定结果场地地震工程地质条件勘测

考虑竖向地震反应时力学性能测定的工作要求与内容

需要参数：与水平向相比，需要增加压缩波速。

计算公式：

剪切模量压缩模量伯松比剪应变正应变

G

E

21

)1(2

S

P

V

V

)1(2 GE

)1(

区域性地震区划区域性地震区划的工作目标和适用范围区域性地震区划工作的要点区域性地震区划图的参数和概率水平区域性地震区划计算控制点的分布要求区域性地震区划图表述方式和成图比例尺要求场地条件的考虑区划图分区界线确定应考虑的主要因素区划图说明书的编制内容

关键内容

区域性地震区划

工作目标和适用范围针对特定地区或长输管线等重要工程的地震区划工作，如，特定行政辖区的地震区划工作，输油管线沿线、输气管线、长距离输水工程沿线的地震区划等。

工作的要点 a) 区域地震构造和地震活动性的调查、分析；对于重要的线性工程，应开展线路两侧 25公里范围内的近场工作b) 潜在震源区和相应的地震活动性参数c) 适用于地震区划区域的地震动参数衰减关系d) 地震危险性概率分析计算，得到计算控制点的地震动参数e) 地震动参数分区或绘制地震动参数等值线f) 编写使用说明和研究报告

区域性地震区划参数和概率水平

地震动峰值加速度、速度，烈度50 年超越概率 10% 、 2％、 63%

• 计算控制点的分布要求计算控制点的间距，应不大于地理经纬度 0.1°。在结果变化较大的地段（分区界线），应加密控制点

• 分区界线确定应考虑的主要因素a ）潜在震源区和参数的可变动范围及其对结果的影响b ）地形地貌的差异c ）区划参数的精度，注意城市结果与现行区划图的差异

区域性地震区划区划图表述方式和成图比例尺要求

地震动参数分区（段）图， 1:50万，全国区划图1:400万

场地条件的考虑平均场地条件区划图说明书的编制内容编图技术思路和技术方法，所使用资料的来源、精度，清楚地说明区划结果的表示方式和内容、使用范围以及使用过程中应注意的事项等

场地地震动参数确定

场地基岩地震动参数确定：地震危险性分析场地计算基底输入地震动时程确定：人工合成场地地震反应分析计算场地地震动参数的确定

主要环节

场地地震动参数确定

场地地震动参数确定的思路不同类型工程场地地震动参数选取不同级别安评工作土层场地地震动参数确定场地地震反应分析模型及参数确定的原则、要求和方法不同级别安评工作确定地震输入界面的要求土力学参数确定的方法不同级别安评工作地震动时程合成的要求场地地震反应分析的常用方法场地相关反应谱确定的依据与要求场地地震动反应谱规准化的目的和原则

关键内容

场地地震动参数确定场地条件的影响作用

场地条件指近地表、局部地质条件包括局部范围内的地形（地表与基岩面）条件及局部土层条件粗略地讲（静力观点），就是地基条件静力问题：地表以下若干深度内的土层地震问题：基岩面及之上的整个覆盖土层

场地地震动参数确定场地条件的影响问题的提出

对地震动有着显著的影响影响局部区域地震动的强度及谱特性明显影响着局部区域的震害对不同的地震（地震动输入）影响不同对不同的工程结构有不同的影响作用好坏两方面


1906 年旧金山地震震害，软弱地基地震害重 1923 年日本关东大地震，冲积土层厚度增加木结构破坏率增高

1976年唐山地震，极震区的水泥厂、钢厂、陶瓷厂的房屋倒塌率为 50%，而其附近的都达90%以上，这些也与场地覆盖土层的条件有关

。。。。。。


特别是， 1985年墨西哥地震，震害情况更充分显示了场地条件的影响作用

400 公里

* 峰值加速度，长周期成分* 峰值加速度，长周期成分

场地地震动参数确定场地条件的影响的解释

* 影响地震动强度，频谱成分

基岩介质区

土层分布区

场地地震动参数确定场地条件的影响的解释

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.01 0.1 1 10

0.1

T(sec)

Sa(T

)(G

al)

基岩场地点R

土层场地点 S

基岩介质区

土层介质区

S R

人工地震动时程合成目的与目标

• 目的确定场地地震反应分析的基底输入地震动

确定结构地震反应分析的基础输入地震动• 目标根据给定的要求（一般有：加速度峰值、反应谱、加速度包络函数），人工合成的地震动加速度时程 a(t)

人工地震动时程合成合成方法

• 比例法选择满足某些要求的实际地震记录，对时间与幅值进行调整

• 数值法三角级数模拟

人工地震动时程合成合成方法

数值方法 a t f t A tk k kk

n

( ) ( ) cos( )

0

人工地震动时程合成要求与问题• 拟合要求

峰值加速度相等、控制点谱值满足一定的误差、包线基本满足要求、多个样本

• 注意的问题峰值加速度与高频谱值间的协调高频频率值控制与时间步长的对应反应谱（放大倍数）与持时间的协调要有足够的反应谱控制点数相位谱的影响作用

• 采用实际地震记录，符合工程所在地地震环境

人工地震动时程合成要求与问题• 峰值加速度与高频谱值间的协调

人工地震动时程合成

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40-60

-30

0

30

60

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40-60

-30

0

30

60

要求与问题• 反应谱（放大倍数）与持时间的协调

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40-60

-30

0

30

60

场地地震反应分析

理论分析方法建立场地计算模型，地震波动模拟分析地震记录资料统计，理论计算结果总结建立经验（关系）方法


经验方法一般建构筑物抗震设计规范方法对记录及计算结果采用统计分析方法确定经

验反应谱 --- 标准反应谱对场地进行分类针对不同类场地，采用不同的规范谱作为设

计地震动反应谱 “不同反应谱”以反映场地条件对地震动强

度及频谱特性的影响

地震记录反应谱值统计分析


理论分析方法地表局部场地地震反应分析一维土层地震反应分析多维场地地震反应分析（含地形影响）分析方法频域方法，时域方法解析法，数值积法

0.01 0.1 1 10

10

100

1000

T (sec)

Sa

(T

)(G

al)

0.01 0.1 1 10

10

100

1000

T (sec)

Sa

(T

)(G

al)

0.01 0.1 1 10

10

100

1000

T (sec)

Sa

(T

)(G

al)

0.01 0.1 1 10

10

100

1000

T (sec)

Sa

(T

)(G

al)

不同类别场地的计算结果

Ⅰ类 Ⅱ类

Ⅲ类 Ⅳ类


一维场地土层模型

模型的基本参数

土层地震反应分析等效线性化方法


二维、三维场地土层模型

有限元、有限差分方法

场地地震反应分析注意的问题

•土体非线性的考虑

•一维场地分析与多维分析的条件

•土层模型确定

•计算基底的确定，外推问题

•输入地震波的确定


•土体非线性的考虑常用方法是等效线性化方法

将非规则的地震动时程

等效为一个等幅的谐振振动时程，后借助与复阻尼理论进行线性化分析


•一维场地分析与多维分析的条件在地面、土层界面及基岩面均较平坦的场地工程地质条件情况下，水平成层土层模型能合理地反映场地条件，可采用一维场地模型；而在土层界面、基岩面或地表起伏较大时，水平成层土层模型不能合理地反映场地条件，需要采用二维场地模型或三维场地模型


•计算基底的确定，外推问题a) Ⅰ 级工作应采用钻探确定的基岩面或剪切波速不小于 700 m/s

的层顶面作为地震输入界面；b) Ⅱ 级工作和地震小区划应采用下列三者之一作为地震输入界

面：基岩面；剪切波速不小于 500 m/s 的土层顶面；钻探深度超过 100 m ，且剪切波速有明显跃升的土层分界面或由其他方法确定的界面。

要求的原因：

非线性问题

波的散射问题，基底能量辐射问题

场地地震反应分析注意的问题•计算基底的确定，外推问题

由其他方法确定的界面：

根据物探等其它手段或邻区相关深孔资料①对具有土性描述的钻孔，利用附近钻孔波速值或本地或工程地质条件相类似的其它地区的波速值，采用土性及深度类比方法估计钻孔所缺波速值；②对于深部无土性描述的钻孔，则应利用钻孔附近其它钻孔的土性描述及波速值资料勾画出此钻孔周围的土层分层面分布图，而后利用类比方法。在采用近似估计方法弥补所缺波速值和地震输入面后

应进行波速值和地震输入界面位置的不确定性对场地地震反应的影响分析

场地（设计）地震动参数确定

场地地震反应地震动参数（ amax、 Smax， T ）设计地震动参数

0.01 0.1 1 10

100

1000

T (sec)

Sa

(T

)(G

al)

标准形式谱确定注意的问题

峰值、平台、拐点、下降段、长周期部分的协调

地震小区划主要内容

地震小区划的特点与适用范围地震小区划工作主要内容和技术要求场地条件影响在地震动小区划中的作用计算控制点和工程场地钻孔布置地震动峰值和反应谱小区划图编制地震地质灾害小区划图编制地震小区划说明书的编制

地震小区划关键问题

基础：基岩地震动，场地工程地震条件关键：场地工程地震条件影响分析（场

地地震反应分析）场地地震动参数，研究区地震影响场

结果：场点地震动参数，地震动参数分区

地震小区划主要环节

基岩地震动参数的确定人工地震动合成场地工程地震条件勘测，控制性钻孔控制点的场地地震反应分析控制点场地地震动参数确定地震动参数分区场地地震地质灾害评价及灾害程度分区

基于地震动参数、地震地质灾害、场地分类的空间分布分区图

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

ⅢⅣ

地震小区划分区原则

地震动峰值加速度复核主要内容

地震动峰值加速度复核工作的适用范围地震动峰值加速度复核的基本思路和工作要点近场区地震活动和地震构造资料搜集补充调查地震动峰值加速度复核工作中地震动峰值加速

度衰减关系选取基岩场地地震动参数与中硬场地地震动参数的

对应关系，中硬场地地震动峰值加速度确定地震动峰值加速度复核工作结果表述方式

不同安评工作之间的关系地震区划与地震小区划

地震区划地震环境的影响地震活动性区域地质环境的影响地震（动）衰减给出结果：大范围内的地震动（包括地

震烈度）的变化，大尺度分区图

不同安评工作之间的关系地震区划与地震小区划

地震小区划重视局部场地条件的影响区分不同的地震破坏作用更详细考虑（近场）地震地质环境表述更详细、小尺度综合性结果

不同安评工作之间的关系地震区划、地震小区划、工程场地地震动参数确定

工程场地地震动参数确定更注意局部场地条件的影响小范围内的结果表述更细致的场区地震地质灾害分析针对性更强 ---- 特定的工程特定的地震（动）参数

谢谢

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