SDEE：场地剪切波速剖面和场地VS30在平缓地形上的水平变异性研究
场地剪切波速是确定场地条件、计算地震动反应、拟合地震动衰减关系的关键参数，在地震工程学和地震学中有广泛的应用。统计场地剪切波速的不确定性，是分析地震动和地震危险性不确定性的一项基础性研究。目前学界在此领域更多的研究集中于波速采集方法的不确定性、剪切波速模型的不确定性等领域，而在剪切波速的水平变异性，尤其是1km以内的短距离上的水平变异性这个领域涉足较少。Thompson、Boore、Asten等学者开展过针对VS30的短距离水平变异性研究，但均是基于局部地区的，采用数据也较少。而且更关键的是，这些研究均将短距离看作是统计的一个限定条件，而不是一个统计变量。因而，当Seyhan等人在著名文章《NGA-West2场地数据库》中给出强震动台站场地VS30不确定性的标定流程时，也仅笼统地规定Code 0类台站指台站场地VS30由附近实测钻孔确定，而没有明确指明这里的“附近”对应多大范围，也没有给出VS30不确定性与钻孔距离的函数关系。
为填补这个领域的空白，给出短距离上场地剪切波速剖面和场地VS30的变异性统计结论。中国地震局地球物理研究所周健博士利用收集到的8831个中国大陆工程场地钻孔，对这个问题进行了统计分析。研究首先将地形类型按坡度环境特征分为平原地形、山前地形和山地地形三类。统计分析在平原地形和山前地形两种平坦地形上开展。研究利用空间统计函数以表征场地变异性与空间距离之间的统计关系。研究定义了绝对差分位变异函数（quantile variogram of absolute difference，QVAD）的概念，以表征两场地剪切波速的绝对差异；结合经典半变异函数，以方便研究结果在常用空间统计算法（如克里金法）中的应用。研究的统计对象为场地剪切波速剖面和场地VS30，其中场地剪切波速剖面用5米、10米、20米和30米四个深度上的剪切波速值来度量。绝对差分位变异函数的分位数选择90%、80%和50%以反映从保守到激进的不同风险偏好。
研究结果给出了分类统计的场地变异性与水平距离的统计分窗口散点结果，平原地形上从200米距离到10公里距离，200米一档；山前地形上从100米距离到5公里距离，100米一档。研究同时根据分窗口的散点结果给出了拟合的函数关系和函数参数。统计结果表明，平原地形上1km范围内场地水平变异性不大，两个相距1km的钻孔的VS30的差异有80%的可能性小于26m/s，有90%的可能性小于38m/s；在山前地形上1km范围内场地水平变异性大于平原地形，两个相距1km的钻孔的VS30的差异有80%的可能性小于36m/s。
此外从平原地形和山前地形的空间统计函数形态和函数参数的分析。研究得出以下认识：
1）平原地形的场地变异性随距离增加存在一个平台，平台位于1km到3-5km的位置上，在平台距离范围，场地变异性基本不随距离增加而变大。在小于平台起始距离的短距离范围内，场地变异性受距离的影响大于平台终止距离后的长距离范围。。
2）平原地形场地水平变异性的平台现象在浅部层位的波速上更加明显，在低分位数的QVAD上平台段的距离范围更大。
3）无论是平原地形还是山前地形，场地深部层位波速的水平变异性都要大于同距离上浅部层位。
4）平原地形的QVAD和半变异函数形态近似，而山前地形的两函数形态迥然不同。
研究还从子集分析和外部数据两个方面对研究结果进行了验证。子集分析将建模的平原地形和山前地形的钻孔数据划分为小的子集，分别在每个子集上重新统计。结果表明子集结果与全集结果在总体趋势上是一致的。尤其是平原地区的子集同样展现出了与全集结果近似的“平台现象”。外部数据应用美国加州和台湾地区的钻孔对研究结论进行验证。结果表明美国加州的钻孔空间变异性小于中国大陆钻孔，台湾地区的钻孔空间变异性大于中国大陆钻孔。但我们认为，这样的差异在可接受范围之内，且很可能是由于美国和台湾地区钻孔数据较少，存在较大的认知不确定性所造成的。
平原地形的钻孔剖面剪切波速空间函数散点和拟合曲线图。左侧图为QVAD函数，右侧图为半变异函数。自上至下分别为5米、10米、20米、30米深度处的结果。
平原地形的钻孔VS30空间函数散点和拟合曲线图。左侧图为QVAD函数，右侧图为半变异函数。
山前地形的钻孔剖面剪切波速空间函数散点和拟合曲线图。左侧图为QVAD函数，右侧图为半变异函数。自上至下分别为5米、10米、20米、30米深度处的结果。
山前地形的钻孔VS30空间函数散点和拟合曲线图。左侧图为QVAD函数，右侧图为半变异函数。
研究创新点在于：1. 首次给出了平原地形和山前地形上工程场地在小距离上的水平变异性特征；2. 首次给出了场地剪切波速剖面和场地VS30的水平变异性以距离为参数的完整的概率性表达结果数据；3. 发现了平原场地水平变异性存在中等距离上变异性不随距离增加的平台特征。
研究成果作为一项基础性的研究成果细化了强震台站场地条件不确定性的度量水平，从原先NGA笼统的将Code 0类对应一个不确定性数值推进到了可以按不同距离精确度量不确定性的水平上；研究成果还可用于确定地震安全性评价和地震小区划钻孔密度对场地条件的控制能力，对“要打多少钻孔才算把场地条件控制住了”这个长期以来困扰工程实践和标准制定的问题给出了基础数据的支持；研究成果还可用于地震小区划和其他面状线状工程的钻孔布设优化设计。即在钻孔开钻之前就给出预估的钻孔对场地的控制能力分布。
研究成果于2023年发表在学术期刊《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（Jian Zhou, Li Li, XiaoJun Li, YanXiang Yu, QinJian Tian Lateral variations of shear wave velocity (VS) profile and VS30 over gentle terrain. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 175(2023)： 108265. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2023.108265），受国家自然科学基金（批准号：42120104002）和111计划项目（批准号：D21001）共同资助。
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【作者简介】
周健，固体地球物理学博士。曾于中国地震局震害防御司从事抗震设防相关工作，曾任法国再保险公司亚太区巨灾模型经理。现于中国地震局地球物理研究所从事场地土层VS30模型、场地条件和地震区划等相关研究。中国灾害防御协会风险分析专业委员会会员。
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