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      習近平總書記在視察唐山時的重要講話:我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一,災害種類多,分布地域廣,發生頻率高,造成損失重,這是一個基本國情。新中國成立以來特別是改革開放以來,我們不斷探索,確立了以防為主、防抗救相結合的工作方針,國家綜合防災減災救災能力得到全面提升。要總結經驗,進一步增強憂患意識、責任意識,堅持以防為主、防抗救相結合,堅持常態減災和非常態救災相統一,努力實現從注重災后救助向注重災前預防轉變,從應對單一災種向綜合減災轉變,從減少災害損失向減輕災害風險轉變,全面提升全社會抵御自然災害的綜合防范能力。防災減災救災事關人民生命財產安全,事關社會和諧穩定,是衡量執政黨領導力、檢驗政府執行力、評判國家動員力、體現民族凝聚力的一個重要方面。當前和今后一個時期,要著力從加強組織領導、健全體制、完善法律法規、推進重大防災減災工程建設、加強災害監測預警和風險防范能力建設、提高城市建筑和基礎設施抗災能力、提高農村住房設防水平和抗災能力、加大災害管理培訓力度、建立防災減災救災宣傳教育長效機制、引導社會力量有序參與等方面進行努力。

      科研動態

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      BSSA:應用中國鉆孔數據建立的一個新的多參數VS30外推模型

      發布時間:2021-10-25

      VS30是地表以下30m的以時間平均的土層剪切波速值。在包括美國NEHRP建筑抗震設計條款以及歐洲標準委員會的建筑抗震設計規范等很多國家的抗震設計規范中,VS30是確定場地類別的主要參數。同時,因場地地震效應是地震風險分析的一個關鍵環節,所以VS30作為一個重要的場地參數被廣泛應用于各國的地震區劃、地震保險、地震應急響應等很多地震工程領域。

      當所研究的場地范圍有實測鉆孔,但是鉆孔太淺不到30m無法直接計算VS30時,可以根據已知的淺孔信息外推估計VS30。這樣的模型就是VS30外推模型。外推VS30有效地利用了已有的鉆孔資料,擴大了鉆孔數據集的數據容量,是開發VS30擬合模型、制作VS30地圖和開展其他宏觀場地條件研究的一個必要的基礎性工作,是國內外地震工程研究中的經典做法。各國學者包括BooreSeyhanMidorikawa、戴志軍、王海云和王蘇陽等人均開展過VS30外推模型建模等相關方面的研究。

      原有的外推模型均僅利用了淺孔的剪切波速(Vs)剖面外推VS30。本研究在原先的基礎上增加了鉆孔地形坡度、地質時代和土類等附加參數,提高了VS30的外推精度。

      1. 鉆孔數據庫

      本研究收集整理了8,831個中國大陸地區的場地鉆孔資料,這些鉆孔中4,578個鉆孔的深度大于30m,其中797個鉆孔深度大于100m。除鉆孔的Vs剖面信息和其他基本信息外,本研究還收集了鉆孔的地質時代剖面、土類剖面、沉積環境、風化程度、土動力學參數、和波速采集方式等信息。

      經過鉆孔位置核驗和重定位,利用PostgreSQL平臺,本研究將這些鉆孔資料匯總成鉆孔數據庫。

      C:\Users\Seven\Desktop\WeChat\論文:應用中國鉆孔數據建立的一種新的多參數VS30外推模型\鉆孔分布.jpg

      鉆孔數據庫鉆孔分布圖

       

      2. 地形坡度、地質時代和土類對土層波速剖面的影響

      將鉆孔數據庫中的鉆孔按地形坡度、地質時代和土類的不同取值進行分組,統計每組的均值和方差,應用韋氏t檢驗和ANOVA評估組間均值的差異程度,應用Bartlett檢驗評估組間方差的差異程度。分析表明,地形坡度和地質時代對于鉆孔的VS剖面具有顯著的影響,而土類參數中砂土、粉土和黏土的差異對于VS剖面影響不大。在此基礎上,建立了一個對鉆孔分類方案,將鉆孔按地形坡度被分為6類,按地質時代分為7類,按土類分為4類,確保每類的鉆孔均具有不同的VS剖面形態。

      C:\Users\Seven\Desktop\WeChat\論文:應用中國鉆孔數據建立的一種新的多參數VS30外推模型\Figure6.jpeg

      不同土的VS剖面的均值和方差圖

       

      3. 已有VS30外推模型的性能評估

      應用鉆孔數據庫的數據,本研究應用RMSER2評估了5個已有VS30外推模型的性能。5個模型分別為Boore 2004年的模型(B04)和2011年的模型(BEA11)、MidorikawaNogi的模型(MN15)、戴志軍的模型(DEA13)和王海云和王蘇陽的模型(WW15)。評估結果表明,戴志軍的DEA13模型和MN15模型具有最好的性能。同時本研究對模型性能不同的原因進行了分析,認為:

      1.應用了淺孔層底波速外推的模型均優于應用平均波速外推的模型

      2.MN15模型中的淺孔平均波速參數在計算中是無效的,其本質上和戴志軍的DEA13是同一個模型,所以兩個模型性能極為相似。

      本研究選DEA13模型作為基礎模型建立多參數VS30外推模型。

      C:\Users\Seven\Desktop\WeChat\論文:應用中國鉆孔數據建立的一種新的多參數VS30外推模型\Figure9.jpeg

      已有VS30外推模型的性能比較圖

      4. 構建多參數VS30外推模型

      應用本研究建立的鉆孔分類方案將鉆孔數據庫中的鉆孔進行分組,每組均按照DEA13模型的形式建立子模型。在所有子模型中,篩選出模型性能有所提升的模型。篩選方法考慮了以下4個指標:

      1) 建模的樣本量(DVC指標)

      子模型的樣本量需大于30

      2) 子模型性能提升的統計顯著性(SSC指標)

      應用t檢驗評估子模型中的線性回歸方程的參數項是否存在顯著性差異,利用卡方分布設計檢驗方法評估模型中線性回歸方程的誤差項是否存在顯著性差異。按參數值劃分的子模型中的線性回歸方程需和原模型的方程存在統計顯著性差異。

      3) 子模型是否存在過擬合和欠擬合(GRC指標)

      將樣本分為訓練集和測試集,分別建立子模型并計算模型RMSE。子模型的訓練集RMSE和測試集RMSE之間的差異需小于15%

      4) 子模型在不同深度上的性能穩定性(OSC指標)

      子模型需至少在三個連續的深度層位上和原模型具有同方向的差異。

      經過上述4個標準的篩選,確保篩選出的子模型具有明確的和原模型不同的性能,且為一個穩定的模型。最終篩選出了33性能顯著提升的子模型構成多參數VS30的外推模型。每個子模型對應鉆孔的地形坡度、地質時代、土類的不同取值。

      C:\Users\Seven\Desktop\WeChat\論文:應用中國鉆孔數據建立的一種新的多參數VS30外推模型\Figure12.jpeg

      不同土類子模型隨深度變化的模型誤差(RMSE)圖

       

      5. 多參數VS30外推模型的使用

      需根據鉆孔信息的完整程度和模型性能提升水平合理選擇多參數VS30外推模型的子模型。

      為了方便參數化VS30外推模型的使用,我們開發了科學計算網站Seismicsite.net。在網站上輸入鉆孔剖面數據或導入鉆孔剖面數據文件,網站按照本研究中提出的模型選擇方法選擇合適的模型,并計算出外推的VS30結果。

      網站網址:http://www.seismicsite.net

      C:\Users\Seven\Desktop\WeChat\論文:應用中國鉆孔數據建立的一種新的多參數VS30外推模型\seismicsite.PNG

      網站中文版

       

       

       

      文章提出的外推模型可用于淺鉆孔的波速外推以獲取場地類別,用于地震區劃和小區劃之中。VS30外推模型擴大了可用的鉆孔數據,是VS30擬合模型研發的一項基礎性工作。

      文章對不同參數的土層波速剖面的形態的影響的討論可用于一個地區鉆孔代表性剖面的建立,為精細化的土層模型建模提供基礎性的參考。

      文章解決了之前VS30外推模型僅利用剪切波速(Vs),而忽略地形坡度、地質時代和土類等有用信息的問題,提高了VS30的外推精度。

       

       

      研究成果發表于Bulletin of the Seismological Society of America受國家重點研發計劃海域地震區劃關鍵技術研究 2017YFC1500400和國家自然科學基金項目珊瑚島礁巖土動力特性及場地地震穩定性評價方法U1839202共同資助。

       

      【相關文獻列表】

      Jian Zhou, Xiaojun Li, Zhijun Dai, Kun Chen; Parametrical Model for Estimating VS30 from Shallow Borehole Profiles Using a Database for China. Bulletin of the Seismological Society of America 2021;; 111 (3): 1199–1220. doi: https://doi.org/10.1785/0120200178

      Dai, Z., X. Li, and C. Hou (2013). A shear-wave velocity model for VS30 estimation based on a conditional independence property, Bull. Seismol. Soc. Am. 103, no. 6, 3354–3361.戴志軍研究員的外推模型,本研究提出的多參數模型參照了該模型的外推公式。

       

      【作者簡介】

      周健,2021年博士畢業于中國地震局地球物理研究所固體地球物理學理學專業。現從事場地土層剪切波速模型相關研究,中國災害防御協會風險分析專業委員會會員。

      Emailzhoujian2015@vip.sina.com

      Researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Jian-Zhou-125

       

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