场地反应一直都是地震学和地震工程学等相关领域研究的重要课题之一,对于近断层地震动模拟、地震动预测方程建立、地震动空间分布特征研究、地震灾区的震害评估、建筑物的选址及其抗震设防等具有重要的理论意义和工程应用价值。本文利用日本Ki K-net强震动观测数据开展场地分类方法及其场地系数,线性场地反应和非线性场地反应三个方面的研究,旨在揭示场地反应的机理,为建筑物的抗震设防提供科学依据。论文完成的主要工作和取得的主要成果如下:(一)场地分类方法及其场地系数1、利用536个台阵记录的9073条地表水平向地震动数据,首先,依据场地类别、有效峰值加速度、设计地震分组对这些数据进行分组,然后,根据各组加速度反应谱的平均特征研究其设计反应谱形状。结果表明:(1)各组平台段的动力放大系数均在1.81~3.35之间,平均值为2.50,标准差为0.33。建议设计反应谱平台段的放大系数取平均值2.50。(2)中国建筑抗震设计规范规定的下降段形状过于保守,明显高于观测值,美国规范规定的下降段形状偏于危险,有时会低于观测值;建议在Tg~6s的周期范围内,设计反应谱下降段以T-1形式衰减。2、利用571个台阵记录的10516条地表水平向地震动记录,首先,依据震中距、震级、有效峰值加速度以及场地类别对这些数据进行分组,然后,根据各组加速度反应谱的平均特征研究三种场地分类方法(中国、美国建筑抗震设计规范中规定的场地分类方法以及本文在Zhao et al.[113](2015)分类方法基础上进一步将SC I类场地细化为两类(即SC I1和SC I2类)的基于场地基本周期的场地分类方法)及其场地系数。结果表明:(1)基于场地基本周期的场地分类方法的加速度反应谱离散性最小,美国场地分类方法的加速度反应谱离散性次之,中国场地分类方法的加速度反应谱离散性最大。基于基本周期的场地分类方法能够有效降低加速度反应谱观测值的离散性,在0.5~4s的周期范围内,与中国的场地分类方法相比,该方法的动力放大系数标准差下降约20%;与美国的场地分类方法相比,该方法的动力放大系数标准差下降约15%。(2)在计算的场地系数的基础上,提出了上述三种场地分类方法中各场地类别在不同周期段的场地系数(包括规准化加速度反应谱平台段高度比值Fac,加速度反应谱分别在0.2s、1.0s、2.5s处的场地系数Fa、Fv、Fd)的建议值。(二)线性场地反应1、利用FKSH14台阵记录的288组井上和井下水平向弱震动数据,研究场地基本频率和卓越频率之间的关系。结果表明:(1)在同一次地震中,不同水平分量(EW或NS)的卓越频率在大多数情况下对应着不同阶数的固有频率;在不同地震中,同一个水平分量(EW或NS)的卓越频率在大多数情况下也对应着不同阶数的固有频率;故使用场地的卓越频率难以描述场地的固有特性。(2)无论是在同一次地震中的不同水平分量,还是在不同地震中的同一水平分量,其基本频率相差或变化较小,基本一致,故使用场地的基本频率可以客观地描述场地的固有特性。2、利用32个台阵记录的2200余组井上和井下水平向弱震动数据,建立高阶固有频率与基本频率之比与振型阶数之间的经验关系式,相关系数高达0.997。根据场地的基本频率,利用该关系式可以估计场地前17阶甚至可能更高阶数的固有频率。3、利用249个台阵记录的2万余组井上和井下水平向的弱震动数据,比较场地基本周期与不同影响因素之间的相关性,包括土层厚度、土层刚度、近地表沉积物的刚度、以及土层厚度与刚度的组合。结果表明:利用土层的刚度与厚度估计基本周期时,估计值与实际值之间的相关性最高,相关系数不低于0.85;利用土层的厚度估计基本周期时,估计值与实际值之间的相关性较高,相关系数约为0.7;利用近地表沉积物的刚度估计基本周期时,估计值与实际值之间的相关性一般,相关系数约为0.6;利用土层整体的刚度估计基本周期时,估计值与实际值之间的相关性很差,相关系数低于0.2。4、利用上述249个台阵记录的弱震动数据,比较不同场地类别的基本周期分布和放大作用的平均特征。主要研究结果表明:(1)中国规范中的I1类、II类、III类、IV类场地基本周期主要分布范围分别为0.10~0.45,0.18~0.49,0.82~1.38,1.12~2.65s;其基本周期的平均值分别为0.28,0.40,1.06,1.88s;美国规范中的B类、C类、D类、E类场地基本周期主要分布范围分别为0.09~0.20,0.15~0.41,0.35~0.88,0.60~1.76s;其基本周期的平均值分别为0.15,0.33,0.71,1.20s;本研究中的SC I1类、SC I2类、SC III类、SC IV1、SC IV2类场地基本周期的主要分布范围分别为0.09~0.20,0.12~0.24,0.20~0.39,0.34~0.50,0.33~0.66,0.77~1.52s;其基本周期的平均值分别为0.16,0.19,0.30,0.43,0.50,1.20s。随着场地变软,基本周期向长周期方向移动;而且,场地越软,基本周期的离散性越大。(2)中国规范中的I1类、II类、III类、IV类场地的主要放大频带分别为2.98~20,1.55~19.48,0.57~13.15,0.31~10.03 Hz;美国规范中的B类、C类、D类、E类场地的主要放大频带分别为3.37~20,1.91~20,1.00~15.88,0.56~11.98 Hz;本研究中的SC I1类、SC I2类、SC III类、SC IV1、SC IV2类场地的主要放大频带分别为3.03~20,2.51~20,1.63~20,1.25~17.36,1.03~16.04,0.55~13.08Hz。随着场地变软,场地放大作用向低频方向移动。场地越软,对低频分量的放大作用越显著。而且,由于高阶振型被激励,软土场地(中国规范中的Ⅳ类、美国规范中的E类和本研究中的SCⅣ类场地)对中高频带也有一定的放大作用。(三)非线性场地反应1、利用32个台阵记录的3万余组井上和井下水平向地震动数据,首先使用井上井下谱比法估计场地非线性指标APNL值,然后,使用折线模型拟合APNL随PGA的变化规律,以估计非线性场地反应的阈值。结果表明:32个KiK-net台阵的非线性场地反应阈值的差异并不显著,其范围介于19~91 cm/s2,平均值和方差分别为60±19.9 cm/s2。按照中国规范划分场地类别,32个台阵中2个I1类场地、26个II类场地,4个III类场地的平均阈值分别为46,62,59 cm/s2;按照美国规范划分场地类别,32个台阵中4个B类场地、17个C类场地、11个D类场地的平均阈值分别为56,59,66 cm/s2;按照本研究细化的场地分类方法划分场地类别,32个台阵中3个SC I1类场地、7个SC I2类场地、6个SC II类场地、10个SC III类场地、2个SC IV1类场地、4个SC IV2类场地的平均阈值分别为66,58,73,56,49,71 cm/s2。场地类别对非线性场地反应的阈值没有明显的影响,不同场地类别的平均阈值约为50~70 cm/s2。2、利用8个台阵记录的1万余组井上和井下水平向地震动数据,首先,使用井上井下谱比法以及土动力学参数方法分别估计这些场地的基本频率和剪切模量;然后,使用双曲线模型分别拟合基本频率和剪切模量随地震动强度的变化规律,以研究非线性场地反应的程度随PGA的变化规律。结果表明:当PGA低于非线性场地反应阈值时,场地的基本频率与剪切模量不受PGA的影响;当PGA高于非线性场地反应阈值时,场地基本频率和剪切模量的下降幅度均随着PGA的增加而增加:(1)当地震动强度达到100 cm/s2时,场地表现出轻微的非线性,基本频率下降2~12%,剪切模量下降3~11%;(2)当地震动强度达到300 cm/s2时,场地表现出明显的非线性,基本频率下降7~29%,剪切模量下降7~30%;(3)当地震动强度达到600 cm/s2时,场地表现出显著的非线性,基本频率下降13~44%,剪切模量下降15~55%;(4)当地震动强度达到800 cm/s2时,场地表现出强烈的非线性,基本频率下降17~51%,剪切模量下降23~71%。3、利用8个台阵的剪切模量比、PGA随应变变化的拟合结果和Vucetic and Dobry[98]实验室实测的剪切模量比曲线,建立用于估计非线性场地反应阈值和程度的经验关系式。结果表明:(1)通常情况下,场地非线性场地反应的阈值介于20~100cm/s2。非线性场地反应的阈值主要受到场地刚度和塑性指数的影响。对于刚度相同的场地,随着塑性指数的增加,非线性场地反应的阈值增加;对于塑性指数相同的场地,随着刚度的增加,非线性场地反应的阈值增加。当场地刚度增加,而塑性指数减小时,非线性场地反应的阈值可能增加也可能减少,所以硬土场地的非线性场地反应的阈值并不一定高于软土场地,这也是不同场地类别的非线性场地反应阈值之间不存在明显差异的原因。(2)剪切模量下降的幅度(代表非线性场地反应的程度)主要受到地震动强度、场地刚度和塑性指数的影响,对相同刚度和塑性指数的场地,随着地震动强度的增加,剪切模量下降的幅度增加。对于刚度相同的场地,在相同强度的地震动作用下,随着塑性指数的降低,剪切模量下降的幅度增加。对于塑性指数相同的场地,在相同强度的地震动作用下,随着刚度的降低,剪切模量下降的幅度增加。在相同强度的地震动作用下,当场地刚度增加,而塑性指数减小时,非线性场地反应的程度可能增加也可能减少,所以在相同强度地震动作用下硬土场地剪切模量下降的幅度并不一定低于软土场地,这可能导致不同场地类别在相同强度地震动作用下非线性场地反应的程度之间不存在明显差异。4、利用上述8个台阵记录的地震动数据,使用基于短时傅里叶变换和小波变换的时频分析方法研究场地发生非线性反应后的短期快速恢复过程(第一阶段),使用井上井下谱比法和基于解卷积的地震干涉测量法研究场地发生非线性反应后的长期缓慢恢复过程(第二阶段)。结果表明:(1)在2011年东日本大地震中,TCGH16台阵在在剪切波到达之前,场地还未进入非线性阶段,场地基本频率小幅震荡;当剪切波到达后,场地进入非线性阶段,场地基本频率开始快速下降;达到PGA时,基本频率下降到最低值;然后场地的基本频率开始恢复,在PGA之后的100多秒时间内,场地基本频率快速恢复到震前水平的约90%。(2)上述8个台阵在东日本大地震后,大多数台站基本频率和剪切波速都表现出了长期缓慢恢复过程;并且在东日本大地震的1200天之后,部分台阵的基本频率和剪切波速均依然低于震前水平。这一方面可能是因为长期缓慢恢复过程还未结束,场地的基本频率和剪切波速将继续恢复直到震前水平为止;另一方面也可能是因为主震对场地土层造成了永久性的破坏,场地的基本频率和剪切波速不再会恢复到震前水平。