Comparison of different site classification methods based on statistical analysis of strong ground motion records
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摘要: 以特定深度范围内岩土层等效剪切波速作为控制参数的单指标场地分类及以特定深度内土层等效剪切波速和覆盖土层厚度作为控制参数的双指标场地分类是国际上的两大类场地分类方法，两类方法的适用性和合理性一直是工程界所关注和讨论的问题。工程场地分类的基本用途是合理地考虑场地条件对地震动影响以确定建设工程的设计地震动参数，同一分类场地中强震动记录频谱特性的一致性程度是说明场地分类方法合理性的最有效标准。利用日本KiK-net观测台网的强震动记录和台站钻孔资料进行统计分析，探讨了已有的多个场地分类方法的差异和优劣。首先采用中国、美国和日本等国家规范中及近年来提出的几种新的场地分类方法分别进行台站场地类别划分和强震动记录分组，而后针对不同分类方法中同类场地台站的地表地震动加速度记录进行加速度反应谱（包括峰值加速度）与震级和震中距关系的统计分析，并通过加速度反应谱统计残差分析，探讨了不同场地分类方法中同类场地台站强震动记录加速度反应谱的一致性和聚类性。研究结果表明：在所研究的场地分类方法中，土层等效剪切波速和覆盖土层厚度为控制参数的双指标的中国抗震规范场地分类方法为最优方法。Abstract: The one-index site classification based on the equivalent shear wave velocity of rock and soil layers within a specified depth as the control parameter, and the two-index site classification based on the equivalent shear wave velocity of soil layers within a specified depth and the thickness of overlying soil layers as the control parameters, are the two major categories of site classification methods. The applicability and rationality of the two categories of methods have consistently been focal points of attention and discussion within the engineering community. The primary purpose of engineering site classification is to judiciously consider the site effects on strong motion to determine the seismic design ground motion parameters for construction projects. The degree of consistency in the spectral characteristics of strong motion records within the same classified site stands out as the most effective criterion for elucidating the rationality of the site classification methods. Utilizing strong motion records from the Japanese strong-motion seismograph network KiK-net and related site borehole data of the observation stations, the statistical analysis was conducted to delve into the distinctions and merits of the existing site classification methods. Initially, the site classification of the observation stations was carried out using the site classification methods including the specified in seismic design codes from countries such as China, the United States, and Japan, and several recently proposed ones, and then the collected strong motion records are grouped accordingly. Subsequently, statistical analyses of acceleration response spectra, including the peak acceleration, were performed for ground motion acceleration records from the observation stations with the same site class specially for different site classification methods. The study also scrutinized the consistency and clustering property of acceleration response spectra for strong motion records from the observation stations with the same site class across various site classification methods through the statistical residual analysis. The research findings reveal that, among the site classification methods studied, the site classification method of the Chinese seismic design code, a two-index site classification method based on the equivalent shear wave velocity of soil layers and the thickness of the overlying soil layers as the control parameters, is deemed as the optimal method.
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0. 引言
大量地震灾害现象调查和强震动观测资料表明，场地条件对地震动强度和地震灾害程度与分布有重要影响[1]，场地土层对地震动影响的合理考虑对工程结构的抗震设计和安全性评估等相关工作有重要意义。进行场地类别划分并对设计地震动参数的场地影响调整是抗震设计规范考虑场地条件对地震动影响常用的方法。实际上，建设工程场地土层及波速的变化十分复杂[2-3]，因此如何合理地进行场地类别划分成为人们关注的问题，对此学者们开展了大量研究[4-5]。目前，各国抗震设计规范采用的场地类别划分标准不统一，这引起了人们对不同的场地分类方法优劣的关注和争议。中国GB5011—2010《建筑抗震设计规范》[6]采用的是以覆盖层厚度H和一定深度（20 m）范围内土层的等效剪切波速值VSe为控制参数的双指标方法。美国NEHRP[7]采用的是以一定深度（30 m）范围内岩土层的等效剪切波速VS30为控制参数的单指标方法。日本规范BSLJ[8]则采用了场地基本周期TC为指标的方法。Zhao等[9-10]通过日本KiK-net台网的地表H/V反应谱比的统计分析对日本抗震规范方法进行了改进。日本的这些方法实质上采用的是以剪切波速小于一定值的岩土层的厚度和等效剪切波速作为控制参数的双指标方法。陈国兴等[11]依据北京、苏州和唐山地区的钻孔资料结合国内外现行规范方法提出了基于深度20 m范围内土层的等效剪切波速VSe和覆盖土层厚度H的双指标场地分类方法及基于VSe，H和场地基本周期TS的三指标场地分类方法。Xie等[12]基于中国、日本和美国的一些工程场地的剪切波速剖面数据分析了VSe和VS30在中国场地分类中的表现，并提出了在土层厚度未知的情况下采用VS30为指标的对应中国抗震规范4类场地的分类方法。
中国强震动观测台站分布极为不均匀且已有的强震动观测记录数量相对较少，缺乏足够的强震动记录用来研究不同场地分类方法的差异，而日本已获得了空间密集观测的丰富的强震动观测记录。因此，本文利用日本的强震动记录数据和观测台站场地资料开展相关研究。利用日本KiK-net观测台网的强震动记录和观测台站场地的钻孔资料，对比分析在国际上具有代表性的中国、美国和日本相关规范的场地分类方法和近年来提出的一些新的场地分类方法，探究这些场地分类方法之间的差异，并评估它们之间的优劣，从而为中国规范的场地分类方法的完善提供技术思路和途径。
1. 典型的场地分类方法
1.1 中国规范的场地分类方法
GB5011—2010《建筑抗震设计规范》[6]是中国场地分类方法的代表（下文简称中国规范方法），该方法以覆盖土层厚度H（剪切波速小于等于500 m/s的土层厚度）和20 m深度（当H < 20 m时为H深度）范围内土层的等效剪切波速VSe为指标，将场地类别分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类，且Ⅰ类场地又根据岩土的剪切波速细分为Ⅰ0，Ⅰ1两个亚类，具体分类方案见表 1。
表 1 中国规范的场地分类方案Table 1. Site classification scheme in Chinese code覆盖层厚度H/m VSe或VS30/(m·s-1) VSe≤150 250≥VSe > 150 250≥VSe > 150 800≥VS > 500 VS > 800 H=0 — — — Ⅰ1 Ⅰ0 0≤H < 3 Ⅰ1 Ⅰ1 Ⅰ1 3≤H < 5 Ⅱ Ⅱ Ⅰ1 5≤H < 15 Ⅱ Ⅱ Ⅱ — 15≤H < 50 Ⅲ Ⅱ Ⅱ — 50≤H < 80 Ⅲ Ⅲ Ⅱ — H≥80 Ⅳ Ⅲ Ⅱ — 1.2 美国规范的场地分类方法
美国的国家地震减灾计划NEHRP (national earthquake hazards reduction program)[7]给出了以地下30 m范围内岩土层平均剪切波速VS30为指标的场地划分方案（下文简称美国规范方法），将场地划分为A，B，C，D，E，F类，其中F类为特殊场地，需要结合场地的其他参数确定，具体分类方案见表 2。
表 2 美国规范的场地分类方案Table 2. Site classification scheme in USA场地类别 描述 VS30/(m·s-1) A 坚硬岩石 VS30 > 1500 B 岩石 1500≥VS30 > 760 C 软岩石或致密的土 760≥VS30 > 360 D 硬土 360≥VS30 > 180 E 软土 VS30≤180 F 需要专门评估的场地 — 美国规范的平均剪切波速VS30计算公式为
VS30=30/n∑i=1diVsi。 (1) 式中：di为第i岩层土层厚度；Vsi为第i岩土层的剪切波速；i为地下30 m范围内的岩层和土层数量。
1.3 日本规范的场地分类方法
选用的日本规范场地分类方法为Zhao等[10]提出的基于场地基本周期T的场地分类方法（简称日本规范方法），并提供了场地基本周期T范围与VS30范围的对应关系，具体分类方案见表 3。
表 3 日本规范的场地分类方案Table 3. Site classification scheme in Japan场地类别 描述 场地基本周期T/s VS30/(m·s-1) 硬岩 — VS30 > 1100 SCⅠ 岩石 T < 0.2 VS30 > 600 SCⅡ 硬土 0.2≤T < 0.4 300 < VS30≤600 SCⅢ 中硬土 0.4≤T < 0.6 200 < VS30≤300 SCⅣ 软土 T≥0.6 VS30≤200 SCⅣ1 0.6≤T < 1.0 120 < VS30≤200 SCⅣ2 T≥1.0 VS30≤120 场地基本周期T的计算公式为
T=4HV 。 (2) 式中：H为剪切波速小于760 m/s的场地岩土层厚度；V为对应岩土层的等效剪切波速。
1.4 几种其他场地分类方法
（1）陈国兴等的场地分类方法
陈国兴等[11]基于中国场地分类方法的框架提出了两种新的场地分类方法：①基于30 m深度（当H < 30 m时为H深度）范围内土层的等效剪切波速VSe和覆盖土层厚度H的双指标场地分类方法（简称陈国兴法(a)），具体分类方案见表 4；②基于30 m深度（当H < 30 m时为H深度）范围内土层的等效剪切波速VSe、覆盖土层厚度H和场地基本周期TS的三指标场地分类方法（简称陈国兴法(b)），具体分类方案见表 5。
表 4 陈国兴法(a)的场地分类方案Table 4. Site classification scheme proposed by Chen(a)VS或VSe 场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 特殊土类 VS > 800 800≥VS > 500 500≥VSe > 275 H < 5 H≥5 275≥VSe > 170 H < 50 H≥50 VSe≤170 H < 80 H≥80 VSe≤120 H≥10 表 5 陈国兴法(b)的场地分类方案Table 5. Site classification scheme proposed by Chen(b)场地类别 土层VSe或岩石VS/(m·s-1) 土层厚度H / m 场地基本周期TS/s Ⅰ0 VS > 800 — Ⅰ1 800≥VS > 500 — 0.2≥TS≥0.1 Ⅰ1 500≥VSe > 275 < 5 Ⅱ 500≥VSe > 275 ≥5 0.4≥TS≥0.2 Ⅱ 275≥VSe > 170 < 50 Ⅲ 275≥VSe > 170 ≥50 0.9≥TS≥0.4 Ⅲ VSe≤170 < 80 Ⅳ VSe≤170 ≥80 1.4≥TS≥0.9 特殊土类 VSe≤120 ≥10 TS > 1.4 注：①VSe的计算深度取覆盖土层厚度和30 m两者的较小值；②H < 3 m的场地，如土层不作为持力层，则场地划入Ⅰ1类。 （2）谢俊举等的场地分类方法
Xie等[12]提出了基于VS30的单一指标的场地分类方法（简称谢俊举法），具体分类方案见表 6。这一方法采用中国规范方法的4类划分，但分类条件是类似美国规范方法不考虑覆盖土层厚度。
表 6 谢俊举法的场地分类方案Table 6. Site classification scheme proposed by Xie场地类别 描述 VS30/(m·s-1) Ⅰ0 岩石 VS30 > 1140 Ⅰ1 坚硬土 1140≥VS30 > 640 Ⅱ 中硬土 640≥VS30 > 260 Ⅲ 中软土 260≥VS30 > 170 Ⅳ 软弱土 VS30≤170 2. 强震动观测数据集
选用日本KiK-net中具有完整钻孔资料的646个观测台站，收集了这些台站从1997年10月8日—2017年12月31日的观测资料[13]，通过筛选选取了25275组强震动记录，其中每组强震动记录包含场地地表地震动的两个水平分量（EW，NS）加速度时程，共计50550条加速度时程。图 1给出筛选后的强震动记录的震级、震中距和峰值加速度的对应分布。
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图 1 强震动记录的震级、震中距和峰值加速度分布Figure 1. Magnitude and epicentral distance along with peak ground acceleration (PGA) of strong motion records采用的强震动记录筛选原则：①矩震级介于5.0~8.0；②震中距为0~200 km；③水平向峰值加速度大于5 gal。
对强震动加速度记录进行基线校正并根据下式分别计算强震动记录的加速度反应谱值：
Sa=√S2aEW+S2aNS2 。 (3) 这里采用强震动记录两个正交的水平向（EW，NS）反应谱的几何平均值。
3. 观测台站场地类别划分
对选取的646个观测台站，依据以上各种场地分类方法分别进行台站的场地分类，场地划分结果如图 2和表 7。图 3给出了6种场地分类方案确定的不同类别场地台站数量分布。
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图 2 按照中、美、日规范方法、陈国兴法和谢俊举法的各类场地台站数量Figure 2. Number of stations associated with different site classes defined by seismic codes of China, USA, Japan, and Chen and Xie表 7 各类场地的台站数Table 7. Numbers of stations associated with different site classes场地类型 数量 百分比/% 中国规范 Ⅰ0 7 1.08 Ⅰ1 98 15.17 Ⅱ 497 76.78 Ⅲ 34 5.42 Ⅳ 10 1.55 美国规范 A 3 0.46 B 77 11.92 C 375 58.05 D 177 27.40 E 14 2.17 日本规范 SCⅠ 247 38.24 SCⅡ 165 25.54 SCⅢ 67 10.37 SCⅣ1 83 12.85 SCⅣ2 84 13.00 陈国兴法(a) Ⅰ0 7 1.08 Ⅰ1 52 8.05 Ⅱ 471 73.07 Ⅲ 105 16.10 Ⅳ 6 1.08 特殊土 5 0.62 陈国兴法(b) Ⅰ0 8 1.23 Ⅰ1 47 7.28 Ⅱ 237 36.69 Ⅲ 292 45.20 Ⅳ 58 89.78 特殊土 4 0.62 谢俊举法 Ⅰ0 11 1.70 Ⅰ1 124 19.20 Ⅱ 440 68.11 Ⅲ 57 8.82 Ⅳ 14 2.17 ![]()
图 3 基于中、美、日规范方法的场地分类比较Figure 3. Comparison of site classes defined by seismic codes of China, USA, Japan for assembled profiles表 8展示了各种场地分类方法中每一场地类别分布在中国规范方法不同场地类别中的概率。
表 8 中国规范方法与其他方法的场地分类对应关系Table 8. Relation between site classes in Chinese code method and in other methods单位: % 日本 中国场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ SCⅠ 2.8 30.4 66.8 SCⅡ 5.5 94.5 SCⅢ 11.9 88.1 SCⅣ1 85.6 7.2 7.2 SCⅣ2 54.8 33.3 11.9 美国 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ A 66.7 33.3 B 6.5 66.2 27.3 C 11.7 88.3 D 1.1 81.4 16.9 0.6 E 7.1 28.6 64.3 陈国兴法(a) Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ0 100 Ⅰ1 100 Ⅱ 5.52 93.63 0.85 Ⅲ 19.05 51.43 28.57 0.95 Ⅳ 100 特殊土 40 60 陈国兴法(b) Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ0 50 50 Ⅰ1 6.4 93.6 Ⅱ 20.2 79.8 Ⅲ 0.7 92.5 6.5 0.3 Ⅳ 65.5 25.9 8.6 特殊土 100 谢俊举法 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ0 45.5 54.5 Ⅰ1 1.6 52.4 46.0 Ⅱ 5.9 92.7 1.4 Ⅲ 1.75 54.4 42.1 1.75 Ⅳ 7.1 28.6 64.3 美国 日本场地类别 SCⅠ SCⅡ SCⅢ SCⅣ1 SCⅣ2 A 100 B 100 C 44.5 34.1 8.1 9.3 4 D 20.9 20.9 27.1 31.1 E 100 日本的SCⅠ类场地分布在中国规范的Ⅰ0，Ⅰ1和Ⅱ类中，主要为Ⅱ类（66.8%）；SCⅡ类分布在Ⅰ1和Ⅱ类中，主要为Ⅱ类（94.5%）；SCⅢ类分布在Ⅰ1和Ⅱ类中，主要为Ⅱ类（88.1%）；SCⅣ1类分布广泛，在Ⅱ，Ⅲ和Ⅵ类中，主要为Ⅱ类（85.6%）；SCⅣ2类分布也广泛，在Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ类中，主要为Ⅱ类（54.8%）、Ⅲ类（33.3%）。另一方面，中国规范方法的Ⅱ类在日本规范的所有5类中均有分布。这些说明，中国规范方法与日本规范方法的分类结果差异很大。美国的A类场地分布在中国规范的Ⅰ0和Ⅰ1类中，主要为Ⅰ0类（67.7%）；B类分布在Ⅰ0，Ⅰ1和Ⅱ类中，主要为Ⅰ1类（66.2%）；C类分布在Ⅱ和Ⅲ类中，主要为Ⅱ类（88.3%）；D类分布广泛，在Ⅰ1，Ⅱ，Ⅲ和Ⅵ类中，主要为Ⅱ类（81.4%）；E类分布在Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ类中，主要为Ⅱ类（64.3%）。这些说明，中国规范方法与美国规范方法的分类结果同样差异很大。美国的A类和B类场地均分布在日本规范的SCⅠ类中，E类分布在SCⅣ2类中；C类在日本规范的所有5类中均有分布，主要为SCⅠ类（44.5%）和SCⅡ类（34.1%）；D类分布在除SCⅠ类以外的4类中，而且差不多等概率分布。这些说明，日本规范方法与美国规范方法的分类结果差异极大，陈国兴法和谢俊举法的场地分类结果与中国规范方法的也存在较大的差异。
4. 不同分类场地强震动记录统计分析
4.1 地震动衰减关系
地震动衰减关系用于描述地震动的空间分布规律，一般要考虑震源、传播路径和场地条件等影响因素。为了研究场地条件的影响，将按前文确定的不同场地类别分别探讨每一类别场地条件下的地震动衰减特征，并进行不同场地分类方案结果的对比分析。采用我国现行地震动参数区划图[14]编图使用的衰减关系分段线性模型：
lgY(M,R)={A1+B1M−Clg(R+DeEM) (M≤6.5)，A2+B2M−Clg(R+DeEM) (M≥6.5)。 (4) 式中：Y(M, R)为加速度反应谱值（含峰值加速度）；M为地震震级；R为震中距；A1，A2，B1，B2，C，D，E为回归得到的系数；lg为以10为底的对数。该衰减关系采用近场饱和因子与分段线性的震级项体现震源和传播路径的影响。采用分步回归方法[15]对地震动衰减关系进行统计分析。分步回归方法的步骤如下：
（1）选择距离分布较广但震级不同的多组地震动记录，利用最小二乘法确定近场饱和因子DeEM。
（2）找出每次地震未触发记录的最近台站的震中距，剔除震中距超过该距离的其他记录，从而保证整体采样的正态分布，最终选择距离分布较为合理但震级不同的地震动记录，对每次地震的记录数据单独进行回归，利用最小二乘法确定并取所有值的算术平均得到距离衰减项参数C。
（3）利用虚拟变量，对所有数据进行回归，求各震级项Ai。
lgYij=N∑i=1AiEij−Clg(R+DeEM)。 (5) 式中：i为第i次地震，j为第j条记录，当第j条记录属于第i次地震，Eij=1，否则Eij=0。
（4）采用分段线性函数对Ai进行回归拟合，即
Ai={ai+biMi（M≤6.5），ai+biMi（M≥6.5）。 (6) 为了考虑场地条件的影响，假定不同场地分类中地震动参数随震级、震中距的变化关系形式相同但系数不同。在进行回归拟合之前，对所选强震动记录按台站场地分类进行分组，分组记录数如表 9所示。对同一类场地台站所涵盖的强震动记录分别进行统计，即基于不同类场地上的强震动记录资料，统计确定不同类场地的衰减关系系数，包括105个周期点的系数，最终得到了前文选择的6个场地分类方案的24个分类场地的地震动反应谱衰减关系，为便于工程应用这里计算阻尼比值取工程中常用的0.05。
表 9 不同场地分类方法的各类场地记录数量Table 9. Number of records of various sites for different site classification methods场地分类方案 场地类别 《建筑抗震设计规范》(GB5011—2010) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 3105 17676 1921 410 美国规范(NEHRP) B C D E 2592 11960 7982 568 Zhao等[10] SCⅠ SCⅡ SCⅢ SCⅣ 8588 4703 2580 7242 陈国兴法(a) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 1296 16557 4662 390 陈国兴法(b) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 2111 7469 10076 3354 谢俊举法 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 4069 15400 3076 568 4.2 不同类场地的加速度反应谱衰减特性分析
场地效应对地震动的影响体现在对峰值加速度和反应谱形状的影响，其实质是不同场地条件对地震波传播的影响，导致场地地震动强度和频谱特性的改变。根据上文统计得到的地震动衰减关系，可以计算给出不同场地分类方案中每一类别场地的地震动加速度反应谱（不同震级和震中距情况下）。
图 4所示为震级分别4.5，5.5，6.5，7.5，震中距分别10，50，100 km处不同类场地加速度反应谱衰减关系的计算反应谱曲线（阻尼比0.05）。总体来说，每一种场地分类方案中不同类场地的地震动加速度反应谱的区分度明显，能够体现场地条件的差异对地震动影响的差异性；场地分类由基岩场地至软弱场地，地震动反应谱主要频段变宽，且随周期值增加反应谱达到最大值后下降速度会加快。另外，还可以看到，除日本规范方法外，大震级（大于6.5）情况下不同类场地的计算反应谱曲线在长周期段（接近10 s）趋于重合。这说明局部场地条件对地震动长周期成分影响相对较小，对超长周期（大于10 s）的影响趋于可忽略，中国和美国规范方法的结果尤为明显。这一现象与局部场地条件对地震动影响的理论和数值模拟分析的定性结论是吻合的[2, 16-17]。而与之不同，日本规范方法的结果仍表现出场地条件对长周期地震动有显著影响。
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图 4 不同场地分类方案的衰减关系计算加速度反应谱曲线(阻尼比0.05)Figure 4. Acceleration response curves for calculation of attenuation relationship of different site classification methods (damping ratio 0.05)采用强震动记录值与衰减关系计算值之间的总残差Res来反映每一类场地中统计地震动衰减关系对强震动记录的拟合状况：
Res=lg(Yobs−Ypre)。 (7) 式中：Yobs为强震动记录的加速度反应谱观测值；Ypre为对应分类场地的衰减关系系数表根据式（4）计算得到的加速度反应谱计算值，量纲为gal。
图 5展示了不同场地分类方案的加速度反应谱衰减关系计算值相对于强震动记录值的残差的均值与方差。残差的均值和方差越小说明同一场地类的地震动记录反应谱的一致性程度越高，再结合前文得到的不同类场地地震动衰减均值曲线有显著差异的结果，则同一分类场地地震动记录反应谱的聚类性越好，也表明该场地分类越合适。总体来看，本文研究的6种场地分类方法中，中国规范方法的残差的均值几乎为0，方差最小且稳定在0.1以内，说明中国规范方法的每一类场地内地震动的一致性程度很高。其余5种场地分类方法（美国规范方法、日本规范方法、陈国兴法(a)、陈国兴法(b)和谢俊举法）的残差的均值在中长周期段存在波动且方差值较大；在短周期段（T < 0.1 s）不同场地分类方案结果的残差的均值均接近于0，方差值稳定在0.25左右，差异性不大；在中周期段（0.1 s < T < 1 s），残差的方差值有所增加，其中日本规范方法的残差的方差值较大，高达0.4；在长周期段(T > 1 s)，随周期值增大残差的方差值逐渐增大，最高达0.6，但其中日本规范方法的残差的方差值较稳定，保持在0.3之内。相对而言，日本规范方法的每一类场地内地震动的一致性较其他4种方法的要好。
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图 5 不同场地分类方案总残差的均值与方差Figure 5. Total residuals and variance of spectral acceleration curves given by different site classification schemes以上分析表明，中国规范方法的每一类场地中强震动加速度反应谱的一致性程度最好，其次是日本规范方法的。从强震动记录统计分析的一致性程度来看，以中国规范的场地分类来表征不同场地条件对地震动的影响最为合适，其次是日本规范方法的场地分类。这也说明采用覆盖土层厚度和一定深度范围内土层的等效剪切波速值作为控制参数的双指标的方法为较优方法，特别是中国规范方法。
5. 结论
场地分类是工程抗震设计中设计地震动参数确定的基础工作，不同场地上工程的抗震设计地震动参数的确定合理性在一定程度上决定了工程结构的地震安全性。本文针对中、美、日等国家的规范方法以及近年来提出的几种新方法等不同的场地分类方法，利用日本KiK-net观测的强震动记录，通过对强震动记录加速度反应谱的统计分析，展示了不同场地分类方法下各类场地内强震动记录反应谱的一致性程度，说明了不同场地分类方法的优劣。
（1）通过对强震动观测台站场地分类，进行分类场地台站的强震动记录的峰值加速度和加速度反应谱的统计分析，得到了分类场地的地震动加速度反应谱衰减关系，利用衰减关系计算给出的不同类场地的地震动加速度反应谱的区分度明显，能够体现不同分类场地之间地震动的差异性。
（2）较软弱场地的地震动反应谱主要频段范围比较坚硬场地的要宽，且随周期值增加较软弱场地的地震动反应谱下降段的下降速度更快。不同类场地的计算反应谱曲线在长周期段（如大于10 s）趋于重合，局部场地条件对地震动长周期成分影响相对较小，对超长周期（如大于10 s）的影响趋于可忽略。
（3）通过统计得到的不同类场地的地震动衰减关系，计算给出了强震动记录值与衰减关系计算值之间的残差值，分析反应谱残差值随周期变化的程度与特征表明：中国规范方法的每一类场地中强震动反应谱的一致性程度最高，其次是日本规范方法的。
（4）从强震动记录统计分析的一致性程度来看，以中国规范方法的场地分类来表征不同场地条件对地震动的影响最为合适，其次是日本规范方法的场地分类。研究表明采用覆盖土层厚度和一定深度范围内土层的等效剪切波速值作为控制参数的双指标方法为较优方法，特别是中国规范的场地分类方法。
本文采用的地震动数据是日本地区的强震动观测记录，具有地域性特征；另一方面，利用地震动衰减关系统计来分析局部场地条件的影响，可能会带入区域地震震源特性、地震动衰减特性与局部场地条件影响的耦合效应，导致对局部场地条件影响认识的偏差。
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图 1 强震动记录的震级、震中距和峰值加速度分布
Figure 1. Magnitude and epicentral distance along with peak ground acceleration (PGA) of strong motion records
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图 2 按照中、美、日规范方法、陈国兴法和谢俊举法的各类场地台站数量
Figure 2. Number of stations associated with different site classes defined by seismic codes of China, USA, Japan, and Chen and Xie
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图 3 基于中、美、日规范方法的场地分类比较
Figure 3. Comparison of site classes defined by seismic codes of China, USA, Japan for assembled profiles
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图 4 不同场地分类方案的衰减关系计算加速度反应谱曲线(阻尼比0.05)
Figure 4. Acceleration response curves for calculation of attenuation relationship of different site classification methods (damping ratio 0.05)
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图 5 不同场地分类方案总残差的均值与方差
Figure 5. Total residuals and variance of spectral acceleration curves given by different site classification schemes
表 1 中国规范的场地分类方案
Table 1 Site classification scheme in Chinese code
覆盖层厚度H/m VSe或VS30/(m·s-1) VSe≤150 250≥VSe > 150 250≥VSe > 150 800≥VS > 500 VS > 800 H=0 — — — Ⅰ1 Ⅰ0 0≤H < 3 Ⅰ1 Ⅰ1 Ⅰ1 3≤H < 5 Ⅱ Ⅱ Ⅰ1 5≤H < 15 Ⅱ Ⅱ Ⅱ — 15≤H < 50 Ⅲ Ⅱ Ⅱ — 50≤H < 80 Ⅲ Ⅲ Ⅱ — H≥80 Ⅳ Ⅲ Ⅱ — 
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表 2 美国规范的场地分类方案
Table 2 Site classification scheme in USA
场地类别 描述 VS30/(m·s-1) A 坚硬岩石 VS30 > 1500 B 岩石 1500≥VS30 > 760 C 软岩石或致密的土 760≥VS30 > 360 D 硬土 360≥VS30 > 180 E 软土 VS30≤180 F 需要专门评估的场地 —
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表 3 日本规范的场地分类方案
Table 3 Site classification scheme in Japan
场地类别 描述 场地基本周期T/s VS30/(m·s-1) 硬岩 — VS30 > 1100 SCⅠ 岩石 T < 0.2 VS30 > 600 SCⅡ 硬土 0.2≤T < 0.4 300 < VS30≤600 SCⅢ 中硬土 0.4≤T < 0.6 200 < VS30≤300 SCⅣ 软土 T≥0.6 VS30≤200 SCⅣ1 0.6≤T < 1.0 120 < VS30≤200 SCⅣ2 T≥1.0 VS30≤120
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表 4 陈国兴法(a)的场地分类方案
Table 4 Site classification scheme proposed by Chen(a)
VS或VSe 场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 特殊土类 VS > 800 800≥VS > 500 500≥VSe > 275 H < 5 H≥5 275≥VSe > 170 H < 50 H≥50 VSe≤170 H < 80 H≥80 VSe≤120 H≥10
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表 5 陈国兴法(b)的场地分类方案
Table 5 Site classification scheme proposed by Chen(b)
场地类别 土层VSe或岩石VS/(m·s-1) 土层厚度H / m 场地基本周期TS/s Ⅰ0 VS > 800 — Ⅰ1 800≥VS > 500 — 0.2≥TS≥0.1 Ⅰ1 500≥VSe > 275 < 5 Ⅱ 500≥VSe > 275 ≥5 0.4≥TS≥0.2 Ⅱ 275≥VSe > 170 < 50 Ⅲ 275≥VSe > 170 ≥50 0.9≥TS≥0.4 Ⅲ VSe≤170 < 80 Ⅳ VSe≤170 ≥80 1.4≥TS≥0.9 特殊土类 VSe≤120 ≥10 TS > 1.4 注：①VSe的计算深度取覆盖土层厚度和30 m两者的较小值；②H < 3 m的场地，如土层不作为持力层，则场地划入Ⅰ1类。
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表 6 谢俊举法的场地分类方案
Table 6 Site classification scheme proposed by Xie
场地类别 描述 VS30/(m·s-1) Ⅰ0 岩石 VS30 > 1140 Ⅰ1 坚硬土 1140≥VS30 > 640 Ⅱ 中硬土 640≥VS30 > 260 Ⅲ 中软土 260≥VS30 > 170 Ⅳ 软弱土 VS30≤170
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表 7 各类场地的台站数
Table 7 Numbers of stations associated with different site classes
场地类型 数量 百分比/% 中国规范 Ⅰ0 7 1.08 Ⅰ1 98 15.17 Ⅱ 497 76.78 Ⅲ 34 5.42 Ⅳ 10 1.55 美国规范 A 3 0.46 B 77 11.92 C 375 58.05 D 177 27.40 E 14 2.17 日本规范 SCⅠ 247 38.24 SCⅡ 165 25.54 SCⅢ 67 10.37 SCⅣ1 83 12.85 SCⅣ2 84 13.00 陈国兴法(a) Ⅰ0 7 1.08 Ⅰ1 52 8.05 Ⅱ 471 73.07 Ⅲ 105 16.10 Ⅳ 6 1.08 特殊土 5 0.62 陈国兴法(b) Ⅰ0 8 1.23 Ⅰ1 47 7.28 Ⅱ 237 36.69 Ⅲ 292 45.20 Ⅳ 58 89.78 特殊土 4 0.62 谢俊举法 Ⅰ0 11 1.70 Ⅰ1 124 19.20 Ⅱ 440 68.11 Ⅲ 57 8.82 Ⅳ 14 2.17
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表 8 中国规范方法与其他方法的场地分类对应关系
Table 8 Relation between site classes in Chinese code method and in other methods
单位: % 日本 中国场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ SCⅠ 2.8 30.4 66.8 SCⅡ 5.5 94.5 SCⅢ 11.9 88.1 SCⅣ1 85.6 7.2 7.2 SCⅣ2 54.8 33.3 11.9 美国 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ A 66.7 33.3 B 6.5 66.2 27.3 C 11.7 88.3 D 1.1 81.4 16.9 0.6 E 7.1 28.6 64.3 陈国兴法(a) Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ0 100 Ⅰ1 100 Ⅱ 5.52 93.63 0.85 Ⅲ 19.05 51.43 28.57 0.95 Ⅳ 100 特殊土 40 60 陈国兴法(b) Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ0 50 50 Ⅰ1 6.4 93.6 Ⅱ 20.2 79.8 Ⅲ 0.7 92.5 6.5 0.3 Ⅳ 65.5 25.9 8.6 特殊土 100 谢俊举法 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ0 45.5 54.5 Ⅰ1 1.6 52.4 46.0 Ⅱ 5.9 92.7 1.4 Ⅲ 1.75 54.4 42.1 1.75 Ⅳ 7.1 28.6 64.3 美国 日本场地类别 SCⅠ SCⅡ SCⅢ SCⅣ1 SCⅣ2 A 100 B 100 C 44.5 34.1 8.1 9.3 4 D 20.9 20.9 27.1 31.1 E 100
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表 9 不同场地分类方法的各类场地记录数量
Table 9 Number of records of various sites for different site classification methods
场地分类方案 场地类别 《建筑抗震设计规范》(GB5011—2010) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 3105 17676 1921 410 美国规范(NEHRP) B C D E 2592 11960 7982 568 Zhao等[10] SCⅠ SCⅡ SCⅢ SCⅣ 8588 4703 2580 7242 陈国兴法(a) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 1296 16557 4662 390 陈国兴法(b) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 2111 7469 10076 3354 谢俊举法 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 4069 15400 3076 568
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