强震动观测记录是地震学和地震工程应用的基础，可用于确定抗震设计参数、建立地震动衰减模型、确定结构抗震设计地震动输入，已成为地震预警台网的重要组成部分，为震源破裂过程、震源机制解、烈度速报等研究提供数据支撑。因此，强震动台站选址及场地环境测试对于提高强震动记录的质量、更好地发挥强震动记录的作用具有重要现实意义。本文以国家地震烈度速报与预警工程湖北子项目中强震动台站的建设为例，介绍土层测试、等效剪切波速、地脉动等背景测试方法，并结合钻孔资料和剪切波速确定区域场地类型。

1 湖北地震预警台网强震动台站概况及场地条件

2019年湖北省地震局启动国家地震烈度速报与预警工程台网的建设工作，包括台站观测系统、通信网络系统、数据处理系统、紧急地震信息服务系统、技术支持与保障系统等平台的建设，成立1个省级预警中心和10个市级地震部门紧急信息服务终端。其中台站观测系统的建设内容是改造28个基准站、新建53个基本站和53个一般站，该系统建成后湖北省将具备预警破坏性地震的能力。

新建基本站需经过详细的台址场地勘选，满足项目设计要求。新建台站可极大丰富湖北地区的近场记录资料，但要更好地应用强震动观测数据，就必须对台址场地条件进行地脉动测试与研究。台址场地条件(特别是土层结构)对地震波运动具有较大影响，为准确测定地震动强度，必须准确掌握该场地的土层结构，从而为灾害评估提供科学的分析资料。

2 湖北地震预警台网强震动台站环境测试方法 2.1 工程勘察及土层测试

按照DB/T 17-2018《地震台站建设规范——强震动台站》工程地质测试技术要求^[1]，在台站场地上布设1个波速测试钻孔。对于覆盖土层厚度大于50 m的场地，钻孔深度应在此50 m的基础上至少增加30 m或到达基岩；对于覆盖土层厚度小于50 m的场地，钻孔深度应到达基岩。对地下0~20 m的每一典型砂土及粉土层进行标准贯入度测试，获取每一典型自然土层的土动力实验原状土样，确定土层属性，结果见表 1。

2.2 物探剪切波速测试

本次剪切波速测试所采用的仪器为ZD16孔中激振式波速测试仪。该仪器是一套三通道高分辨率、数字化的波速测试仪器，具有现场实时计算、显示实测波形和测试结果等特点。

土层等效剪切波速计算公式如下^[2]：

$ V_{se}=\frac{d_0}{t} $

(1)

$ t=\sum\limits_1^n\left(\frac{d_i}{v_{s i}}\right) $

(2)

式中，d_i为第i层土层厚度，V_se为土层剪切波速度，v_si为第i层土层剪切波速度，d₀为覆盖层厚度和固定值20 m之中的较小值，t为剪切波在地面与计算深度之间的传播时间，n为覆盖土层数。计算结果见表 1。

根据剪切波速测试结果，可确定场地的卓越周期。子层周期求和计算公式如下^[3]：

$ T_v=\sum\limits_{i=1}^n \frac{4 h_i}{v_{s i}} $

(3)

式中，h_i为第i层土层厚度，T_v为所求卓越周期，n为土层数。

卓越频率计算公式如下：

$ f=\frac{1}{T_v} $

(4)

式中，f为卓越频率，T_v为卓越周期。

通过剪切波速计算得到卓越频率，本文定义为速度卓越频率，计算结果见表 1。

2.3 地脉动测试及数据处理

地脉动测量仪器为美国凯尼公司生产的ETNA型强震仪，带宽DC~200 Hz、动态范围≥155 dB。测试时间为24 h，包含人为干扰较多的白天和人为干扰较少的深夜2个时间段。

首先使用Viewwave软件读取地震记录数据。由于场地自振频率一般为0.5~20 Hz，为了使频谱更加清晰，将Low-cut frequency(Hz)设置为0.5、High-cut frequency(Hz)设置为20进行滤波处理。然后计算功率谱，读取傅里叶谱最大幅值以及傅里叶谱比曲线中谱比最大值所对应的频率值，即卓越频率。最后依次计算24 h内三通道的卓越频率，求取平均值^[4]。本文定义直接通过测试计算出的卓越频率为实测卓越频率，计算结果见表 1。

2.4 加速度均方根值(RMS)

首先对53个站点的地脉动观测资料进行1~20 Hz带通滤波处理，然后按照式(5)计算加速度均方根值，确定3个方向上的数值，取平均值后得到该站点的RMS：

$ \mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n\left(v_i-\bar{v}\right)^2} $

(5)

$ \bar{v}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n v_i $

(6)

式中，v_i为某点实测地动加速度，n为观测数据总数。计算结果见表 1。

3 初步分析 3.1 土层类型分析

由表 1可见，十堰、巴东、兴山、黄石、随州等5个站点为基岩(坚硬场地)，约占9.4%；仙桃、天门、沙市、江陵、公安、监利等6个站点为中软场地土，约占11.3%；其余42个站点场地土层为粉质粘土，均为中硬场地土。

3.2 地脉动噪声分析

使用强震仪对53个基本站进行24 h地脉动测试，计算加速度RMS。由表 1可见，53个基本站中有49个站点的RMS为0~0.001 m/s²，约占92.5%，浠水、云梦、孝感、宣恩4个站点的RMS分别为0.001 5 m/s²、0.001 2 m/s²、0.001 6 m/s²、0.001 3 m/s²，均大于0.001 m/s²，主要原因是浠水、云梦站距离公路较近，宣恩站距离停车场较近，孝感站距离建筑施工场地较近。从表 1可以看出，基岩台站和远离市区、人为干扰较少站点的RMS较小，靠近公路和市区、人为干扰较多站点的RMS较大。本次地脉动测试结果满足《DB/T 60-2015地震台站建设规范——地震烈度速报与预警台站》技术要求^[5]，即台址场地的地脉动在1~20 Hz频带范围内的最大背景振动加速度噪声RMS均不大于0.01 m/s²。

3.3 场地类型分析 3.3.1 等效剪切波速分析

依据《GB 55002-2021建筑与市政工程抗震通用规范》^[2]，建筑场地可划分为4类，其中Ⅰ类分为Ⅰ0、Ⅰ1两个亚类，具体的场地类别划分要求见表 2。根据表 1的实测剪切波速结果，按照表 2的场地划分要求，结合覆盖层厚度对53个站点场地按照剪切波速度进行场地类型划分，划分结果见表 1。

由表 1可见，随州、巴东、黄石、兴山、十堰等5个站点满足Ⅰ类场地要求，约占9.4%，其中十堰、黄石站点为山洞内原有基岩地震台站，无测试剪切波速，直接判定为Ⅰ类场地；沙市、江陵、公安、监利、仙桃、天门等6个站点符合Ⅲ类场地要求，等效剪切波速主要集中在180~300 m/s之间，约占11.3%；其余42个站点满足Ⅱ类场地要求。53个站点覆盖层厚度范围为1~80 m，等效剪切波速与覆盖层厚度之间存在线性对应关系(图 1)，剪切波速大概在150~350 m/s范围内波动。

3.3.2 实测卓越频率分析

由表 1可见，43个站点的实测卓越频率为0~10 Hz，10个站点的实测卓越频率为10~20 Hz，约占18.9%。根据表 3中的场地类别与卓越频率，按照实测卓越频率值进行场地划分：赤壁、浠水、麻城、随州、巴东、建始、宣恩、黄石、兴山、十堰等10个站点的实测卓越频率值大于10 Hz，满足Ⅰ类场地条件，其中随州、巴东、黄石、兴山、十堰为基岩场地；其余43个站点的实测卓越频率值为3~10 Hz，满足Ⅱ类场地条件。53个站点覆盖层厚度范围为1~80 m，实测卓越频率与覆盖层厚度之间存在一定的线性对应关系(图 2)，实测卓越频率大概在3~18 Hz范围内波动。

3.3.3 速度卓越频率分析

由表 1可见，47个站点的速度卓越频率在0~10 Hz之间，约占88.7%；6个站点的速度卓越频率值大于10 Hz。根据表 3中的场地类别与卓越频率对场地进行划分：随州、巴东、恩施、兴山、黄石、十堰等6个站点的速度卓越频率值大于等于10 Hz，判定为Ⅰ类场地，其中黄石、十堰为山洞基岩场地，直接判定为Ⅰ类场地；31个站点的速度卓越频率值为2.5~10 Hz，判定为Ⅱ类场地；宜城、仙桃、钟祥、咸丰、汉南、蔡甸、郧阳、沙市、公安、天门、枝江、江陵、洪湖、孝感等14个站点的速度卓越频率值为1.25~2.5 Hz，判定为Ⅲ类场地；监利、襄城2个站点的速度卓越频率值小于1.25 Hz，判定为Ⅳ类场地。53个站点覆盖层厚度范围为1~80 m，速度卓越频率与覆盖层厚度之间存在一定的线性对应关系(图 2)，二者呈负相关。

3.3.4 场地类型综合分析

综合等效剪切波速、实测卓越频率、速度卓越频率等指标对场地类型进行分类划分。等效剪切波速结合覆盖层厚度划分出5个Ⅰ类场地，约占9.4%，42个Ⅱ类场地，约占79.2%，6个Ⅲ类场地；实测卓越频率划分出10个Ⅰ类场地，约占18.9%，43个Ⅱ类场地，无Ⅲ类场地；速度卓越频率划分出6个Ⅰ类场地，约占11.3%，31个Ⅱ类场地，约占58.5%，14个Ⅲ类场地，约占26.4%，2个Ⅳ类场地。

从图 2可以看出，在相同覆盖层厚度条件下，实测卓越频率数值远高于速度卓越频率，因此按照实测卓越频率划分的场地类型高于速度卓越频率划分的场地类型，也高于等效剪切波速划分的场地类型，等效剪切波速划分的场地类型高于速度卓越频率划分的场地类型。综合分析可知，等效剪切波速结合覆盖层厚度划分的场地类型较为适中，也符合实际的场地条件。

4 结语

本文对湖北省地震预警台网53个基本站选址过程中获得的台站背景测试资料进行分析。结果表明，除了4个站点在测试期间有干扰外，其他所有台站加速度RMS均达到地震预警项目基本站应小于0.01 m/s²的场址勘选要求。但在台站场址类别分析方面，剪切波速与地脉动测试计算的卓越频率存在较大差异，主要原因如下：

1) 本次测试的强震动台站大多位于市区中心地段，接近人群密集、高层建筑密集地区，人为干扰影响较大。同时，本文的卓越频率按照频谱最大峰值确定，而最大峰值有可能由干扰引起，无法真实地反映场地卓越频率，可能会影响场地测试结果。因此测试时间一般选择在午夜或周围环境较为安静的时间，以排除测点附近人为活动和各种动力源的干扰。

2) 波速卓越频率是通过测试地基上土层的剪切波速、运用近似公式得到，然而近似公式假定土层为均匀水平介质，且场地计算厚度应为覆盖层总厚度或取至基岩顶面。因此波速法计算的卓越频率结果存在较大误差，其误差受到剪切波速的测量精度、土层均匀程度、土层刚性程度及场地覆盖层厚度等因素影响。

结合多种分析方法可知，利用钻孔资料测定的剪切波速结合覆盖层厚度等要素确定的场地类型比较贴合实际情况。由于场地条件复杂，建议今后综合多种测试分析方法进行场地类型测试。