《Frontiers in Marine Science》：Effects of comprehensive site conditions on the nonlinear seismic response of the Hangzhou Bay seabed site
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引言：杭州湾海床具有复杂场地条件，包括海底地形、横向变化海相沉积和基岩起伏。本研究通过比较一维（1D）和二维（2D）数值模拟，考察这些条件对非线性地震响应的影响。方法：基于钻孔勘察资料建立大规模2D ABAQUS模型，并在三个代表性钻孔ZK1、ZK3和ZK6处
引言：杭州湾海床具有复杂场地条件，包括海底地形、横向变化海相沉积和基岩起伏。本研究通过比较一维（1D）和二维（2D）数值模拟，考察这些条件对非线性地震响应的影响。方法：基于钻孔勘察资料建立大规模2D ABAQUS模型，并在三个代表性钻孔ZK1、ZK3和ZK6处提取相应1D土柱模型。将KiK-net远场基岩运动作为输入运动，在ABAQUS中采用非Masing DCZ滞回本构模型（non-Masing DCZ hysteretic constitutive model）进行非线性地震响应分析。结果：结果表明，杭州湾海床地震响应受综合场地条件强烈影响。在ZK1处观察到相对较大的水平地表加速度，这可能与近岸地形变化和浅层波传播有关。在ZK3处，基岩起伏和横向沉积变异更明显，2D模型在约60–150 m深度处显示显著加速度放大。在所研究条件下，ZK3处2D与1D模型的竖向峰值地面加速度（peak ground acceleration, PGA）比达到2.15–2.92。频域和反应谱分析还表明，<1 Hz运动被放大，1–2 Hz附近出现局部放大，卓越周期（predominant periods）发生偏移，归一化加速度反应谱（normalized acceleration response spectra）出现多个峰值。讨论与结论：观察到的1D/2D差异被解释为与综合场地条件有关；本研究未独立分离地形、基岩起伏和沉积变异的各自贡献。在ZK6处，相对相似的归一化谱形可与绝对响应幅值差异共存，因为归一化谱和PGA表征地震动的不同方面。因此，对于基岩较平且沉积层近似水平的场地，1D分析可提供水平地震响应频率特征的初步信息，而绝对响应幅值应在考虑可能2D场地效应的情况下评价。
杭州湾海床具有海底地形、横向变化海相沉积和基岩起伏等综合场地条件（comprehensive site conditions）。已有研究显示这些条件可共同诱发波反射、散射、面波生成和二维（two-dimensional, 2D）共振，单一维（one-dimensional, 1D）分析难以完整刻画地震动响应；系统比较1D与2D计算结果可量化复杂场地条件对地震动特征的改变。Miao et al. (2023) 曾对杭州湾跨海工程场地开展2D非线性地震响应分析，表明复杂海床几何与海相沉积空间变异显著影响波传播和局部地震动放大，但未系统评估其与常规1D土柱分析的差异。为此，研究人员基于同一地质剖面建立大规模2D模型，并在ZK1、ZK3、ZK6提取1D土柱，对同步水平与竖向远场基岩运动进行1D/2D比较，以量化1D分析在何处、何种程度及哪些频段偏离2D预测，为杭州湾海床场地地震响应评价提供依据。
关键技术方法：研究人员依据钻孔资料建立长22,000 m、深约210 m、含2,157,676个单元的2D ABAQUS平面应变模型；在ZK1、ZK3、ZK6提取1D土柱并建为2D水平层模型，采用四节点双线性平面应变减缩积分单元（CPE4R）。土体动力本构采用基于Davidenkov骨架曲线和不规则加卸载准则的非Masing DCZ滞回本构模型（non-Masing DCZ hysteretic constitutive model），通过VUMAT实现；设置等效黏弹性人工边界，底部同步输入KiK-net四对水平与竖向基岩记录（2021年日本M7.3和M6.9海上地震，震中距约200、289、205、300 km），不进行幅值缩放；单元尺寸按l
max≤V
s/(8f
max)、f
max=25 Hz控制，时间增量5×10
–5 s；以KSRH10台站记录验证建模框架。
Response characteristics of seafloor acceleration（海床加速度响应特征）：通过比较ZK1、ZK3、ZK6在单向水平与双向（水平+竖向）输入下1D/2D地表PGA（peak ground acceleration，峰值地面加速度）及到时，发现2D模型PGA一般不小于1D；ZK1水平PGA较大，可能与非近岸地形变化和浅层波传播有关；ZK3竖向AGPGA（acceleration aggravation factor for PGA，2D与1D的PGA比）达2.15–2.92；ZK6水平AGPGA在单向输入下约1.75–2.00、双向输入下约1.50–1.75；ZK1的2D PGA到时多早于1D，ZK3和ZK6多滞后。
Distribution of peak acceleration with depth（峰值加速度随深度分布）：以ZK3为例，通过比较AFPA（PGA amplification factor，深度z处峰值加速度与基岩输入峰值加速度之比）随深度变化，发现AFPA在软夹层和波速突变界面局部突变；2D总体高于1D且起伏更明显，水平2D AFPA多大于1.0而1D多小于或接近1.0，约60 m和160 m厚砂层差异明显；竖向1D/2D差异在海底以下约30 m最明显；双向输入增大1D/2D差异。
Variation of acceleration transfer function with depth（加速度传递函数随深度变化）：通过HVSR（horizontal-to-vertical spectral ratio，水平与竖向谱比）得到场地基本周期约1.59–2.65 s、基频0.38–0.63 Hz；通过ATF（acceleration transfer function，深度z处与基岩的Fourier幅值谱比）发现水平响应在<1 Hz强放大，2D浅层ATF较大并在多个较高频带局部增强；ZK3双向水平ATF在约60–150 m、1–2 Hz出现高值带；竖向2D ATF向更高频扩展并在1 Hz以上形成多个放大带；ZK1差异集中在浅层，ZK3差异涉及中深部。
Characteristics of normalized acceleration response spectrum of the seabed（海床归一化加速度反应谱特征）：通过比较5%阻尼β(T)（归一化谱加速度，即谱加速度与PGA之比），发现ZK3的1D水平β谱多单峰、卓越周期0.4–0.6 s，2D多峰、卓越周期扩展至0.7–2.0 s并有<0.4 s短周期放大；竖向1D单峰约0.9–2.0 s，2D双峰约0.35 s和0.7 s；ZK6水平谱形相似但绝对幅值不同，竖向1D双峰约0.25 s和1.0 s，2D峰值移至约0.4 s和0.8 s；与GB 18306 (2015) IV类场地设计谱比较，2D谱更离散、放大范围更宽且多峰，复杂场地2D平均谱在更宽周期高于1D并局部接近或超过设计谱。
讨论部分总结：观察到的1D/2D差异与综合场地条件有关；地形、基岩起伏和沉积变异的各自贡献未独立隔离。ZK6归一化谱形相似但绝对幅值有差异，因为归一化谱和PGA表征地震动的不同方面。1D分析可为基岩较平、沉积近水平场地的水平地震响应频率特征提供初步信息，但绝对响应幅值应考虑可能2D场地效应。
研究结论翻译：（1）在远场地震动下，1D模型放大<1 Hz水平分量和约1 Hz竖向分量；2D模型放大<1 Hz和1–3 Hz两个水平频带，以及约1 Hz和2–3 Hz竖向频带。（2）1D/2D差异具有位置依赖性：ZK1近岸陡坡、基岩局部凸起和综合沉积结构导致较大的地表水平峰值加速度；ZK3地表较平但基岩起伏和沉积非均质显著，竖向1D/2D差异突出；ZK6基岩较平、土层近水平，水平1D/2D较接近；2D放大因子一般更大且波动更明显，在中深部综合沉积层尤甚。（3）水平ATF显示杭州湾深海相沉积层对<1 Hz低频分量显著放大，2D模型在1–2 Hz附近出现局部增强带，ZK3约60–150 m深度尤明显；2D竖向地震动向中高频扩展。（4）ZK6水平β谱1D/2D差异较小，说明基岩较平、沉积近水平场地1D可提供水平地震响应频率特征初步信息，但绝对幅值评价需考虑2D场地效应；竖向β谱仍有明显1D/2D差异，说明竖向响应对2D波场效应更敏感。综上，杭州湾海床地震响应复杂性主要来自海底地形、非均质海相沉积和基岩起伏的共同作用；海底地形可能主要影响浅层和近地表局部放大，海相沉积非均质与沿深度地震动波动和频率选择响应有关，基岩起伏可能影响深部入射波场和反射波场传播路径。局限包括：2D地质模型由钻孔资料建立，横向地层连续性、局部薄层和基岩几何插值存在不确定性；土动力参数来自室内试验和拟合，受天然变异性、试样扰动和标定不确定性影响；KiK-net记录代表远场情景而非危险一致或场地特定输入，数量有限，不能完全覆盖震源、路径、持时、频谱及水平-竖向相位关系变异；DCZ模型未显式考虑超孔隙水压力、液化和循环退化；无场地特定强震记录，结果应视为建模假设下情景估计而非设计级地震需求。
