Land seismic reflection detection technology of airgun source：A case study of the Tongling experiment of “Yangtze River Geoscience Project”
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摘要: 为了探索大容量气枪震源在探测区域结构以及在内陆水体进行水陆联测的可行性与有效性，2015年在安徽铜陵完成了长江航道走航激发、陆地接收反射波的“地学长江计划”铜陵段试验。本文从试验观测系统、共中心点分布、覆盖次数以及单炮数据属性等方面综合分析了大容量气枪震源陆地反射试验结果的影响因素。试验结果表明：① 大容量气枪震源在内陆水体激发能够用于地壳结构的探测；② 在水陆联测勘探中，根据目标层段合理设计反射角，能够有效地解决小炮检距反射角不足、大炮检距能量弱的问题；③ 在进行弯线数据采集时，需要对观测系统进行设计，以提高共中心面元的有效覆盖次数；④ 根据气枪震源容量的大小，进行最大、最小炮检距设计，是确保面元成像速度分析精度和面元炮检距属性分布合理的重要条件。Abstract: In order to explore the feasibility and effectiveness of the large capacity airgun source in the regional structure detection and whether the airgun source can be used for water-land measurements in flowing water body of inland, the Tongling experiment of “Yangtze River Geoscience Project” was carried out in 2015. This paper comprehensively analyzes the influencing factors of the land reflection experimental results of large capacity airgun source in the respects of the experimental observation system, distribution of common middle points, fold times and the data characteristics of single shots. The experimental results show that: ① Large capacity airgun source can be used for the detection of crustal structure in inland water body; ② According to the requirements of the target layer, the reflection angle analysis should be designed reasonably, thus it will solve the problems of insufficient reflection angle caused by small offset and the insufficient energy resulted from large offset; ③ During the process of curve data collection, the observation system needs to be designed so as to improve the coverage number of the common central bin; ④ According to the size of the airgun source, the maximum and minimum offsets are important to ensure the accuracy of the analysis of the surface imaging speed and the reasonable distribution of the surface offset attribute.
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引言
建筑结构由于其所在工程场地土层浅部特性不同，在地震中呈现出的破坏程度也不同，这一现象在历史的多次地震中被反复观测验证（Borcherdt，Glassmoyer，1992；Borcherdt，2002；Scasserra et al，2009）。场地土层特性对结构输入地震波的频谱特征有重要的影响，已成为地震工程领域的一个基本科学共识（李小军，彭青，2001；李广军等，2009；李小军，2013；Seyhan，Stewart，2014）。因此，对建设工程场地进行分类，对不同类别的场地选用不同的地震动参数是安全地、经济地开展结构抗震设计的重要环节。此外，在地震区划（李小军，2013）、地震巨灾保险、地震应急响应等工作中，按场地类别确定场地土的放大作用也是通用方法。
土层在地震作用下会表现出复杂的非线性特征，而高效的场地分类方案需要用简洁的指标表示这种特征，从而提炼出土层影响地震波传播特性的关键信息。采用何种参数，如何分类，各国学者开展了多方面的研究。例如土的剪切波速、卓越周期、覆盖层厚度和土层岩性等（苏经宇，李虹，1996）都可作为土层分类的标准。迄今为止，如何选取最为合适的参数，仍然是一个被不断讨论的课题（Castellaro et al，2008；Lee，Trifunac，2010）。实际应用时，土的平均剪切波速vS与场地放大效应具有良好的相关性（Borcherdt，1994），其具有物理意义清晰、本身为定比变量可以进行多种数学运算、与其它很多土层参数的关系明确（Ohta，Goto，1978）、容易测量等优点，因而成为目前各国抗震设计规范中场地类别划分的首选参数（Dobry et al，2000；The European Committee for Standardization，2004；中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2009；American Society of Civil Engineers，2013）。对于vS的深度范围问题，各国规范则更多地考虑了本国工程实际和规范之间的衔接。例如中国现行的GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2016），以下简称中国建抗规。该规定采用深度为20 m的平均剪切波速vS20和覆盖层厚度的较小值，其部分原因可追溯到“89版”规范制定时考虑了与“74版”规范中深度为15 m的厚度加权算法所得结果的延续性问题（周锡元等，1999）；大多欧美规范中采用的深度为30 m 的平均剪切波速vS30，也是考虑到30 m是一般勘察钻孔工作一天能达到的深度（Cadet，Dural，2009）。此外，除vS外是否考虑其它参数对工程场地类别的影响，各国抗震设计规范所采用的方案是不同的。中国建抗规采用vS和覆盖层厚度的双参数方案，而欧美抗震规范则采用了vS30独立划分场地类别的单参数方案。
本文不对中美建筑抗震设计规范中场地类别划分方案的优劣进行评价，而是给出两国当前规范场地类别的对应关系，同时对中国建抗规考虑覆盖层厚度对最终分类结果带来的影响进行探讨。考虑到规范的代表性，本文选择中国建抗规与美国美国《NEHRP 对新建建筑和结构物的推荐地震条款》（National Earthquake Hazards Reduction Program Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures，以下简称：美国建抗规）（National Earthquake Hazards Reduction Program，2015）进行比较。国内在此领域已经开展过类似的研究，周锡元等（1990）对各国抗震规范中场地分类指标进行了收集整理；刘培玄等（2015）对中美规范中vS20和vS30关系进行实证性研究；吕红山和赵凤新（2007）对中美规范中场地分类的对比研究等。但这些研究有的偏于定性的判断，缺少定量的分析；有的仅针对vS给出回归方程，未考虑覆盖层厚度的因素；有的依据数据量过少，难以概括多样化的场地土层特征。
鉴于此，本文以覆盖中国大陆所有省份的6 824个钻孔实测资料为基础。研究覆盖层厚度对场地分类带来的影响，将中国建抗规每类场地均按照vS、覆盖层厚度或两者兼有的划分方法分成了多个子类，并对每个子类中的钻孔数进行统计。通过统计这些钻孔对应的两国建抗规场地分类，拟给出中国建抗规各场地类别对应美国建抗规各场地类别的概率分布表；利用贝叶斯公式给出美国建抗规各场地类别对应中国建抗规各场地类别的概率分布表；同时对两国建抗规在分类结果上的异同进行分析，对如何应用本文成果转换两国建抗规的场地类别提出建议，以期从实证的角度建立中美建抗规场地类别的换算关系，并对我国建抗规场地分类方案的发展提供参考。
1. 数据
本文收集整理了2006—2018年全国范围内地震安全性评价工作中的8 831个实测钻孔资料，提取了钻孔的波速、岩土类型、地质年代、岩层产状和岩石风化程度等剖面信息。所有钻孔均包含波速剖面和岩土类型剖面，使本文能够严格按照中国建抗规的标准划分钻孔对应的场地类型。所有钻孔中，有4 581个钻孔（占总钻孔数52%）深度大于30 m，其中797个钻孔（占钻孔总数9%）深度大于100 m；大多数钻孔已探测到剪切波速500 m/s的层位。有3 085个钻孔记录了波速量测方法，其中3 081个钻孔采用了单孔检层法（中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2009），4个采用了面波测试方法。地震安全性评价工作所依据的GB17741—2005《工程场地地震安全性评价》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2005）要求，场地地震工程地质条件勘测应采用钻探和原位测试。据此可认为其它没有记录测量方法的钻孔绝大多数采用的也是钻孔原位测量方法。Moss （2008）对不同波速测量方法的测试精度研究表明，钻孔原位测量方法对同一场点剪切波速重复测量值的方差小于3%，因此保证了本文所依据的钻孔剪切波速的精度。
如果认为每个钻孔对其周边1 km范围内的场地环境有一定的代表性（Thompson et al，2007），则根据2015年中国土地利用现状遥感监测数据（地理国情监测云平台，2015），本文所应用的钻孔覆盖的城镇建设用地面积达到了4 640 km2，约占全国城镇建设用地总面积72 834 km2的6.4%，具有了一定的统计代表性。钻孔的空间分布如图1所示。
2. 中美建抗规的场地类别划分标准说明
中国建抗规的场地分类由场地土层等效剪切波速vSe和覆盖层厚度D共同确定，具体可参阅GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2016），此处不再赘述。但必须注意的是：
1） 不能将剪切波速达到500 m/s的土层深度作为覆盖层厚度。中国建抗规4.1.4条的2，3，4款均给出了不同情况下覆盖层厚度确定和修正方法。本文有19.6%的钻孔在确定其覆盖层厚度时采用了2，3，4款的限定条件。这说明，将vS达到500 m/s所对应的深度作为覆盖层厚度不可靠。
2） 不能将vSe等同于vS20。中国建抗规条文中明确说明，计算vSe时取土层厚度取覆盖层厚度和20 m中较小的值。本文37.2%钻孔的vSe是依据小于20 m的覆盖层厚度确定的。这说明，认为中国建抗规的vSe即为vS20是不可靠的。
美国建抗规的场地分类由vS30独立确定。vS30的计算不考虑覆盖层厚度等其它参数。场地分类按vS30的大小分为五类（见表1）。另外F类为需独立研究地震特性的土类，本文暂不讨论。
表 1 美国建抗规的场地分类（除F类外）Table 1. Site classification in the US NEHRP provisions （without class F）场地类别 VS30/（m·s−1） A ＞1500 B （760，1500] C （360，760] D （180，360] E ≤180 3. 中国建抗规中覆盖层厚度D和等效剪切波速vSe对场地分类的影响
本文根据中国建抗规中场地类别由覆盖层厚度D和等效剪切波速vSe双参数设定，将每类场地进一步划分为多个子类（图2）。每个子类的命名和划分标准设置如表2所示。
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图 2 6 824个钻孔的各子类的D-vse分布括号前的编号为本文定义的子类编码，括号内的数字为钻孔落在这个子类中的数量，vSe在500 m/s以上的部分为地面表层波速vSFigure 2. 6 824 boreholes plotted on the D-vSe graphThe codes at left of the parentheses are the sub-classes codes defined in this article, The numbers in the parentheses are the numbers of boreholes belonged to these sub-classes，the ordinate value exceed 500 m/s represents instantaneous velocity at the surface layer instead of vSe表 2 GB50011—2010《建筑抗震设计规范》场地子类划分标准表Table 2. Sub-site classification schedule of the GB 50011—2010 Code for Seismic Design of BuildingVse/（m·s−1） Ⅰ 0 Ⅰ 1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ 1b Ⅰ 1c Ⅰ 1d Ⅰ 1e Ⅱ c1 Ⅱ c2 Ⅱ d1 Ⅱ d2 Ⅱ e Ⅲ d Ⅲ e1 Ⅲ e2 ≤150 D＜3 D∈ [3，15] D∈ [15，20） D∈ [20，80） D＞ 80 （150，250] D＜3 D∈ [3，20） D∈ [20，50] D＞50 （250，500] D＜5 D∈ [5，20） D≥20 （500，800] D＝0 ＞800 D＝0 注：D为覆盖层厚度，单位m。 对收集的8 831个钻孔严格按照中国建抗规的要求进行场地类别划分，能够明确场地类别和对应子类的钻孔共6 824个。其中：Ⅰ 0类场地钻孔7个（占钻孔总数的0.1%），Ⅰ 1类场地钻孔169个（占钻孔总数的2.48%），Ⅱ类场地钻孔5 323个（占钻孔总数的78%），Ⅲ类场地钻孔1 129个（占钻孔总数的16.54%），Ⅳ类场地钻孔196个（占钻孔总数的2.87%）。
通过将中国建抗规的场地分类进一步划分子类可以看出：仅依据vS20值确定为Ⅱ类场地的钻孔仅为所有Ⅱ类场地钻孔的55.8%（黑色虚线右侧的Ⅱ c2子类和Ⅱ d2子类，2 970/5 323）。vS20在250—500 m/s之间（Ⅱ c2）的情况仅为32.4% （1 790/5 323）。换言之，如果简单地以vS20在250—500 m/s之间作为Ⅱ类场地的判别条件。与美国场地分类对比，至少存在2/3的可能，其比对的基础，即中国场地类别的判别就是不可靠的。同理，Ⅲ类场地也不能近似地以vS20作为其判别的标准。
以Ⅱ类场地为例，因覆盖层厚度参数的存在，Ⅱ类场地对应的vSe被分为了（0，150]，（150，250]和（250，500]三个区，除（0，150]区比例较小仅有58个钻孔外，（150，250]区和（250，500]区的钻孔数相近。如果没有覆盖层厚度指标，Ⅱ类场地vSe范围取（250，500]，则会有近一半的场地“离开”Ⅱ类区。而Ⅱ类场地的（150，250]区与Ⅲ类场地的（150，250]区的区别仅为覆盖层厚度。这表明如果Ⅱ类场仅vSe范围取（150，500]，Ⅱ类场地就会“吞没”Ⅲ类场地的“主体部分”。类似现象也出现在Ⅲ类场地和Ⅳ类场地的关系上。而对于Ⅰ 1类场地，也可以看到实际工程中确有场地是因为中国建抗规给出了薄覆盖层的概念才能分为Ⅰ 1类，甚至存在薄覆盖层的v Se小于150 m/s而分为Ⅰ 1类场地的工程实例（6个钻孔）。另外，与Ⅱ类和Ⅲ类场地不同，根据GB17741—2005《工程场地地震安全性评价》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2005），Ⅰ 1类场地和Ⅰ 0类场地在判定为基岩出露后可不进行钻孔作业，故本文所应用的Ⅰ 1和Ⅰ 0类钻孔样本不能够代表这两类场地的总体的分布。现有样本仅能说明Ⅰ 1类钻孔存在由薄覆盖层判定的工程实例，不能说明这些工程实例在所有Ⅰ 1类场地中的比例就是本文数据所展示的那样，因为一定有更多的基岩出露的Ⅰ 1类场地被遗漏了。
从图2可以看出，vSe和vS20的关系主要影响Ⅱ类场地的划分。图2中黑色竖直虚线右边的vSe即vS20，而左边的vSe对应的深度等于其横坐标。可以看出，对于Ⅱ类场地，有44.2% （2 353/5 323）钻孔的vSe不是vS20。这表明直接对比vS20和vS30得到的中美场地对应关系不可靠。而Ⅱ类钻孔占所有钻孔总数的78%，表明中国Ⅱ类场地的比例较高，所以中国建抗规中vSe按照覆盖层厚度和20 m的较小的值确定的方法对于场地类别的划分影响较大。
以上分析表明：中国建抗规中的场地分类中，覆盖层厚度是一个至关重要的参数。它直接决定了工程建设选址中各类场地，尤其是Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类场地的实际比例。不能仅以vSe，更不能以vS20作为中国场地分类参数的指标与美国建抗规vS30进行对比。如果一定要用某个参数作为中国场地分类的指标进行比对的话，虽然超出了本文的讨论范围，但从图2可以推测，这个参数所代表的分类边界在图中应是以右下角为圆心的一组类似椭圆弧的图形，而不是vS所表示的平行于横轴的直线。
4. 中美建抗规场地类别的转换关系
根据上节的讨论可知，由于中国建抗规场地类别划分的复杂性，中国建抗规场地类别和美国建抗规场地类别的转换关系不是波速之间的单参数对应关系。如果要建立数值关系的话，中国建抗规的多参数和不同覆盖层条件会使数值关系变得复杂。更重要的是，通过图2可以看到，中国建抗规中的场地类别，如Ⅱ类场地不仅跨越了图中理论上的广阔区域，在工程钻孔实证的角度上，也涵盖了大量本身存在很大土层差异的钻孔。如试图建立Ⅱ类场地与美国建抗规场地之间关系的话，首先要分析这些差异对该关系的影响有多大。
所以，在建立中美建抗规场地类别关系之前，本文先利用上节建立的场地类别的子类，分别建立每个子类与美国建抗规场地类别之间的关系；其次分析这些关系的异同，探讨在美国建抗规场地类别视角下中国建抗规场地各子类之间的差异，以及中国建抗规场地各子类视角下美国各场地类别的差异；最后在此基础上建立中美两国建抗规场地类别的转换关系。
4.1 中国建抗规场地类别各子类与美国建抗规场地类别的关系
本文研究的6 824个钻孔中部分深度未能达到30 m层位。首先分析能直接得到vS30的3 332个钻孔，根据vS30得到其相应的美国场地类别。然后将这些钻孔按照中国场地类别各子类进行统计分类，其中大多数钻孔满足中国场地各子类要求，但Ⅰ类场地的部分子类中可得到vS30的钻孔数较少，主要是由于中国建抗规的场地分类方法决定了在坚硬场地条件下，钻孔不必到达30 m的深度即可判定场地类别；且GB17741—2005《工程场地地震安全性评价》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2005）规定钻孔达到剪切波速为500 m/s的深度即可终孔，因此中国的工程钻孔在坚硬场地上一般不会到达30 m深度。而本文构建中美场地类型的构建Ⅰ类场地换算关系，本文需采用合理的方法从目前已有的Ⅰ类场地钻孔中构建vS30以进行比对。在目前的构建方法中，应用浅孔的波速估计vS30的方法最为成熟（Boore，2004；Boore et al，2011；Dai et al，2013；Wang，Wang，2015）。对多个波速外推模型在本文数据集上的性能的对比（Zhou et al，2021），本文选用Dai等（2013）提出的模型，即
$$ {\rm{lg}} {{{\hat v}_{{\rm{S}}d30}}} {\text{＝}} a {\text{＋}} b{\rm{lg}}{v_{{\rm{S}}{\text{（}}d{\text{）}}}}{\text{，}} $$ (1) $$ {{{\hat v}_{{\rm{S}}30}}} {\text{＝}} \dfrac{{30}}{{\dfrac{d}{{{v_{{\rm{S}}d}}}} {\text{＋}} \dfrac{{30 {\text{－}} d}}{{ {{{\hat v}_{{\rm{S}}d30}}}}}}}{\text{，}} $$ (2) 式中，d为钻孔深度，vS（d）为钻孔层底波速，
${{\hat v}_{{\rm{S}}d30}}$ 为模型估计的深度d到30 m的平均剪切波速，${{v}_{{\rm{S}}d}}$ 为地表到深度d的平均剪切波速，${{\hat v}_{{\rm{S}}30}}$ 为模型估计的vS30，a和b为回归系数。Dai等（2013）并未给出回归系数，而本文利用了达到30 m深度的实际钻孔回归计算a，b的值和均方根误差（root mean squared error，缩写为RMSE）以构建vS30（表3）。为保证结果的可靠性，当构建的vS30上下两倍RMSE均落在美国建抗规同一场地类别内时，该vS30和相应的场地类别有效。但采用此方法构建vS30会带来一定的不确定性，相应研究结果的应用需加以区别。表 3 Dai等（2013）的外推模型在5 m，10 m和15 m深度位置的回归系数和均方根误差Table 3. The coefficients and RMSEs of extrapolation model （Dai et al，2013） at depth of 5 m，10 m，and 15 m深度
d/m回归系数 RMSE a b 5 0.728 0.737 0.061 10 0.784 0.707 0.042 15 0.616 0.774 0.027 采用外推钻孔Ⅰ 1c，Ⅰ 1e，Ⅰ 1d和Ⅲ e1子类，深度大于15 m的钻孔数基本满足统计要求。Ⅰ 0子类应用10 m以上深度钻孔，Ⅰ 1e子类应用5 m以上深度的钻孔。Ⅰ 1b场地子类钻孔数过少，不构建vS30，而是根据中美建抗规对该类场地的描述直接将其对应的美国建抗规B类和C类场地的概率设为50%。得到中国建抗规各子类与美国建抗规各场地类别的对应关系列于表4。
表 4 中国建抗规的场地子类与美国建抗规范场地类别的对应关系Table 4. The relation between sub-classes in the Chinese code for seismic design of building and classes in the US NEHRP code场地子类 子类
孔数子孔
占比vS30
孔数A类场地 B类场地 C类场地 D类场地 E类场地 总比例 备注* 孔数 比例 孔数 比例 孔数 比例 孔数 比例 孔数 比例 Ⅰ 0 7 0.10% 6 0 0 6 100% 0 0 0 0 0 0 100% 2，15 m；4，10 m Ⅰ 1b 10 0.15% 0 0 0 0 50.0% 0 50.0% 0 0 0 0 100% 无VS30 Ⅰ 1c 107 1.57% 27 0 0 5 18.5% 22 81.5% 0 0 0 0 100% 23，15 m Ⅰ 1d 46 0.67% 6 0 0 1 16.7% 5 83.3% 0 0 0 0 100% 4，15 m Ⅰ 1e 6 0.09% 3 0 0 1 33.3% 2 66.7% 0 0 0 0 100% 3，5 m Ⅱ c1 1415 20.7% 98 0 0 0 0 87 88.8% 11 11.2% 0 0 100% 实测VS30 Ⅱ c2 1790 26.2% 972 0 0 0 0 111 11.4% 861 88.6% 0 0 100% 实测VS30 Ⅱ d1 880 12.9% 52 0 0 0 0 24 46.2% 28 53.8% 0 0 100% 实测VS30 Ⅱ d2 1180 17.3% 907 0 0 0 0 0 0 869 95.8% 38 4.2% 100% 实测VS30 Ⅱ e 58 0.85% 30 0 0 0 0 1 3.3% 29 96.7% 0 0 100% 25，15 m Ⅲ d 838 12.3% 838 0 0 0 0 0 0 758 90.4% 80 9.6% 100% 实测VS30 Ⅲ e1 19 0.28% 14 0 0 0 0 0 0 14 100% 0 0 100% 13，15 m Ⅲ e2 272 3.99% 257 0 0 0 0 0 0 3 1.17% 254 98.8% 100% 实测VS30 Ⅳ 196 2.87% 196 0 0 0 0 0 0 0 0 196 100% 100% 实测VS30 全部分类 6824 100% 3406 0 13 252 2573 568 100% 注：备注中数字表示中国建抗规场地子类钻孔应用浅孔估计的vS30数据，逗号前的数字表示采用了估计值的钻孔数，逗号之后的数字表示应用的浅孔最小孔深，为了保证结果的可靠性，只有当估计vS30的上下两倍均方根误差均落在美国建抗规同一场地类别时，此vS30和相应的场地类别才会被采用。 与上节方法一致，重点讨论中国建抗规的Ⅱ和Ⅲ类场。对于Ⅱ类场地来说，各子类与美国建抗规场地类别的对应关系截然不同。Ⅱ c2，Ⅱ d2和Ⅱ e的钻孔绝大多数对应于美国建抗规的D类；Ⅱ c1的钻孔则绝大多数对应于C类；而Ⅱ d1的钻孔则C类和D类各一半。从图2中这些子类的位置似乎存在如下规律：距离图2右下角越近的钻孔其对应美国建抗规场地中越接近更软的类别。对于Ⅲ类场地来说，中国建抗规的各子类和美国建抗规场地类别的对应关系也是不同的。Ⅲ d和Ⅲ e1的钻孔绝大多数对应于D类，而Ⅲ e2的钻孔则绝大多数对应于E类。在图2中表现出和Ⅱ类场地相一致，即距离图2右下角越近的钻孔其对应美国建抗规场地类型越软。这说明中美建抗规的场地类别对应时，如果以大类对大类的话，其各类别内部是有很大差异性的。
当vSe范围相同时，由表4可以看出以（250，500] m/s范围为例，中国建抗规场地子类按覆盖层厚度从薄到厚排列为：Ⅰ 1c，Ⅱ c1和Ⅱ c2。这几个子类对应的美国建抗规场地类别分别为18.5%B＋81.5%C，88.8%C＋11.2%D和11.4%C＋88.6%D。可见在vSe范围相同的情况下，随着覆盖层厚度的增加，对应的美国建抗规场地是逐渐变软的（vS30减小）。其它vSe范围也具有相同的规律。这表明中国建抗规的覆盖层厚度指标有效地区分了浅部波速类似但深部波速不同的场地。
4.2 中美建抗规场地类别的相互换算
4.2.1 中国建抗规场地类别换算为美国建抗规场地类别
为了得到中国建抗规场地大类与美国建抗规场地分类之间的关系，将表4中各大类对应子类钻孔数累加后，将结果列于表5。可以看出，中国建抗规的Ⅱ类和Ⅲ类场地主体均对应美国建抗规的D类场地，区别仅在于Ⅱ类场地略偏向C类，而Ⅲ类场地则略偏向E类。且根据上文分析可知，在Ⅱ类和Ⅲ类内部，不同情形的对应关系差异巨大。所以本文建议，可获得足够场地信息时，最好对Ⅱ类、Ⅲ类场地按照文中子类进行细分，并按照表4转换其美国场地分类。同时，表5中Ⅰ 0类和Ⅰ 1类的结果是依据少量钻孔统计出的，且I1类钻孔样本很可能存在统计样本上的偏差，所以应用这两类场地的转换关系时要结合实际场地状况作出判断。在实际工程建设中这两类场地总体上相对较少。
表 5 中国建抗规场地类别与美国建抗规场地类别的换算关系Table 5. The transformation table for converting Chinese code for seismic design of building site classes to the US NEHRP code site classes中国场地分类 美国场地分类 A B C D E Ⅰ 0 100.00% Ⅰ 1 20.40% 79.60% Ⅱ 35.11% 63.97% 0.93% Ⅲ 69.10% 30.90% Ⅳ 100.00% 表5显示了中国建抗规的某个场地类别对应美国建抗规某场地类别的概率，比简单的一一对应更加符合场地复杂性的实际。在应用时，建议计算对应的每种美国建抗规场地类别的情况，并按概率进行赋权给出平均意义上的结果。
4.2.2 美国建抗规场地类别换算为中国建抗规场地类别
在实际工作中，应用更多的是将美国建抗规场地类别换算为中国建抗规场地类别以应用美国的数据。这样的转换需要如下假设，即：本文的钻孔样本所代表的场地类别分布能够代表中国城镇建设用地的场地类别总体分布。在“数据”一节中已经提到，本文的钻孔所代表的工程场地面积占所有中国城镇建设用地面积的6.4%。这说明假设基本成立。但同时还需注意，本文的Ⅰ 0类和Ⅰ 1类场地钻孔样本难以满足该假设，尤其是Ⅰ 1类场地。故针对此两类场地所对应的美国B类场地，应用本文的对应关系时要结合实际的场地情况。本文不讨论美国建抗规A类场地与中国建抗规场地类别的转换关系。与中国场地类似的，A类场地在美国也较为少见（Wills et al，2000）。
应用表4和贝叶斯公式
$$P{\text{（}} {{{{S}}_{{\rm{C}}{m}}}\left| {{S_{\rm{A}}}} \right.} {\text{）}} {\text{＝}} \dfrac{{{{P}}{\text{（}} {{{{S}}_{\rm{A}}}\left| {{S_{{\rm{C}}{m}}}} \right.} {\text{）}} \cdot P{\text{（}} {{S_{{\rm{C}}{m}}}} {\text{）}}}}{{\displaystyle\sum\limits_{m = 1}^n {{{P}}{\text{（}} {{{{S}}_{\rm{A}}}\left| {{S_{{\rm{C}}{m}}}} \right.} {\text{）}} \cdot P{\text{（}} {{S_{{\rm{C}}{m}}}} {\text{）}}} }}{\text{，}} $$ (3) 式中，SA为美国建抗规场地类别，SCm为中国建抗规场地类别，m为类别序号。换算出美国建抗规各场地类别对应中国建抗规场地类别各子类的概率列于表6；将各子类概率进行累加得到美国建抗规场地类别换算中国建抗规场地类别的关系，列于表7。
表 6 美国建抗规场地类别与中国建抗规场地子类的换算关系Table 6. The relation between classes in the US NEHPR code and sub-classes in the Chinese code for seismic design of building美国场地分类 中国场地分类 Ⅰ 0 Ⅰ 1b Ⅰ 1c Ⅰ 1d Ⅰ 1e Ⅱ c1 Ⅱ c2 Ⅱ d1 Ⅱ e Ⅱ d2 Ⅲ d Ⅲ e1 Ⅲ e2 Ⅳ B 16.9% 12.0% 47.8% 18.5% 4.8% C 0.3% 4.3% 1.9% 0.2% 62.7% 10.2% 20.3% 0.1% D 3.8% 37.9% 11.3% 1.3% 27.0% 18.1% 0.5% 0.1% E 8.3% 13.5% 45.2% 33.0% 表 7 美国建抗规场地类别与中国建抗规场地类别的换算关系Table 7. The transformation table for converting the US NEHPR code site classes to Chinese code site classes美国场地
分类中国场地分类 Ⅰ 0 Ⅰ 1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ B 16.88% 83.13% C 6.72% 93.28% D 81.36% 18.64% E 8.32% 58.70% 32.98% 由表6可以看出，美国的B类场地主要对应中国的Ⅰ 0和Ⅰ 1类场地；C类场地较为集中地对应于中国的Ⅱ c1，Ⅱ c2和Ⅱ d1子类；D类场地更广泛地对应于中国的Ⅱ c2，Ⅱ d1，Ⅱ d2和Ⅲ d子类；而E类场地则以中国的Ⅲ e2和Ⅳ类场地为最多。和中国建抗规场地换算美国建抗规场地的概率表相似，应用时需计算对应的每种中国建抗规场地的情况，并按概率进行加权给出平均意义上的结果。此外，表6和表7可用于场地类别的换算，不能用作中国场地分类对应VS30或场地软硬程度的比较。是由于式（3）中等号左边项所代表的条件概率同时取决于其先验概率和后验概率，其中先验概率是指中国建抗规某类场地在实际工程中出现的可能性。先验概率的大小对于条件概率的计算结果有重大影响。如E类场地对应Ⅲ e1子类的可能性为0，而对应Ⅱ d2子类的可能性为8.3%。这不说明Ⅲ e1场地硬于Ⅱ d2场地，该结果完全是由于Ⅲ e1类型场地很少，其先验概率很低而导致的。如果要得到某中国建抗规场地类别对应的VS30或比较其场地的软硬程度，需以表4和表5的信息为准。
在美国建抗规场地类别向中国建抗规场地大类的转换中（表7），绝大多数的C类和D类场地均对应中国建抗规的Ⅱ类场地，这也从侧面表明了中国建抗规的Ⅱ类场地范围极宽。结合前文已论述的Ⅱ类场地自身的广阔范围和内部的差异性，Ⅱ类场地对地震动的影响需要区分不同性质的子类来进一步开展研究，分析不同子类对地震动影响的一致性。如果Ⅱ类场地内各子类对地震动影响的差异较大，那么美国建抗规场地到中国建抗规场地的换算就应转换到子类，而不是一个笼统的Ⅱ类。而作为抗震设计的依据之一，Ⅱ类场地的范围是否过大，是否需要进一步细分也应引起重视。
5. 讨论与结论
本文将中国建抗规各场地类别根据其确定参数的不同分为多个子类。在收集的6 824个地震安全性评价工程场地钻孔实测资料基础上，通过钻孔对应到中国建抗规各场地类别和各子类，以及美国建抗规的各场地类别。针对中国建抗规中的覆盖层厚度和vSe对分类的影响开展了探讨，建立了中国建抗规场地类别换算美国建抗规场地类别的概率表；并应用贝叶斯公式建立了美国建抗规场地类别换算中国建抗规场地类别的概率表。讨论了中国建抗规场地类别的类内差异、Ⅱ类场地的范围等问题。得到的主要结论如下：
1） 中国建抗规中覆盖层厚度和vSe的“取小”原则对场地分类结果影响很大。这一点不仅体现在理论意义上，从钻孔样本也可以得到实证，大量钻孔的场地类别也是由覆盖层厚度和波速综合确定的。所以不能以单纯vSe或vS20近似作为中国建抗规场地分类的参数指标与美国建抗规场地分类进行对比。
2） 中国建抗规Ⅱ类和Ⅲ类场地内部不同子类与美国建抗规场地类别的对应关系差异巨大。
3） 当vse范围相同时，覆盖层厚度越大的场地其对应的美国建抗规场地类型越软。说明中国建抗规的覆盖层厚度指标有效地区分了浅部波速类似但深部波速不同的场地。
4） 中国建抗规Ⅱ类和Ⅲ类场地主体均对应美国建抗规场地的D类。区别在于Ⅱ类场地略偏向C类，Ⅲ类则略偏向E类。中国建抗规的Ⅳ类场地对应美国建抗规的E类场地。
5） 美国建抗规C类场地比较集中地对应于中国建抗规的Ⅱ c1，Ⅱ c2和Ⅱ d1子类；D类场地则更广泛地对应于Ⅱ c2，Ⅱ d1，Ⅱ d2和Ⅲ d子类；而E类场地则以Ⅲ e2和Ⅳ类场地为最多。
6） 绝大多数美国建抗规的C类和D类场地均对应于中国建抗规的Ⅱ类场地。这从一个侧面说明，中国建抗规的Ⅱ类场地范围极宽。
由于本文收集到的中国Ⅰ 0和Ⅰ 1类场地的钻孔数较少，采用了外推的方法估计得到的该类场地vS30数值。因此中国建抗规Ⅰ 0类和Ⅰ 1类场地与美国建抗规场地的对应关系将存在不确定性的问题，相应研究结果的应用需加以区别。
本文的场地类别转换关系可将美国台站的强震动记录转换后，应用于我国的地震动衰减关系研究，还可应用于我国地震区划、中美两国地震保险模型等多个地震工程领域。综上通过本文研究建立起中美两国建抗规工程场地类别间的联系，与场地类别有关的各种数据可以相互转换，大量美国的地震工程数据和研究成果可以应用到中国场地中，较大的丰富我国地震工程研究的数据资源。此外，本文关于场地覆盖层厚度对中国建抗规场地分类结果的影响，中国建抗规Ⅱ类场地和Ⅲ类场地范围和内部一致性的分析，以及中美两国建抗规场地分类方案的不同造成的实际分类结果的差异，能够为我国场地分类方案的发展提供参考。
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图 4 铜陵地区不同深度h处的照明度分析（图中红、蓝线分别为炮点、检波点）
Figure 4. Illumination analyses of Tongling region at different depth h where the red and blue curves are shots and receive points
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图 5 不同深度h和反射角度α情况下的面元分布和覆盖次数分析
Figure 5. Distribution of bin and fold with different depth h and reflection angle α
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图 8 不同单炮时窗范围（a）及不同时窗频谱分析（b）
Figure 8. The different time windows of a single shot （a） and frequency spectral analysis for different time windows （b）
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