Research on Variation of Soil Small‑strain Damping Ratio with Depth Based on Vertical Arrays

CHEN Su; LONG Zengyang; WANG Suyang; JIANG Weiping; LI Xiaojun

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20250324001

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Research on Variation of Soil Small‑strain Damping Ratio with Depth Based on Vertical Arrays

更新时间：2025-12-12

- Research on Variation of Soil Small‑strain Damping Ratio with Depth Based on Vertical Arrays
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 5, Pages: 1024-1031(2025)
- 作者机构：
  
  1.城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京工业大学，北京 100124
  2.桥梁工程安全与韧性全国重点实验室，北京工业大学，北京100124
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20250324001
  CLC： TU411
- Received：24 March 2025，
  
  Revised：2025-04-22，
  
  Published：28 October 2025
- 稿件说明：
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陈苏,龙增洋,王苏阳等.基于竖向台阵的土体小应变阻尼比随深度变化规律研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):1024-1031.

CHEN Su,LONG Zengyang,WANG Suyang,et al.Research on Variation of Soil Small‑strain Damping Ratio with Depth Based on Vertical Arrays[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):1024-1031.
陈苏,龙增洋,王苏阳等.基于竖向台阵的土体小应变阻尼比随深度变化规律研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):1024-1031. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250324001.

CHEN Su,LONG Zengyang,WANG Suyang,et al.Research on Variation of Soil Small‑strain Damping Ratio with Depth Based on Vertical Arrays[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):1024-1031. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250324001.

摘要

目前，场地地震反应分析中采用的土体小应变阻尼通常根据室内试验确定。然而，由于室内试验仅能代表土体阻尼，无法反映地震波在传播过程中由场地空间变异性引起的散射效应，直接采用室内试验得到的小应变阻尼往往会导致预测的场地放大作用被明显高估。针对这一问题，本研究从美国和欧洲选取了四个竖向地震台阵，首先利用地震干涉测量法从地震数据中提取出场地的原位剪切波速结构，然后使用模拟退火算法反演了原位小应变阻尼比结构，之后讨论了土体小应变阻尼比随深度的变化规律，最后比较了恒定阻尼假设和非恒定阻尼假设在重现和预测场地地震反应中的表现。结果表明：利用地震干涉测量法和模拟退火算法反演得到的原位土动力学参数可以很好地重现并预测小应变条件下的场地地震反应。同时，场地的原位小应变阻尼结构也未表现出明显的随深度变化的规律。此外，在大多数情况下，是否采用恒定阻尼假设对地表加速度反应谱模拟值几乎没有影响。因此，在通常情况下，场地地震反应分析可以直接采用恒定阻尼假设，无需考虑阻尼比随深度的变化。

Abstract

Currently

the small-strain damping of soil used in seismic site response analysis is generally determined based on laboratory tests. However

since laboratory tests can only represent material damping of soil

they cannot reflect the scattering effects caused by spatial variability of the site during seismic wave propagation. Therefore

directly using the small-strain damping obtained from laboratory tests often leads to a significant overestimation of the predicted site amplification. To address this issue

this study selected four vertical seismic arrays from the United States and Europe. First

the in-situ shear wave velocity structures of these sites were extracted from the seismic data using the seismic interferometry method. Then

the in-situ small-strain damping ratio structures were inverted using the simulated annealing algorithm

and the variation of the small-strain damping ratio of the soil with depth was discussed. Finally

the performance of the uniform damping assumption and the non-uniform damping assumption in reproducing and predicting seismic site response was compared. The results showed that the in-situ soil dynamic parameters inverted using seismic interferometry and the simulated annealing algorithm could well reproduce and predict the seismic site response under small-strain conditions. Meanwhile

the in-situ small-strain damping ratio profile did not exhibit a clear variation pattern with depth. Moreover

in most cases

whether the uniform damping assumption was adopted had almost no effect on the simulated values of surface acceleration response spectra. Therefore

the uniform damping assumption could be directly adopted in seismic site response analysis under normal circumstances

without the need to consider the variation of damping ratio with depth.

关键词

Keywords

references

夏坤，肖雪，董林，等 . 基于地震动参数的烈度评定标准对比研究：以岷县-漳县6.6级地震为例［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 4 ）： 960 - 968 .

Xia K ， Xiao X ， Dong L ， et al . A comparative study on seismic intensity evaluation standards based on ground motion parameters： A case study of the Minxian-Zhangxian M s 6.6 earthquake ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2024 ， 44 （ 4 ）： 960 - 968 . （in Chinese）

Idriss I M ， Seed H B . Seismic response of horizontal soil layers ［J］. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division ， 1968 ， 94 （ 4 ）： 1003 - 1031 .

蒋通，邢海灵 . 水平土层地震反应分析考虑频率相关性的等效线性化方法［J］. 岩土工程学报， 2007 ， 29 （ 2 ）： 218 - 224 .

Jiang T ， Xing H L . An equivalent linear method considering frequency-dependent soil properties for seismic response analysis ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2007 ， 29 （ 2 ）： 218 - 224 . （in Chinese）

Hallal M M ， Cox B R ， Vantasel J P . Comparison of state-of-the-art approaches used to account for spatial variability in 1D ground response analyses ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2022 ， 148 （ 5 ）： 04022019 .

Bardet J P ， Ichii K ， Lin C H . EERA—A computer program for equivalent-linear earthquake site response analyses of layered soil deposits ［R］. Los Angeles ： University of Southern California ， 2000 .

齐文浩，薄景山 . 土层地震反应等效线性化方法综述［J］. 世界地震工程， 2007 ， 23 （ 4 ）： 221 - 226 .

Qi W H ， Bo J S . Summarization on equivalent linear method of seismic responses for soil layers ［J］. World Earthquake Engineering ， 2007 ， 23 （ 4 ）： 221 - 226 . （in Chinese）

吴志坚，王兰民，陈拓，等 . 汶川地震远场黄土场地地震动场地放大效应机制研究［J］. 岩土力学， 2012 ， 33 （ 12 ）： 3736 - 3740 .

Wu Z J ， Wang L M ， Chen T ， et al . Study of mechanism of site amplification effects on ground motion in far field loess during Wenchuan M s 8.0 earthquake ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2012 ， 33 （ 12 ）： 3736 - 3740 . （in Chinese）

Thompson E M ， Baise L G ， Kayen R E ， et al . Impediments to predicting site response： Seismic property estimation and modeling simplifications ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 2009 ， 99 （ 5 ）： 2927 - 2949 .

胡聿贤 . 地震工程学［M］. 第2版 . 北京：地震出版社， 2006 .

Hu Y X . Earthquake engineering ［M］. 2nd ed . Beijing ： Seismological Press ， 2006 . （in Chinese）

陈龙伟，徐欢荣，袁晓铭 . 浅硬场地剪切波速不确定性对场地地震反应的影响［J］. 地震工程与工程振动， 2014 ， 34 （ 4 ）： 123 - 129 .

Chen L W ， Xu H R ， Yuan X M . Influence of shear-wave velocity uncertainty on seismic site response analysis for a shallow stiff site ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 2014 ， 34 （ 4 ）： 123 - 129 . （in Chinese）

Zalachoris G ， Rathje E M . Evaluation of one-dimensional site response techniques using borehole arrays ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2015 ， 141 （ 12 ）： 04015053 .

卢颖，王海云，姜伟平，等 . 金银岛岩土台阵原位剪切波速剖面评估［J］. 世界地震工程， 2022 ， 38 （ 4 ）： 204 - 210 .

Lu Y ， Wang H Y ， Jiang W P ， et al . In‑situ shear wave velocity profile assessment of Treasure Island Geotechnical Array ［J］. World Earthquake Engineering ， 2022 ， 38 （ 4 ）： 204 - 210 . （in Chinese）

Miao Y ， He H J ， Liu H B ， et al . Reproducing ground response using in situ soil dynamic parameters ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2022 ， 51 （ 10 ）： 2449 - 2465 .

Houston H . An introduction to seismology， earthquakes， and earth structure ［J］. Physics Today ， 2003 ， 56 （ 10 ）： 66 - 67 .

Tao Y M ， Rathje E . Insights into modeling small-strain site response derived from downhole array data ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2019 ， 145 （ 7 ）： 04019023 .

Yang J . Interpretation of seismic vertical amplification observed at an array site ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 2000 ， 90 （ 2 ）： 275 - 285 .

Han B ， Zdravkovic L ， Kontoe S ， et al . Numerical investigation of multi-directional site response based on KiK-net downhole array monitoring data ［J］. Computers & Geotechnics ， 2017 ， 89 ： 55 - 70 .

Nakata N ， Snieder R . Estimating near-surface shear wave velocities in Japan by applying seismic interferometry to KiK-net data ［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 2012 ， 117 （ B1 ）： 2011 JB008595.

Miao Y ， Shi Y ， Zhuang H Y ， et al . Influence of seasonal frozen soil on near-surface shear wave velocity in Eastern Hokkaido， Japan ［J］. Geophysical Research Letters ， 2019 ， 46 （ 16 ）： 9497 - 9508 .

Rubinstein J L . Evidence for widespread nonlinear strong ground motion in the M W 6.9 loma prieta earthquake ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 2004 ， 94 （ 5 ）： 1595 - 1608 .

Satoh T ， Kawase H ， Matsushima S . Differences between site characteristics obtained from microtremors， S-waves， P-waves， and codas ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 2001 ， 91 （ 2 ）： 313 - 334 .

Obermann A ， Planès T ， Larose E ， et al . Imaging preeruptive and coeruptive structural and mechanical changes of a volcano with ambient seismic noise ［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 2013 ， 118 （ 12 ）： 6285 - 6294 .

Takagi R ， Okada T . Temporal change in shear velocity and polarization anisotropy related to the 2011 M 9.0 Tohoku-Oki earthquake examined using KiK-net vertical array data ［J］. Geophysical Research Letters ， 2012 ， 39 （ 9 ）： 2012GL051342 .

Mehta K ， Snieder R ， Graizer V . Downhole receiver function： A case study ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 2007 ， 97 （ 5 ）： 1396 - 1403 .

Yamada M ， Mori J ， Ohmi S . Temporal changes of subsurface velocities during strong shaking as seen from seismic interferometry ［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 2010 ， 115 （ B3 ）： 2009 JB006567.

Kalkan E ， Wen W P ， Heo Y . Delaney park geotechnical array dynamic properties inferred from the magnitude 7.1 2018 anchorage， Alaska， earthquake sequence ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2021 ， 147 ： 04020150 .

Legates D R ， McCabe Jr G J . Evaluating the use of “goodness-of-fit” Measures in hydrologic and hydroclimatic model validation ［J］. Water Resources Research ， 1999 ， 35 （ 1 ）： 233 - 241 .

Hwan K ， Chan M . Berth scheduling by simulated annealing ［J］. Transportation Research Part B： Methodological ， 2003 ， 37 （ 6 ）： 541 - 560 .

程庆乐，任昊天，田源，等 . 考虑时域和频域特征的图片时序数据解析方法：以地震动数据为例［J］. 防灾减灾工程学报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 110 - 118 .

Cheng Q L ， Ren H T ， Tian Y ， et al . Image time-series data analysis method considering time and frequency domain characteristics： A case study of ground motion data ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 110 - 118 . （in Chinese）

樊燕燕，吕昱颖，李子奇，等 . 地震灾害视角下四川省地震带区域城市韧性评价［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 6 ）： 1323 - 1335 .

Fan Y Y ， Lyu Y Y ， Li Z Q ， et al . Evaluation of urban resilience in Sichuan seismic belt from the perspective of earthquake disaster ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2024 ， 44 （ 6 ）： 1323 - 1335 . （in Chinese）

Thompson E M ， Baise L G ， Tanaka Y ， et al . A taxonomy of site response complexity ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2012 ， 41 ： 32 - 43 .

Hallal M M ， Cox B R . An H/V geostatistical approach for building pseudo-3D Vs models to account for spatial variability in ground response analyses Part I： Model development ［J］. Earthquake Spectra ， 2021 ， 37 （ 3 ）： 2013 - 2040 .

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