成都地區(qū)區(qū)域性場地的地震響應(yīng)分析

陳 琪，張玉萍

(1.西南交通大學(xué)高速鐵道線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

成都地區(qū)位于我國南北地震帶中段東部，歷史上曾遭受過來自龍泉山斷裂帶和蒲江—德陽斷裂近震的襲擊及川西地區(qū)各主要地震帶中、遠(yuǎn)震的影響。從區(qū)域構(gòu)造背景和地震活動分析可知，成都市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定。1978年四川省地震局、地質(zhì)局等單位編寫的《成都地區(qū)基本烈度鑒定報告》，將本區(qū)基本烈度定為Ⅶ度，為本區(qū)工程建設(shè)提供了重要依據(jù)［1］。曾勇［2］也研究了本區(qū)未來地震危險性趨勢及強(qiáng)震地面運(yùn)動特征，但是上述研究都沒有考慮成都黏土結(jié)構(gòu)的特殊性及其動力反應(yīng)特性。2008年5月12日發(fā)生的四川汶川特大地震［3］，震中距成都達(dá)70 km，但卻給成都的結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重破壞。其原因或許是成都表層黏土對地震波有放大作用，但是黏土的放大程度和周期的影響等關(guān)系到結(jié)構(gòu)抗震的問題，卻較少被研究，本文將針對這些問題開展工作。擬采用國際上普遍使用的由Bardet和Tobita開發(fā)的軟件NERA(Nonlinear Earthquake site Response Analyses)進(jìn)行分析，此軟件主要用于非線性一維地震場地反應(yīng)分析。

根據(jù)成都地區(qū)曾發(fā)生過的地震可知，龍泉山斷裂帶和龍門山斷裂帶距成都地區(qū)的距離分別為10 km和70 km左右。為此本文從臺灣集集地震記錄中選取了震中距為10 km內(nèi)和60～80 km各25個地震動記錄(汶川地震記錄沒有足夠的硬土場地記錄)，并分別計(jì)算了加速度譜和不同譜周期下的譜比，確定了成都表層黏土對地震波的放大效應(yīng)。然后對不同震中距下的25個加速度譜進(jìn)行了平均，進(jìn)而把平均地面反應(yīng)譜與成都地區(qū)的設(shè)計(jì)地震譜進(jìn)行了比較。

1 場地土層性質(zhì)

成都地區(qū)是中生代坳陷盆地，地表堆積了第四系松散沉積層，本次研究即對此第四系松散沉積層對地震動的反應(yīng)進(jìn)行了分析。所選場地的地勘深度為36.5 m，此范圍內(nèi)地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層(Qml4)及第四系中下更新統(tǒng)冰水堆積物(Qfgl1+2)組成，下伏白堊系灌口組(K2g)泥巖。在場地鉆孔內(nèi)未見地下水，部分地段有地表積水。土層性質(zhì)如表1所示。

表1 土層性質(zhì)和剪切波速

由剪切波速和土層密度，可計(jì)算最大剪切模量Gmax，從而得到由 Hardin and Drnevich 模型［4］擬合的G/Gmax和阻尼比隨剪切應(yīng)變變化的關(guān)系，即G/Gmax－γ和λ－γ曲線。

2 地震動輸入

根據(jù)成都地區(qū)地質(zhì)條件，由剪切波計(jì)算公式可以計(jì)算出土層的平均剪切波速Vs=420 m/s，并由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)得到場地類別為Ⅱ類。根據(jù)斷層類型(汶川地震為逆沖斷層)、震級(臺灣集集地震震級是7.6，汶川地震震級是7.9)、場地類別(Ⅱ類場地對應(yīng)臺灣地區(qū)的C類場地)、震中距的相似性，本次計(jì)算選取的是臺灣集集地震記錄中的部分記錄。為了探討近源地震的影響，選取了震中距為10 km內(nèi)的25個地震記錄。考慮龍門山距成都70 km，選取了60～80 km內(nèi)的C類場地的地震記錄。

圖1和圖2分別給出了震中距9.77 km、地震加速度0.345g和震中距64.15 km、地震加速度0.044g的時程曲線。

3 計(jì)算分析

3.1 峰值加速度放大比

本節(jié)重點(diǎn)研究峰值加速度放大比(地表輸出PGA與輸入PGA的比值)。為此分別把震中距為10 km內(nèi)的25個地震記錄輸入，計(jì)算了PGA的放大比，并得到了PGA放大比與輸入PGA的關(guān)系。以及把60～80 km內(nèi)的25個地震記錄輸入，得到了在此條件下的PGA的放大比與輸入PGA的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖1 地震動“Chy006-n”的加速度時程曲線

圖2 地震動“Chy022-n”的加速度時程曲線

由圖3可以看出，當(dāng)震中距在10 km內(nèi)時，輸入PGA集中在0.1～1.0g范圍內(nèi)，場地對地震最大加速度的放大比為0.5～2.0倍。同時可以看出，震中距為10 km內(nèi)時，PGA放大比明顯隨輸入PGA的增大而減小。當(dāng)輸入PGA＜0.32g時，放大比＞1，而輸入PGA＞0.32g時，放大比＜1，即場地對地震動有減小效應(yīng)，原因是成都表層黏土發(fā)生了非線性反應(yīng)。此結(jié)論也與Idriss［5］提出的結(jié)論(當(dāng) PGA ＞0.3～0.4g時放大比 ＜1)相符。而震中距為60～80 km時，輸入PGA集中在0.02～0.10g范圍內(nèi)，放大比卻為1.6～2.8倍。即當(dāng)震中離場地較遠(yuǎn)時，場地對峰值加速度的放大較大。由于汶川地震發(fā)生在距成都約70 km，因此場地對地震動有放大作用，對建筑物的影響不容忽視。

圖3 峰值加速度放大比

3.2 譜加速度放大比

根據(jù)建筑物自振周期與其高度的關(guān)系，低層建筑自振周期約0.2 s，一般高度建筑物的自振周期為0.5～1.0 s，為此這里分別計(jì)算了周期為 0.2 s，0.5 s，1.0 s時的譜加速度(SA)放大比(輸出SA與輸入SA的比值)與輸入SA的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同自振周期下的SA放大比

由圖4(a)可以看出當(dāng)T=0.2 s時，震中距為10 km內(nèi)時SA放大比為0.7～2.0倍，且隨SA的增加放大比有減小的趨勢。當(dāng)輸入SA＜1.25g時放大比＞1，當(dāng)輸入SA＞1.25g時放大比＜1。震中距為60～80 km時SA放大比為1.5～2.6倍，且由于輸入SA范圍較小，其放大比沒有隨輸入SA明顯增大或減小。但可以看出相對震中距較小時，震中距較大時放大比也較大。

由圖4(b)可以看出，T=0.5 s時，震中距為10 km內(nèi)時SA放大比為0.7～2.0倍，且隨SA增大放大比有減小的趨勢。當(dāng)輸入SA＜1.3g時放大比＞1，當(dāng)輸入SA＞1.3g時放大比＜1。震中距為60～80 km時SA放大比為1.4～2.2倍。

由圖4(c)可以看出當(dāng)T=1.0 s時，震中距為10 km內(nèi)時SA放大比為0.9～1.4倍，放大比基本集中在1.25左右，并且放大比基本不再小于1(由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限，圖中擬合曲線有一定誤差)。震中距為60～80 km時SA放大比為1.1～1.3倍，但都集中在1.2倍附近。

3.3 放大比比較

此場地地表對峰值加速度的放大比在震中距大時較大，且相同自振周期下，震中距大時SA放大比較大。相同震中距下，自振周期大時放大比較小，即地震對場地內(nèi)的高層建筑比低矮建筑影響小，這是由場地表層軟土的非線性反應(yīng)引起的(見表2)。

表2 放大比匯總

4 設(shè)計(jì)譜

成都地區(qū)場地類別為Ⅱ，取特征周期分區(qū)為二區(qū)，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］，得到地震動反應(yīng)譜特征周期Tg=0.4 s。其中曲線部分動力放大系數(shù)為

將相同震中距下的25個地震動輸出的加速度譜換算為動力放大系數(shù)β并進(jìn)行平均，可得擬合曲線如圖5所示。由圖5(a)可以看出，震中距為10 km內(nèi)時，設(shè)計(jì)地震譜與本文擬合的曲線有一定差別。在0.2～4.0 s范圍內(nèi)設(shè)計(jì)地震譜動力放大系數(shù)偏小，約小10%～50%。但由于此次計(jì)算采用的是7.6級地震記錄，而離成都10 km的龍泉山斷裂帶發(fā)生大地震的可能性極小，所以設(shè)計(jì)地震譜在一般情況下應(yīng)該依然適用。由圖5(b)可以看出，震中距為60～80 km時，設(shè)計(jì)地震譜在0.4～2 s之間基本適用。當(dāng)周期在0.2～0.4 s之間時，計(jì)算出的曲線出現(xiàn)了較大峰值，因此在這個周期范圍，使用設(shè)計(jì)地震譜設(shè)計(jì)時將可能偏于危險。比較不同震中距下的曲線可以看出，當(dāng)震中距不同時，設(shè)計(jì)地震譜也應(yīng)不同，因此在使用設(shè)計(jì)地震譜時，要謹(jǐn)慎考慮震中距的影響。

圖5 設(shè)計(jì)譜擬合曲線

5 結(jié)論

通過對一個典型成都場地輸入震中距為10 km內(nèi)和60～80 km的各25個加速度時程記錄的分析計(jì)算，得到結(jié)論如下:

1)當(dāng)震中離場地10 km內(nèi)時，場地對地震峰值加速度的放大比為0.5～2.0倍，而震中距為60～80 km時，放大比卻為1.6～2.8倍，即當(dāng)震中離成都場地較遠(yuǎn)時，場地對峰值加速度的放大比反而大。

2)在相同震中距的情況下，場地對T=1.0 s時譜加速度的放大比T=0.2 s時的小，地震對場地內(nèi)高層建筑的影響相對低層建筑較小。在相同短周期的情況下，震中距大的譜加速度放大比稍大，即對于低矮建筑，當(dāng)震源離場地較遠(yuǎn)時所受影響偏大;在相同長周期的情況下，不同震中距的譜加速度放大比相差不是很大。

3)成都地區(qū)對設(shè)計(jì)地震譜在震中距為60～80 km時基本適用。當(dāng)震中距為10 km內(nèi)時，設(shè)計(jì)地震譜在0.2～4.0 s范圍內(nèi)偏小約10% ～50%;不同震中距的設(shè)計(jì)地震譜應(yīng)有所不同。

［1］國家地震局西南烈度隊(duì).西南地區(qū)地震地質(zhì)及烈度區(qū)劃探討［M］.北京:地震出版社，1978.

［2］曾勇.成都平原東部地震危險性及強(qiáng)震地面運(yùn)動特征［D］.成都:成都地質(zhì)學(xué)院，1990.

［3］閔衛(wèi)鯨，張炳焜，李磊，等.汶川地震中高路堤的抗震響應(yīng)分析［J］.鐵道建筑，2010(12):66-69.

［4］HARDIN B O，DRNEVICH V P.Shear modulus and damping in soils:measurement and parameter effects［J］.Journal of the soil mechanism and foundation division，ASCE，1972，98(6):603-624.

［5］IDRISS I M.Response of soft soil sites during earthquakes［C］//Proceedings of memorial symposium to honor professor Harry Bolton Seed.Berkeley California，1990:273-289.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2006.