軟弱土層對(duì)場地地震反應(yīng)的影響分析

田守岐

中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010

軟弱土層對(duì)場地地震反應(yīng)的影響分析

田守岐

中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010

目的 研究軟弱土層不同排列方式、在土層結(jié)構(gòu)中的位置及其厚度變化對(duì)地表加速度反應(yīng)譜的影響.方法 應(yīng)用一維波動(dòng)理論等效線性化分析方法。結(jié)果 求出了含軟弱土層的不同土層結(jié)構(gòu)在地震作用下地表加速度反應(yīng)譜，分析了反應(yīng)譜加速度峰值及特征周期Tg的變化趨勢(shì)。結(jié)論 同樣都是Ⅲ類場地情況下，軟弱土層的存在使地表地震動(dòng)參數(shù)值與不含軟土層的場地得到的值相比有很大變化，軟弱土層在土層結(jié)構(gòu)中的位置不同地震動(dòng)參數(shù)值的差異也很大。

軟弱土層；土層結(jié)構(gòu)；反應(yīng)譜；特征周期

引言

現(xiàn)有的土層地震反應(yīng)分析方法有波動(dòng)法、集中質(zhì)量法等。本文計(jì)算所使用的是目前我國地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃研究工作中廣泛采用的一位波動(dòng)理論等效線性化解法。多數(shù)情況下，工程場地土層的力學(xué)性質(zhì)在橫向的變化較之沿深度的變化為小，在估算土層地震反應(yīng)時(shí)通常先予考慮土體和巖石力學(xué)性質(zhì)沿深度的變化；同時(shí)，通常在計(jì)算地震反應(yīng)時(shí)假定地震輸入是豎直向上的剪切波，因此，土層地震反映問題通常簡化為一維波動(dòng)問題。

1 輸入地震波的選擇

圖1 天津波加速度時(shí)程曲線

選真實(shí)地震記錄天津波104.3gal（圖1）作為由基巖向上入射的地震波，選擇Ⅲ類場地作為研究對(duì)象。所有計(jì)算土層結(jié)構(gòu)均為13層，場地覆蓋層厚度取110m。文中軟弱土層指剪切波速小于140m/s的土層。土層結(jié)構(gòu)按軟弱土層的不同位置劃分為在底部、頂部和中部三種情況，其確定方法為：底部為倒數(shù)第二、三層，頂部為第一、二層，中部為底部和頂部之間的其他各層。構(gòu)造不含軟弱土層的正常剖面時(shí)，只將其中軟弱土層換為非軟弱土層。調(diào)整軟土夾層埋深及其厚度的同時(shí)保證場地的類別不變。

對(duì)于彈性均勻介質(zhì)半無限空間問題，地震動(dòng)場在自由表面處的值為入射波場值的二倍，基于這一理論結(jié)果對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行近似處理，規(guī)定地震輸入界面處的地震波應(yīng)按自由基巖地震動(dòng)時(shí)程幅值的50%輸入。

2 數(shù)值計(jì)算分析

依據(jù)《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)工作規(guī)范》（DB 001-94），取各土層動(dòng)剪切模量比G/Gmax與阻尼比 隨剪應(yīng)變 的變化關(guān)系。

利用一維等效線性化波動(dòng)理論方法計(jì)算了不同場地剖面在不同地震動(dòng)輸入下地表加速度峰值和速度峰值，并采用雙參數(shù)標(biāo)定設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的方法確定了加速度反應(yīng)譜擬合譜的特征周期。

2.1 軟弱土層埋深對(duì)反應(yīng)譜的影響

選取厚度為2.1m、6.6m及8.1m的軟土層，剪切波速值為97.5m/s，密度值為1.63t/m3，并分別計(jì)算三種厚度軟土層居于土層結(jié)構(gòu)的不同位置時(shí)的地表加速度反應(yīng)，分析其對(duì)地表峰值加速度及特征周期的影響。圖中D表示軟弱土層的埋置深度，hr表示軟弱土層的厚度。

圖2 Tg隨軟弱土層埋深的變化曲線

圖3 隨軟弱土層埋深的變化曲線

由圖2、圖3可知：

(1) Tg值隨著軟弱土層埋置深度的增加變化比較復(fù)雜，總體隨著埋深增加Tg值有所增大。當(dāng)埋深小于8m的時(shí)候增大的趨勢(shì)較明顯，隨后有一個(gè)逐漸減小的過程，埋深達(dá)到60m 的時(shí)候又開始逐漸增加，8.1m厚的軟夾層Tg值變化比其他兩種明顯；

(2) 地表峰值加速度amax隨著軟夾層的埋深有著明顯的減小趨勢(shì)，只有在8m～15m之間有微小的增加，形成一個(gè)臺(tái)階轉(zhuǎn)折。埋深小于8m的時(shí)候減小趨勢(shì)最明顯，大于15m時(shí)減小趨勢(shì)相對(duì)較小。

2.2 軟弱表層對(duì)反應(yīng)譜的影響

軟弱表層取剪切波速為97.5m/s，密度值為1.63t/m3，厚度由0.1m～10.1m變化，按照淤泥質(zhì)土計(jì)算。與其對(duì)應(yīng)的正常土層剪切波速為187.5m/s，密度值為1.85t/m3，按照表土計(jì)算，其他土層結(jié)構(gòu)及參數(shù)保持一致。

圖4 Tg隨軟表土層厚度變化曲線

圖5 隨軟表土層厚度變化曲線

由圖4、圖5可以得出以下結(jié)論：

(1) 含軟表土層的反應(yīng)譜特征周期Tg值與不含軟表層的Tg相比有明顯減小，軟弱表層厚度1.6m～2.6m之間時(shí)Tg達(dá)到最低，約0.375s，之后隨著厚度增加Tg值逐漸增大，當(dāng)達(dá)到7.6m時(shí)Tg值趨于平衡約0.625s。

(2) 含軟表土層的地表峰值加速度amax與不含軟表層的場地地表峰值加速度相比有明顯增大，增大倍數(shù)約為1.6～1.8，由此可見軟弱表層會(huì)對(duì)地震地面作用產(chǎn)生放大的影響；hr小于2.6m時(shí)amax隨著軟表土層厚度的增加而增大，0.1m～1.6m之間增大明顯，1.6m～2.6m為最大區(qū)域；hr在2.6m～6.0m時(shí)amax隨著hr的增加而減小，之后趨于平緩約135gal。

3 結(jié)語

雖然場地類別一致，但由于軟弱夾層的存在，地震作用及地震動(dòng)參數(shù)都可能有很大的變化，因而在場地類別劃分時(shí)考慮軟弱土層的影響是很必要的，本文研究得到的初步成果能夠?qū)龅仡悇e劃分的方法及地震動(dòng)參數(shù)的確定方法起到一些借鑒作用。

本文著重研究了不同情況下軟弱土層對(duì)地震反應(yīng)的影響，得到主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

(1) 對(duì)反應(yīng)譜特征周期Tg的影響

同樣厚度的軟弱土層的埋深對(duì)Tg影響不是很大，總體有隨埋深增加的趨勢(shì)。同樣都是Ⅲ類場地情況下，軟弱土層的存在使Tg值與不含軟土層的場地得到的值相比有很大變化，軟弱土層在土層結(jié)構(gòu)中的位置不同Tg值的差異也很大。處于場地表面時(shí)Tg值與正常相比明顯減小，最大差達(dá)到0.3s；處于土層結(jié)構(gòu)20m時(shí)，Tg值隨著軟弱土層厚度的增加而增大；處于基巖表面時(shí)，Tg值明顯大于正常場地剖面計(jì)算的結(jié)果。

(2) 對(duì)地表峰值加速度的影響

軟弱土層埋置深度越深，地表峰值加速度越大。同樣都是Ⅲ類場地情況下，當(dāng)軟弱土層處于地表和埋深20m處時(shí)，地表峰值加速度都比正常場地計(jì)算結(jié)果大，對(duì)地震影響起到放大的作用；軟弱土層處于基巖頂面時(shí)，地表峰值加速度與正常場地計(jì)算結(jié)果相比要小，能夠使地震作用削弱，當(dāng)厚度達(dá)到一定值時(shí)可以起到隔震的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.16.006