剪切波速對場地地表地震動參數(shù)的影響1

曹均鋒 馮偉棟 孟凡月 董雙林 翟洪濤

（安徽省地震局，合肥 230031）

引言

在工程場地地震安全性評價工作中，土層剪切波速由于能夠反映土體動力特性，一直是評價場地條件的重要指標(biāo)和土層地震反應(yīng)分析中不可缺少的基本參數(shù)。目前，土層剪切波速主要是通過原位測試得到的，測試方法主要有單孔檢層法、跨孔法、瞬態(tài)面波法和穩(wěn)態(tài)面波法等。在實(shí)際場地剪切波速測試工作中，由于存在鉆孔位置選取、施工方法、測試方法、儀器精度、人工操作等方面的差異，使得剪切波速的測試結(jié)果存在較大的離散性，而且這種離散性可高達(dá)30%—40%，甚至更高，會給科學(xué)合理地確定場地地震動參數(shù)帶來嚴(yán)重的干擾 （高玉峰等，2001；劉紅帥等，2005；蘭景巖等，2007；陳國興等，2007；孫銳等，2009）。因此，深入研究土層剪切波速的變異性對場地地表地震動參數(shù)的影響，對相應(yīng)的影響范圍和變化趨勢進(jìn)行探討是一項(xiàng)非常有意義的工作。

本文以江淮地區(qū)典型場地資料為原型，將其剪切波速實(shí)測值按照一定比例進(jìn)行增減，重點(diǎn)分析了土層剪切波速的變化對場地地表峰值加速度、加速度反應(yīng)譜的影響，以期為合理確定安徽及同類地區(qū)的重大建設(shè)工程抗震設(shè)防要求提供參考。

1 分析方法和計(jì)算參數(shù)

1.1 分析方法

目前，場地土層地震反應(yīng)分析計(jì)算的方法較多，如線彈性波動（及振動）分析方法、等效線性化波動分析方法、直接時域非線性積分分析方法等。工程上廣泛采用的方法是一維頻域等效線性化波動方法，也是《工程場地地震安全性評價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）推薦使用的方法（廖振鵬等，1989）。該方法是在總體動力學(xué)效應(yīng)大致相當(dāng)?shù)囊饬x上，用一個等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同應(yīng)變幅值下的剪切模量和阻尼比，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，利用頻域線性波動方法求解。本文在土層地震反應(yīng)分析中即運(yùn)用該種方法。

1.2 基本剖面

在江淮地區(qū)某場地資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合一維頻域等效線性化波動方法的要求，確定2個典型鉆孔ZK4、ZK24作為基本計(jì)算剖面。其中，ZK4的覆蓋層厚42.3m，主要由填土、粘土、中粗砂和砂巖組成，屬于中硬場地土；ZK24的覆蓋層厚29.4m，主要由填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、中粗砂、礫石和砂巖等組成，屬于中軟場地土?；居?jì)算剖面的土層分布情況及實(shí)測剪切波速詳見圖 1。土層非線性動力參數(shù)主要是通過現(xiàn)場取典型土樣進(jìn)行動三軸試驗(yàn)得到的，部分土層動力參數(shù)采用經(jīng)典推薦值（袁曉銘等，2000）。

圖1 基本剖面鉆孔柱狀圖Fig. 1 The drilling histogram of basic profile

1.3 輸入基巖地震動

根據(jù)輸入地震動的選取原則，本次選取了Taft、E1centro和Kobe三條符合要求的實(shí)際強(qiáng)震記錄的時程（圖2），選取的持時均為40s。然后將強(qiáng)震記錄的加速度峰值均分別調(diào)整為50gal、100gal、200gal、400gal，并將幅值縮小一半的時程作為基巖的地震動輸入。

圖2 三條基巖輸入強(qiáng)震記錄Fig. 2 The three input strong motion records

2 地震反應(yīng)分析結(jié)果

基于對鉆孔 ZK4、ZK24基本剖面的分析，對同一剖面將各土層的剪切波速實(shí)測值分別按5%、10%、15%、20%比例進(jìn)行增大或減小建立9種土層反應(yīng)分析模型，選取調(diào)整后的3組地震波作為輸入地震動，共對216個工況進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，得到各地表峰值加速度Amax(gal) 及地表加速度反應(yīng)譜的特征周期Tg(s) 如表1、表2所示（注：表中Amax和Tg取同一峰值下3條輸入波計(jì)算結(jié)果的均值）。其中，反應(yīng)譜的特征周期Tg(s) 取反應(yīng)譜平臺值A(chǔ)maxβm與反應(yīng)譜曲線的右相交點(diǎn)的橫坐標(biāo)周期值，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（胡聿賢等，2001），反應(yīng)譜的放大系數(shù)βm統(tǒng)一取2.5。

表1 不同土層剪切波速下的峰值加速度Amax(gal)Table 1 The acceleration peak Amax(gal) under different shear velocity of soil layers

續(xù)表

表2 不同土層剪切波速下的反應(yīng)譜特征周期Tg(s)Table 2 The characteristic period of response spectrum Tg(s) under different shear velocity of soil layers

圖3和圖4為2個鉆孔輸入E1centro（1940NS）波時不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜。由圖中可以看出：

（1）對于剖面ZK4而言，當(dāng)輸入基巖峰值≤100gal時，不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜僅在 0—1.0s較短周期范圍內(nèi)呈現(xiàn)略微變化，周期越短，反應(yīng)譜變化越顯著，反應(yīng)譜在1.0s以后受土層剪切波速的影響基本可以忽略。當(dāng)輸入基巖峰值超過200gal時（即大震作用下），地表加速度反應(yīng)譜的形狀在0—6.0s范圍內(nèi)均受到土層剪切波速不同程度的影響，當(dāng)土層剪切波速減小時，反應(yīng)譜的長周期部分右移，短周期譜值減小，長周期部分譜值普遍增大；當(dāng)土層剪切波速增大時，短周期譜值增大，反應(yīng)譜中、短周期部分影響較大，反應(yīng)譜曲線向左移動。

圖3 ZK4不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜Fig. 3 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK4

圖4 ZK24不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜Fig. 4 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK24

（2）由于剖面ZK24包含淤泥質(zhì)軟弱土層，而軟弱層表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，因此輸入基巖峰值的大小對其地表加速度反應(yīng)譜差異影響有限。當(dāng)輸入基巖峰值為50gal時，不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜在 0—6.0s范圍即開始呈現(xiàn)較大差異，隨著輸入基巖峰值的增加，反應(yīng)譜的形狀差異呈擴(kuò)大趨勢，總體表現(xiàn)為與ZK4大震作用下呈現(xiàn)的趨勢基本一致。

3 剪切波速變異性影響分析

為分析土層剪切波速變異性對場地地震動參數(shù)的影響，將調(diào)整后的剪切波速計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。為直觀表示差異，以實(shí)測值計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，表 3、表 4、圖5和圖6分別給出了8種縮放的剪切波速計(jì)算結(jié)果與波速實(shí)測值計(jì)算結(jié)果的相對偏差。

表3 地表峰值加速度比較結(jié)果Table 3 The comparison results of peak ground acceleration

表4 反應(yīng)譜特征周期比較結(jié)果Table 4 The comparison results of characteristic period of response spectrum

從以上結(jié)果可以看出：

（1）在同一基本剖面下，將實(shí)測土層剪切波速值在20%范圍內(nèi)增加或減小，得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測剪切波速的計(jì)算結(jié)果存在較大差異，剪切波速差異性越大，其地表峰值加速度和地表加速度反應(yīng)譜特征周期的變化也越大。對于剖面ZK4而言，地表峰值加速度的變化幅度為-16.7%—7.3%，反應(yīng)譜特征周期的變化幅度為-16.7%—27.5%；對于剖面ZK24而言，地表峰值加速度的變化幅度為-34.5%—24.7%，反應(yīng)譜特征周期的變化幅度為-16.8%—23.6%。

（2）地表地震動峰值加速度與土層剪切波速值呈正相關(guān)，土層剪切波速減小，地震動峰值加速度也逐漸減??；土層剪切波速增大，地震動峰值加速度也逐漸增大。如剖面ZK24在基巖輸入峰值200gal條件下，當(dāng)土層剪切波速從減小5%依次減小20%時，與實(shí)測剪切波速計(jì)算的地震動峰值加速度相比，其地震動峰值加速度的差異也從-6.5%逐漸減小為-34.5%，反之亦然。

（3）地表加速度反應(yīng)譜特征周期與土層剪切波速值呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)土層剪切波速減小時，反應(yīng)譜特征周期反而會相應(yīng)增加；當(dāng)土層剪切波速增大時，反應(yīng)譜特征周期會相應(yīng)減小。如剖面ZK4在基巖輸入峰值100gal條件下，當(dāng)土層剪切波速從減小5%依次減小20%時，與實(shí)測剪切波速計(jì)算的反應(yīng)譜特征周期相比，其反應(yīng)譜特征周期的差異也從 2.1%逐漸增大為12.0%，反之亦然。

（4）相比較而言，土層剪切波速減小對地表地震動峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的影響比土層剪切波速增大時影響程度要略微大一些。

（5）土層剪切波速的變異性對場地地表地震動的影響程度受輸入基巖地震動的幅值的制約?？傮w上表現(xiàn)為隨著輸入基巖地震動峰值的增大，不同的土層剪切波速下的地表峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的差異也逐漸增大。

（6）同一基巖地震動輸入下，場地相對較軟的剖面ZK24的土層剪切波速變化對地震動峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的影響程度比剖面ZK4大，表明土層剪切波速的變異性對場地地表地震動的影響程度與場地的土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，土層剪切波速的大小直接反映了場地土層的“軟”、“硬”程度，場地越軟，影響越大。

圖5 土層剪切波速變化對地表峰值加速度的影響Fig. 5 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on peak ground acceleration

圖6 土層剪切波速變化對反應(yīng)譜特征周期的影響Fig. 6 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on characteristic period of response spectrum

4 結(jié)語

本文以江淮地區(qū)典型場地資料為原型，采用一維頻域等效線性化波動方法重點(diǎn)分析了土層剪切波速的變化對場地地表峰值加速度、加速度反應(yīng)譜的影響。研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)土層剪切波速減小時，地表地震動峰值加速度也逐漸減小，地表加速度反應(yīng)譜的長周期部分右移，長周期部分譜值普遍增大，反應(yīng)譜特征周期會相應(yīng)增加。

（2）當(dāng)土層剪切波速增大時，地表地震動峰值加速度也逐漸增加，地表加速度反應(yīng)譜的長周期部分右移，對反應(yīng)譜中、短周期部分影響較大，反應(yīng)譜曲線向左移動，反應(yīng)譜特征周期會相應(yīng)減小。

（3）相比較而言，土層剪切波速減小對地表地震動參數(shù)的影響比土層剪切波速增大對地表地震動參數(shù)的影響程度要略微大一些。

（4）土層剪切波速的差異對場地地表地震動的影響程度與輸入基巖地震動的頻譜特性、幅值及場地土層結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

由此可見，土層剪切波速的變化對場地地表地震動有著顯著影響，因此，獲取客觀的土層剪切波速資料對土層地震反應(yīng)分析來說至關(guān)重要。

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