地層結(jié)構(gòu)對地表地震響應的影響研究

蔣建平，閆澤豐

（上海海事大學海洋環(huán)境與工程學院，上海 201306）

地震會對地表的各類工程造成嚴重危害[1～3]。相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，地震所造成的建（構(gòu)）筑物破壞，除了與地震烈度和結(jié)構(gòu)物特性有關(guān)外，還與建筑物所在場地的地質(zhì)條件有密切關(guān)系[4～10]。

早在1908年Wood在分析1906年舊金山大地震時，就已認識到場地條件對地震震害的重要影響。在這次地震中，市內(nèi)軟弱地基上的震害更為顯著；1967年委內(nèi)瑞拉地震時，場地覆蓋層厚度不同，震害存在明顯差異；1968年和1970年菲律賓馬尼拉地震中，不同高度建筑物破壞程度隨沉積土層厚度變化而明顯不同。

地震波由震源向地表面?zhèn)鞑?，在?jīng)過不同地層時，因各地層對地震波的透射、反射、阻尼等性質(zhì)不同，會造成地表各點的地震反應不一致。有時由于地層變化大，相鄰場地的烈度可以相差1～2度，或在區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)小范圍的震害異常區(qū)。

地層結(jié)構(gòu)是場地地質(zhì)條件的重要內(nèi)容之一。地層結(jié)構(gòu)是地層的疊覆、堆積或空間組合狀態(tài)，地層的結(jié)構(gòu)效應是工程地層學的重要研究內(nèi)容[11]。目前有關(guān)地層結(jié)構(gòu)對地震響應影響方面的研究很少[12～14]，相關(guān)技術(shù)規(guī)程也只是將不同地層按剪切波速作等效化處理[15]。

地層地震反應分析是當前工程場地地震安全性評價工作中的重要組成部分，直接為上部結(jié)構(gòu)提供地震動參數(shù)，為建筑物的抗震設(shè)防提供必不可少的技術(shù)支持；地層地震反應分析也是地震工程中的重要研究領(lǐng)域，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，本研究具有一定的理論價值和實際意義。

1 地層結(jié)構(gòu)與地震波設(shè)定

本文采用三層地層結(jié)構(gòu)并按5種結(jié)構(gòu)類型模擬計算地震響應。選擇軟土地區(qū)常見的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉砂三種土性地層，分別代表土層強度的軟、中、硬三類，并概化組合成不同地層結(jié)構(gòu)形式。同時對三種地層的剪切波速進行等效化處理，作為均質(zhì)土層，用于比較分析。為利于在理論上分析地層結(jié)構(gòu)的影響，各土層設(shè)為同等厚度(2m)。地層基本特性及結(jié)構(gòu)類型組合見表1、表2。

表1 地層基本特性Table 1 The basic characteristics of strata

表2 地層結(jié)構(gòu)組合類型Table 2 The compositional type of strata structure

地震動是在地層下部的基巖面輸入水平地震波，選用頻譜差異較大的El-Centro地震波和Concrete地震波，其加速度時程曲線如圖1所示。從圖2的F譜曲線上可發(fā)現(xiàn)兩地震波的頻譜特性有較大差異，El-Centro地震波的頻率范圍較寬，而Concrete地震波的頻率范圍較窄，主要集中在4Hz以內(nèi)。本文計算中抗震設(shè)防烈度采用8度，因此兩地震波的加速度峰值都調(diào)整到0.30g。

具體計算時是采用ABAQUS軟件中的動力模塊，土體采用摩爾庫倫模型，動力邊界采用吸收邊界。

圖1 地震波加速度時程曲線Fig.1 The acceleration time history curves of seismic waves

圖2 地震波Fourier譜曲線Fig.2 The Fourier spectrum of seismic waves

2 模擬結(jié)果及其分析

通過計算得到地面點有關(guān)位移、加速度、速度的時程曲線、峰值曲線及Fourier譜、能量譜、反應譜曲線如圖3～圖13所示。

圖3 地面點水平位移時程曲線Fig.3 The displacement-time curves of point on the ground

圖4 地面點水平位移峰值Fig.4 The displacement peak value curves of point on the ground

圖5 地面點水平位移殘余值比較Fig.5 The displacement residual value curves of point on the ground

圖6 地面點加速度時程曲線Fig.6 The acceleration time history curves of point A on the ground

圖7 地面點加速度峰值Fig.7 The acceleration peak value curves of point on the ground

圖8 地面點速度時程曲線Fig.8 The velocity time history curves of point on the ground

圖9 地面點速度峰值比較Fig.9 The velocity peak value curves of point on the ground

圖10 地面點Fourier譜曲線Fig.10 The Fourier spectrum of point on the ground

圖11 地面點能量譜曲線比較Fig.11 The Power spectrum of point on the ground

圖12 地面點反應譜(頻率)曲線比較Fig.12 The Response spectrum (frequency)of point on the ground

圖13 地表A點的反應譜(周期)曲線比較Fig.13 The Response spectrum (Period)of point on the ground

由圖3的地面點水平位移時程曲線比較圖中可發(fā)現(xiàn)，在地震波作用下，雖然同一地震動作用下波形類似，但都顯示出不同的地層結(jié)構(gòu)可導致地面點位移時程的差異。在El-Centro地震波作用下，ΙΙ、ΙΙΙ地層結(jié)構(gòu)類型的曲線位于等效均質(zhì)土層結(jié)構(gòu)V曲線上方，Ι、ΙV地層結(jié)構(gòu)類型曲線則位于V曲線下方。說明淤泥質(zhì)粘土的C1地層與粉質(zhì)粘土夾粉砂的C3地層位于粉質(zhì)粘土的C2地層上時，其地面點的位移大于地基為均質(zhì)層C0時的位移；而當C1、C2地層位于C3地層上時，地面點位移小于C0時的位移。在Concrete地震波作用下，代表均質(zhì)層的V曲線基本上與ΙΙΙ曲線在大部分時段幾乎重合，ΙΙ曲線位于V曲線上方，Ι、ΙV曲線位于V曲線下方。說明從上往下C3、C1、C2排列的地層結(jié)構(gòu)情形下地面點的位移大于地基為均質(zhì)層C0時的位移；而當?shù)貙覥1、C2位于地層C3上時，則小于C0狀態(tài)下位移。

圖4顯示，各地層結(jié)構(gòu)情形下地面點的水平位移峰值也各不相同，特別是El-Centro地震波作用條件下。具體來說，El-Centro地震波作用下，C1、C2、C3排列的地層結(jié)構(gòu)的水平位移峰值最大；C2、C1、C3排列，C1、C3、C2排列，C3、C1、C2排列地層結(jié)構(gòu)的位移峰值都小于均質(zhì)層C0的位移峰值。在Concrete地震波作用下，C1、C3、C2地層結(jié)構(gòu)的水平位移峰值最大；C1、C2、C3地層結(jié)構(gòu)與C0均質(zhì)層的水平位移峰值相等；C3、C1、C2結(jié)構(gòu)類型則與C2、C1、C3排列的水平位移峰值相等。

從圖5上可看出，兩種地震波作用下地面點的水平位移殘余值的形態(tài)類似，都顯示C1C2C3、C2C1C3地層結(jié)構(gòu)的位移殘余值大，C3C1C2、C1C3C2地層結(jié)構(gòu)的位移殘余值小，而C0均質(zhì)層的位移殘余值處于中間層次。

從圖6可發(fā)現(xiàn)，地面點的各加速度時程曲線與原輸入波的波形類似；對兩種地震波，C0均質(zhì)層的波形幅度處在中間層次，C1C2C3與C1C3C2地層結(jié)構(gòu)的波形幅度處在較大層次，而C3C1C2與C2C1C3的地層結(jié)構(gòu)處在較小層次。圖7的加速度峰值曲線也顯示出這一特點。圖8、圖9所示的地面點速度時程曲線、速度峰值，也顯示了與加速度類似的結(jié)果。

圖10反映El-Centro及Concrete地震波作用下地面點的Fourier譜曲線簇，兩種地震波的作用效應有相似規(guī)律。圖示表明，El-Centro地震波作用下，C0均質(zhì)層的波形高度處在中間層次，C1C2C3、C1C3C2排列的地層結(jié)構(gòu)的波形幅度處在較高層次，而C3C1C2、C2C1C3排列的地層結(jié)構(gòu)的波形大小處在較低層次；Concrete地震波作用下，C1C2C3、C1C3C2排列的地層結(jié)構(gòu)的主頻率集中在2.5Hz左右，C3C1C2、C2C1C3排列地層結(jié)構(gòu)的主頻率集中在2.0Hz左右，而C0均質(zhì)層的主頻率集中在2.25Hz左右。

同樣，從圖11的地面點能量譜曲線簇，也可得出與之類似的結(jié)論。

圖12為兩地震波作用下以頻率為橫坐標的地面點反應譜曲線簇，且其中還加進了輸入波的反應譜曲線。從圖上可看出：C0均質(zhì)層的譜高度處在中間層次，C1C2C3、C1C3C2排列的地層結(jié)構(gòu)的譜高度處在較高層次，而C3C1C2、C2C1C3地層結(jié)構(gòu)的譜高度處在較低層次；各情形的主頻值與圖10、圖11一致；輸入波的譜高處于較低層次，其主頻值也偏小。

圖13為兩地震波作用下以周期為橫坐標的地面點反應譜曲線簇，同樣可得出與圖12類似的結(jié)論，只是主頻率較大的其主周期變成了較小。

3 結(jié)論

本文利用軟土地區(qū)常見的三種巖性土層，通過不同的地層結(jié)構(gòu)組合，模擬分析了地震波作用下地面點的響應，得出如下認識：

（1）其它條件相同而地層結(jié)構(gòu)不同，則地表的地震響應也不同。所以，工程場地地震反應分析，應考慮作為地質(zhì)條件重要內(nèi)容之一的地層結(jié)構(gòu)的影響，不可忽視。

（2）在基巖面輸入頻譜特性有較大差異的El-Centro及Concrete地震波時，地表的地震響應雖不相同但規(guī)律性類似，說明地震作用下地層結(jié)構(gòu)的影響普遍存在。

（3）地震波作用下，地表的加速度時程與峰值、速度時程與峰值、位移時程與峰值、位移殘余值，以及Fourier譜、能量譜、反應譜，基本上都存在均質(zhì)地層的值處在中間層次，軟-中-硬地層結(jié)構(gòu)、軟-硬-中地層結(jié)構(gòu)的值較大，而硬-軟-中地層結(jié)構(gòu)、中-軟-硬地層結(jié)構(gòu)的值較小。說明從上往下，土層彈性模量依次為高-低-中及中-低-高的地層組合結(jié)構(gòu)的抗震效果較好。

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