近場水平波動下局部坡地地形對場地反應的影響規(guī)律

賈海燕

(中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016 )

近場水平波動下局部坡地地形對場地反應的影響規(guī)律

賈海燕

(中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016 )

文章采用人工邊界從半無限土體中截取出局部坡地作為計算區(qū)域，并從邊界的底部垂直輸入水平方向振動的脈沖位移波，驗證了人工邊界的設置及水平波動輸入法的正確可行性。分析了不同的土質邊坡在同一坡角下，坡高和觀測點位置對場地反應產生的不同影響。

人工邊界； 垂直輸入； 脈沖； 土質邊坡； 場地反應

榮棉水曾選定鐘形脈沖作為地震動輸入。因該入射波時程在頻域內波形單一且?guī)捿^寬，與實際地震動情形相接近，雖然嚴格上僅適用于線彈性介質的場地情況[1]，但在做場地分析時基于它具有計算量小的優(yōu)勢，還是常在其它介質場地中被應用。文獻[2]用一個算例也說明了在分析非線彈性介質場地地形影響時，采用脈沖波相比實際地震動輸入更能清楚突現各頻段的放大縮小特性。2009年榮棉水、李小軍等人應用三角級數疊加的數值法人工合成了若干條所需要的地震動作為輸入[3]，但這些地震波的優(yōu)勢波長與文中所選用的平臺高度相比較大，對于時程中的優(yōu)勢波長與平臺高度相比較小的情況僅作了簡單考慮，使得研究所得結論的應用范圍受到限制。隨后，王麗萍將地震動輸入保守地考慮為頻率位于0.1～20 Hz的過濾白噪聲[4]，這種做法雖然能夠包含實際地震動可能出現的不同頻率分量反應，但對應的優(yōu)勢波長仍大于80 m，而在數值計算方案中局部臺地高度主要還是考慮在70 m以內，鑒于在入射波的優(yōu)勢波長與坡高相對較小的條件下，才能得到較為顯著的地形放大影響[5]，所以文中的分析方式也不能全面得出地形對場地反應的影響情況。

1 局部場地模型的建立

盡管脈沖輸入的研究范圍受到局限，但基于它計算量小，還是常在其它介質場地中被應用。工程結構關心的頻段基本在0.1～10 Hz，所以保守考慮尋找一種波形單一、通頻帶控制在0～20 Hz范圍內的鐘形脈沖。文中采用的脈沖位移時程及其傅立葉譜見圖1，以此來反映實際工程中敏感的高頻段。

圖1 位移脈沖及其傅立葉譜

本文將地形簡化為圖2所示，從半無限空間切取出有限的計算區(qū)域，其高和寬為計算敏感區(qū)域的3倍以外來滿足計算的精度要求，采用瑞雷阻尼和粘彈性人工邊界。模型設置了8個觀測點，斜坡分4等長段，坡頂和坡腳按斜坡觀測點的間距再各安設一個觀測點，觀測點1置于下平臺段計算長度中心。劉洪兵等人總結出，當地震動垂直入射時地形對地震動的影響是最顯著的[6]，文中在基巖底部邊界處垂直向上入射脈沖剪切位移波。

圖2 坡地地形示意

2 臺階地形對場地反應的影響

文中將研究對象設定為土質邊坡1、2和3，物性參數取值見表1，只通過改變坡體土質的彈性模量來改變剪切波速。在水平地震作用下，考察不同高度(5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m)的邊坡在同一坡角(60°)的條件下，各觀測點處位移和加速度的反應影響情況。

2.1 地形對邊坡位移的影響

將各觀測點位移最大值與觀測點1的地震動峰值位移的比值定義為位移放大系數。整個邊坡來說，觀測點2、6、7、8的位置(即坡頂和坡底)將是最大位移出現的地方。為了看清楚場地與觀測點位置的關系，現將各高度下各場地的觀測點位移放大系數繪制于圖3。

(a)坡高5 m位移放大系數

(b)坡高10 m位移放大系數

(c)坡高15 m位移放大系數

(d)坡高20 m位移放大系數

(e)坡高25 m位移放大系數

(f)坡高30 m位移放大系數

邊坡E/MPaρ/(kg·m-3)ν阻尼比Cs/(m·s-1)17220000．30．05118228820000．30．052353115220000．30．05471

圖3 各坡高時的位移放大系數

坡高5 m時，各場地位移放大系數均大于1，其中場地1的放大效果最明顯，而且其系數越靠近坡頂值越大，場地2和場地3的放大系數曲線隨觀測點高度的增加在降低；坡高10 m時，在坡頂的位置位移放大較明顯，其中場地2的放大值最大；坡高達到30 m時，場地3的 位移放大較突出。通過圖4可以看出地震動中，在坡高較低的情況下，場地1對坡體位移最不利，隨著坡高增大到一定值，場地3的不利效果更明顯。

2.2 地形對加速度的影響

提取觀測點3、4、5、6、7的加速度最大值繪于圖4中，可以清楚看出，坡段上各點的加速度最大值變化情況基本相同，各觀測點曲線中，場地3的值均大于場地2，場地2的值均大于場地1。其中，場地1的值隨著觀測點位置的變化峰值也在改變，在下坡段峰值出現在15 m坡高處，在上坡段峰值出現在5 m坡高的時候；而場地2各點均出現了兩個峰值，發(fā)生在5 m和25 m坡高的時候；場地3在10 m坡高的時候曲線達到峰值。

(a)觀測點3各坡高加速度最大值

(b)觀測點4各坡高加速度最大值

(c)觀測點5各坡高加速度最大值

(d)觀測點6各坡高加速度最大值

(e)觀測點7各坡高加速度最大值

3 結論

(1)單從位移反應來看，土體剪切波速越大時，坡體高度越低，反應情況相對更有利；當坡體高度達到一定值后，剪切波速越大的在震動中的不利效果反而更明顯。

(2)土體剪切波速越大，地震反應加速度最大值也將最大，而且坡體不同位置的最大值也隨坡高的變化有變動，變動的峰值與剪切波速的關系暫時并無明顯規(guī)律可循。

(3)本文結論在解決工程中坡體高度問題時具有一定參考價值，由于工程場地多種多樣，后續(xù)還需考慮更多因素來得出場地反應的更明確具體化的特性規(guī)律，以適應更多不同情況下的坡地。

[1] 榮棉水，李小軍.局部地形對出平面運動譜特性的影響分析[J].中國地震，2007, 23(2)：147-156

[2] 榮棉水.粘彈性場地地形對地震動譜特性的影響分析[D].中國地震局地球物理研究所，2007

[3] 榮棉水，李小軍，呂悅軍，等.平臺地形對地震地面運動特征周期值的影響[J].中國地震，2009，25(2):178-185

[4] Assimaki D, Gazetas G. Soil and topographic amplification on canyon banks and the 1999 Athens earthquake [J]. JEE, 2004, 8(1):1-43

[5] 王麗萍.山地建筑結構設計地震動輸入與側向剛度控制方法[D].重慶大學，2010

[6] 劉洪兵，朱晞.地震中地形放大效應的觀測和研究進展[J]. 世界地震工程, 1999,15(3)：20-26

賈海燕(1984～)，女，碩士研究生，工程師，主要從事道路設計與研究。

TU435

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[定稿日期]2014-09-18