廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地地震效應(yīng)分析1

張忠利 齊文浩 袁 媛 羅 云

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廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地地震效應(yīng)分析1

張忠利1,2）齊文浩3）袁 媛1,2）羅 云1,2）

1）廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022?2）廣西工程防震研究院，南寧 530022?3）中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

針對(duì)廣西特殊的覆蓋型巖溶區(qū)的場(chǎng)地地質(zhì)條件，通過(guò)收集區(qū)內(nèi)的393個(gè)地震工程地質(zhì)鉆孔，利用大量的剪切波速及土工測(cè)試資料，建立了土層地震動(dòng)反應(yīng)分析模型，采用一維波動(dòng)的等效線性化方法，對(duì)Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3三個(gè)亞類(lèi)分別計(jì)算得到了地表峰值加速度及相關(guān)反應(yīng)譜，并擬合得到了規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜，定量分析了廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地地震動(dòng)的效應(yīng)。結(jié)果表明，三個(gè)亞類(lèi)場(chǎng)地動(dòng)力放大系數(shù)均較大，場(chǎng)地對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值的放大作用與對(duì)峰值的放大作用并不一致；Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3峰值加速度放大倍數(shù)分別為1.17、1.31、1.26，而平臺(tái)值的放大倍數(shù)分別為1.49、1.52、1.38；反應(yīng)譜特征周期分別為0.26s、0.33s和0.39s，反應(yīng)譜下降段受控于輸入反應(yīng)譜下降段；同時(shí)給出了場(chǎng)地反應(yīng)譜平臺(tái)值、特征周期和衰減系數(shù)的推薦值。上述結(jié)果可為確定廣西覆蓋型巖溶區(qū)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)提供參考。

覆蓋型巖溶區(qū) Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地 地震效應(yīng) 反應(yīng)譜

引言

《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）規(guī)定的平均場(chǎng)地（中硬場(chǎng)地）的地震動(dòng)峰值加速度是利用地震危險(xiǎn)性分析得到的自由基巖峰值加速度與峰值轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積，其中峰值轉(zhuǎn)換系數(shù)反映的是全國(guó)一般場(chǎng)地放大效應(yīng)的特征。在實(shí)際工程的應(yīng)用中，首先根據(jù)場(chǎng)地的地理位置分別確定峰值加速度和特征周期分區(qū)，然后再根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別調(diào)整設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期，而不考慮場(chǎng)地條件對(duì)峰值加速度、地震動(dòng)力系數(shù)最大值和最大影響系數(shù)的影響，即場(chǎng)地地震動(dòng)峰值不隨場(chǎng)地地震效應(yīng)而變化。然而，場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響不僅表現(xiàn)在地震動(dòng)的頻譜特征上，而且還表現(xiàn)在地震動(dòng)峰值的變化上。為此，許多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于土層結(jié)構(gòu)、土層動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)地震動(dòng)幅值及頻譜特性影響的研究（王紹博等，2001；薄景山等，2003a；2003b；劉紅帥，2005；蘭景巖，2006；蘭景巖等，2007；李平等，2011）。研究表明，同一場(chǎng)地類(lèi)別地表地震動(dòng)峰值和頻譜特征也存在較大的變化。高孟潭等（2009）、姜慧等（2010）、呂悅軍等（2011）、刁颋（2011）分別對(duì)湖南、廣東、北京、山東地區(qū)的場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)調(diào)整系數(shù)具有明顯的區(qū)域性，若用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）規(guī)定的調(diào)整系數(shù)可能會(huì)高估或低估特定地區(qū)的地震風(fēng)險(xiǎn)，不能客觀地反映某一地區(qū)的場(chǎng)地和地震特點(diǎn)。為了反映廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)的放大效應(yīng)，本文收集了廣西覆蓋型巖溶區(qū)195個(gè)工程場(chǎng)地（393個(gè)鉆孔）地震工程地質(zhì)條件勘測(cè)資料，利用一維等效線性化分析方法進(jìn)行了場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算，分析了廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)影響的特點(diǎn)，以期為抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 地震工程地質(zhì)條件和場(chǎng)地計(jì)算模型

1.1 地震工程地質(zhì)條件

廣西區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，分布廣泛，裸露巖溶區(qū)約占全區(qū)總面積的41%，覆蓋型巖溶區(qū)約占全區(qū)總面積的10%。覆蓋型巖溶區(qū)土層厚度多在15m左右，一般不會(huì)超過(guò)30m，場(chǎng)地等效剪切波速分布范圍在140—350m/s，土層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，土類(lèi)較單一?？傮w上看，以粘性土為主；在河漫灘、河流階地、沖積平原等地帶還存在砂性土、卵石等；在坡積群、洪積錐（扇）或平原地帶還存在含礫粘性土、含碎石粘性土等。其中最具代表性的為碳酸巖出露區(qū)的巖石，經(jīng)風(fēng)化形成的棕紅、褐黃等色的紅粘土，它具有高含水量、高飽和度、高塑性指數(shù)、高孔隙比，而且容重大、壓縮性中等偏低、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。紅粘土的含水量、孔隙比及壓縮系數(shù)值隨著深度的增加而增大，同時(shí)由于表層的紅粘土失水較多具有較高的塑性指數(shù)，使得表層土強(qiáng)度高、含水量少且處于硬塑狀態(tài)。而位于下層的紅粘土，則處于飽和狀態(tài)，故含水量大，表現(xiàn)為可塑或軟塑狀態(tài)。由此可見(jiàn)，含水量是影響紅粘土特征的重要因素之一。地下水類(lèi)型主要為上層滯水和基巖裂隙水。其中，上層滯水主要賦存于上層表土中，部分存于土體裂隙中，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，由于水量不大，不具統(tǒng)一水位且水位不甚穩(wěn)定，明顯受大氣降水影響；而基巖裂隙水主要賦存于白云巖、砂巖基巖裂隙中，受大氣降水入滲補(bǔ)給，水量較豐富。由于上述紅粘土特征及地下水的影響，場(chǎng)地土層常出現(xiàn)“上硬下軟”的現(xiàn)象。圖1為3個(gè)典型的工程場(chǎng)地鉆孔柱狀圖。

1.2 場(chǎng)地計(jì)算模型

本文收集整理了廣西覆蓋型巖溶區(qū)近幾年的勘測(cè)資料，工程場(chǎng)地主要分布于桂東北（桂林）、桂東南（玉林、貴港）、桂中（柳州、來(lái)賓）、桂西北（河池市）及桂西南（靖西、崇左）等地區(qū)，具體分布如圖2所示。圖中紅色或?yàn)椴蓸狱c(diǎn)所在行政區(qū)，括號(hào)中數(shù)字為鉆孔數(shù)，地震動(dòng)峰值加速度為設(shè)計(jì)基本地震加速度。場(chǎng)地鉆孔均達(dá)到基巖，滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)輸入界面剪切波速不小于500m/s的要求。根據(jù)土層結(jié)構(gòu)、剪切波速測(cè)試和土層非線性試驗(yàn)情況，共選取了195個(gè)工程場(chǎng)地中的393個(gè)鉆孔建立土層地震反應(yīng)計(jì)算模型，模型參數(shù)主要取場(chǎng)地實(shí)測(cè)結(jié)果，部分土層非線性參數(shù)采用袁曉銘等（2000）給出的推薦值。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2010）上述鉆孔資料均來(lái)自Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，為了更好地分析Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地覆蓋土層厚度對(duì)場(chǎng)地地震效應(yīng)的影響，對(duì)研究區(qū)內(nèi)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地劃分成3個(gè)亞類(lèi)，分別為Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3，其典型剖面如圖1所示。Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地亞類(lèi)劃分方法及場(chǎng)地計(jì)算模型主要參數(shù)分布情況如表1所示。

表1 場(chǎng)地亞類(lèi)劃分及場(chǎng)地計(jì)算模型主要參數(shù)分布情況

2 場(chǎng)地地震效應(yīng)計(jì)算與分析

2.1 輸入地震動(dòng)

考慮到研究區(qū)無(wú)強(qiáng)震記錄的實(shí)際情況，本文利用三角級(jí)數(shù)迭代方法合成地震動(dòng)作為地震反應(yīng)分析的輸入地震動(dòng)。廣西覆蓋型巖溶區(qū)的設(shè)計(jì)基本地震加速度分別為50、100、150、200gal，罕遇地震峰值加速度分別為100、200、300、400g，因此輸入地震動(dòng)峰值加速度分別取50、100、150、200、300、400gal。研究區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第一組，因此基巖輸入加速度反應(yīng)譜特征周期選Ⅰ1類(lèi)場(chǎng)地特征周期，即為0.25s。地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜S()由公式（1）確定。

其中，地震動(dòng)峰值加速度max分別取50、100、150、200、300、400gal，反應(yīng)譜特征周期T取0.25s，這樣可得到不同強(qiáng)度的目標(biāo)反應(yīng)譜。按照《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)（GB 17741—2005）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2010）有關(guān)合成基巖地震動(dòng)時(shí)程的規(guī)定，反應(yīng)譜橫軸在對(duì)數(shù)坐標(biāo)0.04—6s范圍內(nèi)等間距選取60個(gè)反應(yīng)譜控制點(diǎn)，合成地震動(dòng)反應(yīng)譜控制點(diǎn)與目標(biāo)反應(yīng)譜的相對(duì)誤差小于5%，對(duì)不同強(qiáng)度的地震動(dòng)反應(yīng)譜分別合成具有不同隨機(jī)相位的3條基巖地震動(dòng)時(shí)程曲線，其中峰值加速度為50gal的輸入地震動(dòng)如圖3所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果

利用一維波動(dòng)等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法，對(duì)上述計(jì)算剖面、地震動(dòng)強(qiáng)度、地震動(dòng)相位進(jìn)行組合，形成了7074個(gè)計(jì)算工況，并分別計(jì)算出各亞類(lèi)地表處地震動(dòng)峰值加速度及相關(guān)反應(yīng)譜值。同時(shí)采用公式（1）并結(jié)合工程場(chǎng)地土層地震反應(yīng)，分析了不同輸入峰值加速度阻尼比為0.05的計(jì)算反應(yīng)譜，得到了相應(yīng)的規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜主要參數(shù)，具體如表2—表4所示。表中max為輸入地震動(dòng)峰值加速度；smax為地表地震動(dòng)峰值加速度；smax為地表地震影響系數(shù)最大值；1為反應(yīng)譜平臺(tái)段起始周期；T為反應(yīng)譜特征周期；為反應(yīng)譜曲線下降系數(shù)。另外，在確定設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度時(shí)，取地表地震動(dòng)峰值加速度的平均值；在確定反應(yīng)譜平臺(tái)高度時(shí)，綜合考慮加速度反應(yīng)譜在高頻段（0.2s左右）的反應(yīng)譜值。在圖4—圖6中，黑細(xì)線為地表加速度反應(yīng)譜；藍(lán)色粗實(shí)線為自由基巖加速度反應(yīng)譜；紅色粗實(shí)線為規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜。

表2 計(jì)算剖面地表地震動(dòng)峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)（3—5m）

表3 計(jì)算剖面地表地震動(dòng)峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)（5—15m）

續(xù)表

amaxasmaxbsmaxαsmaxT1 /sTg /sg 1501982.60.5150.080.321.11 2002612.60.6790.080.321.1 3003852.61.0010.080.341.1 4005052.51.2630.080.371.1 平均值2.60.331.11

表4 計(jì)算剖面地表地震動(dòng)峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)（15—30m）

2.3 結(jié)果分析

為了便于說(shuō)明場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)的放大作用，本文引入了2個(gè)統(tǒng)計(jì)量ksmax/max和ksmax/max，（max為輸入地震影響系數(shù)最大值）用于反映場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)峰值加速度和反應(yīng)譜平臺(tái)值

表5 場(chǎng)地地表地震動(dòng)峰值及反應(yīng)譜平臺(tái)值放大系數(shù)的統(tǒng)計(jì)值

續(xù)表

amax /galⅡ1Ⅱ2Ⅱ3kakαkakαkakα 1001.171.561.331.601.301.44 1501.171.511.321.531.291.43 2001.171.461.311.511.271.35 3001.161.451.281.481.221.30 4001.161.401.261.401.171.25 平均值1.171.491.311.521.261.38

從表5的計(jì)算結(jié)果和2個(gè)統(tǒng)計(jì)量中可以看出：

（1）總體上看，隨著覆蓋土層厚度和地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，反應(yīng)譜平臺(tái)值具有減小的趨勢(shì)，反應(yīng)譜特征周期具有增加的趨勢(shì)；地震動(dòng)峰值加速度隨地震動(dòng)強(qiáng)度增加而減小，但隨著土層厚度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，場(chǎng)地對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)段的放大作用與峰值的放大作用并非一致。從規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線圖中可以看出，利用平臺(tái)段標(biāo)定場(chǎng)地的放大作用更合理一些。

（2）Ⅱ1類(lèi)場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)的峰值加速度放大倍數(shù)值?。ㄆ骄禐?.17倍），而對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)段具有較大的放大倍數(shù)（平均值為1.49倍），但反應(yīng)譜特征周期較小（平均值為0.26s）。這表明該類(lèi)場(chǎng)地對(duì)自由基巖反應(yīng)譜平臺(tái)段有較大的放大作用，而對(duì)反應(yīng)譜下降段影響不大。

（3）Ⅱ2類(lèi)場(chǎng)地與Ⅱ1場(chǎng)地相比，對(duì)地震動(dòng)的峰值加速度放大倍數(shù)值明顯增大（平均值為1.31倍），而對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)段的放大倍數(shù)略微增大（平均值為1.52倍），反應(yīng)譜特征周期平均值為0.33s。這表明該類(lèi)場(chǎng)地對(duì)自由基巖反應(yīng)譜的平臺(tái)段和下降段的首段具有較大的放大作用，導(dǎo)致了反應(yīng)譜特征周期略微增加。

（4）Ⅱ3類(lèi)場(chǎng)地與Ⅱ2場(chǎng)地相比，對(duì)地震動(dòng)的峰值加速度放大倍數(shù)略微減?。ㄆ骄禐?.26倍），而對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)段的放大倍數(shù)明顯減小（平均值為1.38倍），反應(yīng)譜特征周期平均值為0.39s。這表明除對(duì)自由基巖反應(yīng)譜下降段末段無(wú)影響外，對(duì)其他段均有較大的放大作用。

（5）三個(gè)亞類(lèi)反應(yīng)譜動(dòng)力系數(shù)均較大，反應(yīng)譜下降段基本受自由基巖反應(yīng)譜下降段控制。這說(shuō)明反應(yīng)譜在平臺(tái)段有較大的放大作用，對(duì)低矮剛性房屋有較大的破壞作用，也為巖溶區(qū)“小震級(jí)，高烈度”提供了佐證。

3 結(jié)論與建議

本文收集了廣西覆蓋型巖溶區(qū)的393個(gè)實(shí)際土層剖面，并將其按覆蓋層厚度劃分為三個(gè)亞類(lèi)，即Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3。采用一維等效線性化波動(dòng)分析方法，分類(lèi)計(jì)算了每一亞類(lèi)內(nèi)土層剖面的地震反應(yīng)。分析了不同亞類(lèi)地表峰值加速度、反應(yīng)譜平臺(tái)值及反應(yīng)譜特征周期的變化趨勢(shì)。研究表明：

（1）覆蓋型巖溶區(qū)場(chǎng)地土層對(duì)反應(yīng)譜的平臺(tái)值具有較大的放大作用，且高于《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中關(guān)于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的放大作用。建議對(duì)Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亞類(lèi)場(chǎng)地反應(yīng)譜平臺(tái)值，可考慮分別取1.49×max、1.52×max、1.38×max。

（2）覆蓋層厚度小于5m時(shí)，反應(yīng)譜特征周期小于《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中的規(guī)定值；大于5m時(shí)，與《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中規(guī)定值基本一致。建議對(duì)Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亞類(lèi)場(chǎng)地特征周期，可考慮分別取0.26、0.33、0.39s。

（3）場(chǎng)地對(duì)反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段影響較小，地表反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段主要受基巖反應(yīng)譜值控制，反應(yīng)譜衰減系數(shù)可適當(dāng)增加。建議對(duì)Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亞類(lèi)場(chǎng)地反應(yīng)譜衰減系數(shù)，可考慮分別取1.02、1.11、1.16。

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中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2010．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社．

Seismic Effect of Type ⅡSite in Overlaying Karst Area of Guangxi

Zhang Zhongli1,2）, Qi Wenhao3）, Yuan Yuan1,2）and Luo Yun1,2）

1）Seismological Bureau of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China?2）Guangxi Academy of Engineering Shock Prevention, Nanning 530022, China?3）Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, harbin 150080, China

According to the geological conditions of the Guangxi special karst area, we collected 393 earthquake engineering geological drilling in the region, and established regional seismic dynamic model by using shear wave velocity and soil test data. The peak ground acceleration and response spectrum under site condition sub type Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3were calculated by using one-dimensional equivalent linear method of soil seismic response on the wave motion mode. By fitting the normalized response spectrum, we analyzed the effect of Guangxi covered karst area of ground motion. The results indicate that dynamic amplification coefficients of sub type Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3sites are relatively high, amplification effect on flat section value of response spectrum and the peak ground acceleration are not consistent, the peak ground acceleration magnification is respectively 1.17, 1.31, 1.27, but the flat section value of response spectrum magnification is respectively 1.49, 1.52, 1.38. The characteristic period of response spectrum is respectively 0.26s, 0.33s, 0.39s. The descending segment of response spectrum is basically not affected. At the same time, the recommended values of the flat section value, the characteristic period and the attenuation coefficient of response spectrum are obtained. Our results can be used to provide reference for the determination of design ground motion parameters in overlaying karst area of Guangxi.

Overlaying karst area; Type Ⅱ site; Seismic effect of site; Response spectrum

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻12426001-5）資助

2015-04-08

張忠利，男，生于1977年。碩士。主要從事巖土地震工程研究工作。E-mail：421530917@qq.com