滁州地區(qū)覆蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響

梁久亮，曹均鋒，王立會(huì)，馮偉棟

(安徽省地震局，安徽合肥 230031)

滁州地區(qū)覆蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響

梁久亮，曹均鋒，王立會(huì)，馮偉棟

(安徽省地震局，安徽合肥 230031)

以滁州地區(qū)近百個(gè)鉆孔資料為原型建立土層模型，采用一維頻域等效線性化波動(dòng)方法進(jìn)行了土層地震反應(yīng)分析，重點(diǎn)分析了覆蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，隨著覆蓋層厚度的增加，地表峰值加速度及土層放大系數(shù)逐漸增大，當(dāng)覆蓋層厚度超過(guò)一定值時(shí)，地表峰值加速度及土層放大系數(shù)呈逐漸緩慢減小的趨勢(shì)；而反應(yīng)譜特征周期總體上隨著覆蓋層厚度的增加而逐漸增大。

覆蓋層厚度；峰值加速度；特征周期

0 引言

歷次震害表明，局部場(chǎng)地條件對(duì)基巖地震動(dòng)有很強(qiáng)的放大或縮小作用，直接影響到震害程度，主要表現(xiàn)為:軟弱場(chǎng)地上的震害較堅(jiān)硬場(chǎng)地上重；軟土場(chǎng)地上的長(zhǎng)自振周期建筑震害較重；而堅(jiān)硬場(chǎng)地上的短自振周期建筑震害較重。為此，局部場(chǎng)地條件對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)影響受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。作為評(píng)價(jià)局部場(chǎng)地條件的重要指標(biāo)，場(chǎng)地覆蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)影響程度也成為了一個(gè)重要的研究方向[2]。

本次在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合滁州地區(qū)的近百個(gè)鉆孔資料建立土層模型，運(yùn)用一維頻域等效線性化波動(dòng)方法重點(diǎn)研究了覆蓋層厚度對(duì)基巖地震動(dòng)放大效應(yīng)、峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的影響[3]。本文的研究成果對(duì)科學(xué)、合理地確定滁州地區(qū)及同類地區(qū)不同覆蓋層厚度場(chǎng)地的地震動(dòng)參數(shù)具有參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型和基巖輸入地震動(dòng)的確定

目前，場(chǎng)地覆蓋層厚度一般取地面至基巖頂面的距離，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)中規(guī)定也可取地面至剪切波速大于500 m/s且其下臥各層巖土的剪切波速均不小于500 m/s的土層頂面的距離。本次收集了滁州地震小區(qū)劃93個(gè)鉆孔資料進(jìn)行分析[4]，這些鉆孔地貌上屬于清流河漫灘、階地、丘陵波狀起伏地帶，主要分布填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、礫石、中粗砂、含礫粉質(zhì)粘土、含礫粘土及白堊紀(jì)泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖及侏羅紀(jì)的閃長(zhǎng)巖等地層，各鉆孔的覆蓋層厚度變化范圍約為4.8～31.8m(表1)，以Ⅱ類場(chǎng)地為主。各鉆孔的剪切波速、密度、土動(dòng)力非線性參數(shù)均取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。

表1 覆蓋層厚度樣本統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The sam p le statistical table of thickness of covering layer

基巖輸入地震動(dòng)采用人工合成的地震動(dòng)，基巖加速度反應(yīng)譜采用該地的地震危險(xiǎn)性分析的結(jié)

果。在50年超越概率分別為63%、10%和2%條件下，工程場(chǎng)地基巖水平峰值加速度分別為18.7 gal、55.6 gal和100 gal?；鶐r峰值加速度反應(yīng)譜曲線如圖1所示。采用三角級(jí)數(shù)法對(duì)每一種概率水準(zhǔn)合成3條時(shí)程曲線(圖2～圖4)，時(shí)程離散步長(zhǎng)0.02 s，離散點(diǎn)數(shù)2048個(gè)，在0.04～6.0 s內(nèi)選取擬合目標(biāo)譜的周期控制點(diǎn)55個(gè)，擬合譜與目標(biāo)譜的相對(duì)誤差小于5%。

圖1 50年不同超越概率水平的場(chǎng)地基巖峰值加速度反應(yīng)譜曲線Fig.1 Site bedrock peak acceleration response spectrum curve of various exceeding probability levelswithin 50 years

圖2 50年63%條件下三組人工合成基巖加速度時(shí)程Fig.2 Three groups of synthetic bedrock acceleration time-history curve under the cond ition of sixty-three percent exceeding probability w ithin 50 years

圖3 50年10%條件下三組人工合成基巖加速度時(shí)程Fig.3 Three groups of synthetic bedrock acceleration time-history curve under the condition of ten percent exceeding probability w ithin 50 years

圖4 50年2%條件下三組人工合成基巖加速度時(shí)程Fig.4 Three groups of synthetic bedrock acceleration time-history curve under the condition of tw o percent exceeding probability within 50 years

2 覆蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響

本次基于一維頻域等效線性化波動(dòng)方法[5]，

選取上述93個(gè)鉆孔資料建立土層模型，輸入50年超越概率63%、10%和2%條件下的基巖地震動(dòng)時(shí)程，共837個(gè)工況進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，按照不同的覆蓋層厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，

重點(diǎn)討論了覆蓋層厚度對(duì)地表峰值加速度、土層對(duì)基巖的放大系數(shù)及加速度反應(yīng)譜特征周期的影響[6-10]。

2.1 覆蓋層厚度H對(duì)地表峰值加速度Amax的影響

50年超越概率63%、10%和2%基巖地震動(dòng)輸入下，不同覆蓋層厚度場(chǎng)地的地表峰值加速度Amax計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。圖5為地表峰值加速度均值隨覆蓋層厚度的變化情況。由圖中可以看出，當(dāng)覆蓋層厚度H＜24m時(shí)，地表峰值加速度隨著覆蓋層厚度的增加而逐漸增大，在21 m＜H＜24m時(shí)達(dá)到最高值，當(dāng)H大于24m時(shí)，地表峰值加速度隨著覆蓋層厚度的增加呈逐漸緩慢減小的過(guò)程。

表2 不同覆蓋層厚度的地表峰值加速度Amax(gal)Tab.2 The surface peak acceleration valuesAmax(gal)of different thickness of covering layer

圖5 覆蓋層厚度對(duì)地表峰值加速度的影響Fig.5 Effect of thickness of covering layer on the surface peak acceleration

2.2 覆蓋層厚度H對(duì)土層放大系數(shù)K的影響

為了解覆蓋層厚度對(duì)土層放大效應(yīng)的影響，將不同覆蓋層厚度場(chǎng)地的地表峰值加速度Amax與相應(yīng)輸入基巖地震動(dòng)幅值之比得出土層放大系數(shù)k(表3)。圖6為土層放大系數(shù)k隨覆蓋層厚度的變化情況。由圖中可以看出:

表3 不同覆蓋層厚度的土層放大系數(shù)KTab.3 The soil am p lification coefficien tKof differen t thickness of covering layer

圖6 覆蓋層厚度對(duì)土層放大系數(shù)的影響Fig.6 Effect of thickness of covering layer on the soil am plification coefficient

(a)對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，當(dāng)覆蓋層厚度H＜24m時(shí)，除50年2%的k值在9～15m處呈略微轉(zhuǎn)折外，土層放大系數(shù)k基本上隨著覆蓋層厚度的增加而逐漸增大，在21 m＜H＜24m時(shí)達(dá)到最高值，當(dāng)H大于24m時(shí)，土層放大系數(shù)k隨著覆蓋層厚度的增加呈逐漸減小。

(b)對(duì)于給定的覆蓋層厚度，50年63%的土層放大系數(shù)k值最大，其次是50年10%的k值，50年2%的k值最小，表明土層放大系數(shù)k隨著輸入基巖地震動(dòng)峰值增大呈逐漸減小的趨勢(shì)。

(c)當(dāng)覆蓋層厚度H＜24m時(shí)，不同基巖峰值的放大系數(shù)k之間的差異隨著覆蓋層厚度H的

增加逐漸減小，在21 m＜H＜24m時(shí)達(dá)到最小值，當(dāng)H大于24m時(shí)，不同超越概率的放大系數(shù)k值之間的差異隨H的增加而增大；最為明顯的是在21 m＜H＜27m處，50年10%與50年2%的k值基本一致。

(d)對(duì)于滁州地區(qū)或安徽省內(nèi)覆蓋層在40m以內(nèi)的6度區(qū)(地震動(dòng)峰值加速度0.05g)的Ⅱ類場(chǎng)地，50年63%的土層放大系數(shù) k可取值為1.30～1.65，50年 10%的 k可取值為 1.25～1.55，50年2%的k可取值為1.20～1.50，并應(yīng)注意同一場(chǎng)地的不同超越概率的k值之間的協(xié)調(diào)性。

2.3 覆蓋層厚度H對(duì)反應(yīng)譜特征周期Tg的影響

不同超越概率的基巖地震動(dòng)輸入下，各覆蓋層厚度場(chǎng)地的地表加速度反應(yīng)譜特征周期Tg的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。本次反應(yīng)譜的特征周期Tg取反應(yīng)譜平臺(tái)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(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本次反應(yīng)譜的放大系數(shù)βm統(tǒng)一取2.5[11]。

圖7為加速度反應(yīng)譜特征周期Tg均值隨覆蓋層厚度的變化情況。由圖中可以看出:

表4 不同覆蓋層厚度的反應(yīng)譜特征周期Tg(s)Tab.4 The characteristic periods of response spectraTg(s)of different thickness of covering layer

圖7 覆蓋層厚度對(duì)反應(yīng)譜特征周期的影響Fig.7 Effect of thickness of covering layer on the characteristic periods of response spectra

(1)對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，覆蓋層厚度H對(duì)地表加速度反應(yīng)譜的形狀有較大影響，當(dāng)覆蓋層厚度H增加時(shí)，反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分右移，長(zhǎng)周期部分譜值普遍增大，因此反應(yīng)譜特征周期Tg總體上隨著H的增加而逐漸增大，僅在24 m＜H＜27m時(shí)出現(xiàn)少許轉(zhuǎn)折。

(2)對(duì)于跟定的覆蓋層厚度H，50年2%的Tg值最大，其次是50年10%的Tg值，50年2%的Tg值最小，表明反應(yīng)譜特征周期Tg隨著輸入基巖地震動(dòng)峰值的增加而增大。

(3)對(duì)于滁州地區(qū)或安徽省內(nèi)覆蓋層在40m以內(nèi)的6度區(qū)(地震動(dòng)峰值加速度0.05 g)的Ⅱ類場(chǎng)地，50年63%的反應(yīng)譜特征周期Tg可取值為0.30 s～0.55 s，50年10%的 Tg可取值為0.35 s～0.60 s，50年2%的Tg可取值為0.45 s～0.70 s，并應(yīng)注意同一場(chǎng)地的不同超越概率的Tg值之間的協(xié)調(diào)性。

3 結(jié)論

本次基于滁州地區(qū)的93個(gè)鉆孔資料建立土層模型，進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計(jì)算，重點(diǎn)分析了覆蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:

(1)當(dāng)覆蓋層厚度H較小時(shí)，地表峰值加速度Amax及土層放大系數(shù)k隨著H的增加而逐漸增大，當(dāng)超過(guò)20－30m的某一厚度時(shí)，Amax及k值隨著H的增加呈逐漸緩慢減小的過(guò)程。

(2)對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，反應(yīng)譜特征周期Tg總體上隨著覆蓋層厚度H的增加而逐漸增大。

(3)對(duì)于給定的覆蓋層厚度H，土層放大系數(shù)k隨著輸入基巖地震動(dòng)峰值增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，但反應(yīng)譜特征周期Tg總體上隨著基巖地震動(dòng)峰值的增加而逐漸增大。

[1] 林建生，陳俊峰，林子健，等.場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中確定設(shè)計(jì)的震動(dòng)參數(shù)方面若干問(wèn)題的研究[J].世界地震工程，2006，22(4):150－159.

[2] 梁久亮，李光，孟凡月，等.高密度電法在安徽工程場(chǎng)地探測(cè)中的應(yīng)用[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，10(1)30－33.

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Effect of Thickness of Covering Layer on the Seism ic Ground M otion Param eters of Site in Chuzhou Region

Liang Jiuliang，Cao Junfeng，Wang Lihui，F(xiàn)engWeidong
(Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei230031，China)

Based on the data of nearly one hundred boreholes in Chuzhou Region，soil layermodels are generated. Soil seismic response is analyzed by using one dimensional frequency domain equivalent linearization wavemethod，it is analyzed emphatically that thickness of covering layer influences the ground motion parameters.The research results show that surface peak acceleration and soil amplification coefficient are increased gradually with the increase of thickness of covering layer，when the thickness of covering layer is more than critical value，surface peak acceleration and soil amplification coefficient present a trend of gradual slow decrease.However，the characteristic period of response spectra are increased generally alongwith the increase of thickness of covering layer.

thickness of covering layer；the peak acceleration；characteristic period

P

:A

:1673－8047(2015)01－0040－07

2015－01－07

安徽省地震科研青年基金項(xiàng)目(20120707、20140301)

梁久亮(1957—)男，?？?，高級(jí)工程師，從事工程勘探及工程地震研究。