土層分層厚度對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響

原賀軍，解惠婷，曹均鋒

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

土層分層厚度對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響

原賀軍，解惠婷，曹均鋒

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

以江淮地區(qū)典型場(chǎng)地資料為原型，選取不同的土層分層厚度，構(gòu)造多種場(chǎng)地土層計(jì)算模型，選擇Taft、Kobe和El Centro三條強(qiáng)震記錄作為地震輸入，采用一維頻域等效線性化波動(dòng)方法分析了分層厚度對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響。研究表明：土層分層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)存在影響，主要表現(xiàn)為采用較大分層厚度計(jì)算得到的地表峰值加速度Amax和反應(yīng)譜特征周期Tg相對(duì)偏低，應(yīng)采用盡可能小的土層分層厚度；分別采用1.0m和2.0m分層厚度計(jì)算得到的地表加速度反應(yīng)譜形狀基本重合，Amax和Tg也基本一致，最小選取2.0m土層分層厚度可以滿足工程精度的要求。

分層厚度；反應(yīng)譜；峰值加速度；特征周期

0 引言

在場(chǎng)地土層地震反應(yīng)計(jì)算中，確定場(chǎng)地土的類型、分層和厚度等模型參數(shù)是必不可少的工作。為確保計(jì)算土層層內(nèi)各點(diǎn)的剪應(yīng)變幅值大體相等，合理地反映較厚土層中不同深度位置土體的非線性程度的差別，需要對(duì)厚波速土層做進(jìn)一步的細(xì)分，使計(jì)算土層厚度足夠小。理論上計(jì)算分層厚度值越小計(jì)算結(jié)果精度越高。然而，計(jì)算分層厚度越小其計(jì)算量越大，影響計(jì)算效率。對(duì)于土層分層厚度的取值，《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》（GB 17741—2005）中并沒(méi)有明確規(guī)定，僅原則性提出“計(jì)算土層厚度值控制在所考慮的有效地震波最短波長(zhǎng)的1／20～1／5范圍內(nèi)，計(jì)算土層厚度與土層的波速值成正比例關(guān)系”。然而受剪切波速測(cè)試精度、土動(dòng)力參數(shù)選取等因素的制約，針對(duì)同一場(chǎng)地模型，會(huì)有多種分層厚度可供選擇，比如1.0m、2.0m、3.0m……，當(dāng)各等波速土層較小時(shí)，甚至不再對(duì)等波速土層進(jìn)行細(xì)分。有研究表明，不同的計(jì)算分層厚度可能使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的差異。

為進(jìn)一步了解土層分層厚度對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響，本文以江淮地區(qū)典型場(chǎng)地資料為原型，采用一維頻域等效線性化波動(dòng)方法分析了不同的土層分層厚度對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響，重點(diǎn)是對(duì)地表峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的變化趨勢(shì)和規(guī)律進(jìn)行研究，以期為同類地區(qū)重大工程抗震設(shè)防提供參考。

1 分析方法和計(jì)算參數(shù)

1.1 分析方法

目前，場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析計(jì)算的方法較多，如線彈性波動(dòng)（及振動(dòng)）分析方法、等效線性化波動(dòng)分析方法、直接時(shí)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(dòng)方法，也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》（GB17741—2005）推薦使用的方法［1］。該方法是在總體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)大致相當(dāng)?shù)囊饬x上用一個(gè)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題，利用頻域線性波動(dòng)方法求解［2－5］。本文在土層地震反應(yīng)分析中即運(yùn)用該種方法。

1.2 確定計(jì)算模型

本文在收集江淮地區(qū)某場(chǎng)地資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合一維頻域等效線性化波動(dòng)方法的要求，確定2個(gè)典型鉆孔ZK4、ZK24作為基本計(jì)算剖面，對(duì)同一鉆孔采用1.0m、2.0m及不細(xì)分等3種計(jì)算分層厚度分別建立土層模型。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，等效剪切波速為253m／s，場(chǎng)地類別為Ⅱ類；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，等效剪切波速為177m／s，場(chǎng)地類別為Ⅱ類?；居?jì)算剖面的土層分布情況及剪切波速?gòu)默F(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)獲得，測(cè)點(diǎn)間隔為1.0m（圖1），土層非線性動(dòng)力參數(shù)主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取典型土樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)獲得，部分土層動(dòng)力參數(shù)采用經(jīng)典推薦值［6－8］。

1.3 輸入基巖地震動(dòng)

根據(jù)輸入地震動(dòng)的選取原則，所選地震波的卓越周期應(yīng)盡可能與場(chǎng)地的特征周期接近，因此本文選取了Taft、Kobe和El Centro三條符合要求的實(shí)際強(qiáng)震記錄，圖2為選取的地震動(dòng)時(shí)程及對(duì)應(yīng)的傅里葉幅值譜，選取的持時(shí)均為40s，頻率主要分布在0.1～10Hz頻段。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(shí)程作為基巖的地震動(dòng)輸入。

2 不同計(jì)算分層厚度的土層地震反應(yīng)結(jié)果分析

本文基于ZK4、ZK24基本剖面，針對(duì)同一鉆孔選用以上3種不同的計(jì)算分層厚度建立土層反應(yīng)分析模型，分別選取調(diào)整后的El Centro、Kobe和Taft作為輸入地震動(dòng)，共對(duì)72個(gè)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）及反應(yīng)譜的特征周期Tg（s），如表1～表2所示。其中，反應(yīng)譜的特征周期Tg（s）取反應(yīng)譜平臺(tái)值

與反應(yīng)譜曲線的右相交點(diǎn)的橫坐標(biāo)周期值。場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜為：Sa（T）＝Amaxβ（T），式中Amax為地震動(dòng)峰值加速度，β（T）為設(shè)計(jì)地震動(dòng)放大系數(shù)反應(yīng)譜。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［9］，反應(yīng)譜平臺(tái)值的放大系數(shù)βm統(tǒng)一取2.5。

表1 不同分層厚度下的峰值加速度Amax（gal）Tab.1 The acceleration peak Amax（gal）under different layer thickness

表2 不同分層厚度下的反應(yīng)譜特征周期Tg（s）Tab.2 The characteristic period of response spectrum Tg（s）under different layer thickness

圖3～圖5為ZK4基本剖面輸入地震動(dòng)分別為調(diào)整后的El Centro、Kobe和Taft波時(shí)不同分層厚度下的地表加速度反應(yīng)譜，圖6為ZK24基本剖面在不同分層厚度下的反應(yīng)譜特征周期，由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）在同一基本剖面下，對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，采用1.0m和2.0m兩種計(jì)算分層厚度得到的地表加速度反應(yīng)譜形狀基本重合，地表峰值加速度和反應(yīng)譜特征周期也基本一致。其中ZK4的地表峰值加速度在2.0m和1.0m兩種分層厚度下計(jì)算值的差異最大僅為0.26%，表明采用2.0m的計(jì)算分層厚度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果非常接近。

（2）在同一基本剖面下，對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，不細(xì)分層與小分層厚度的地表峰值加速度的確存在一定的差異，主要表現(xiàn)為不細(xì)分層計(jì)算得到的地表峰值加速度普遍偏小。其中ZK4基本剖面的地表峰值加速度計(jì)算值在輸入峰值為

50gal，輸入地震動(dòng)為Kobe波時(shí)不細(xì)分層比1.0m分層厚度下減小幅度最大，達(dá)到18%。表明不細(xì)分層的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大，不能真實(shí)反映土體在地震作用下的受力特性。

（3）相較而言，ZK24不同計(jì)算分層厚度下地表加速度反應(yīng)譜的差異比場(chǎng)地相對(duì)較硬的ZK4差異小，表明不同計(jì)算分層厚度的取值對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)的影響程度與場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，ZK24受軟弱土的非線性變形特性影響，起到某種程度的減震作用［10］，因此其計(jì)算結(jié)果對(duì)不同分層厚度的取值敏感度相對(duì)較弱。

（4）計(jì)算分層厚度對(duì)反應(yīng)譜特征周期的影響因場(chǎng)地而異。對(duì)于ZK4基本剖面，主要表現(xiàn)為不細(xì)分層計(jì)算得到的反應(yīng)譜特征周期普遍偏小。例如在輸入峰值為400gal，輸入地震動(dòng)為Taft波時(shí)ZK4不細(xì)分層比1.0m分層厚度下計(jì)算得到的反應(yīng)譜特征周期偏小幅度達(dá)0.27s。對(duì)于ZK24基本剖面而言，由于受淤泥質(zhì)軟弱土層的影響，不細(xì)分層計(jì)算得到的反應(yīng)譜特征周期與小分層厚度的反應(yīng)譜特征周期基本一致。

3 設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的對(duì)比

采用前述公式，根據(jù)上述基本剖面土層地震反應(yīng)所得地震動(dòng)峰值加速度和反應(yīng)譜得到相應(yīng)的場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)和設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜。表3和圖7分別為ZK4基本剖面在輸入峰值為100gal，輸入地震動(dòng)為El Centro時(shí)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)和設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜。

從對(duì)比結(jié)果可以看出，在同一基本剖面下，對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，采用1.0m和2.0m兩種計(jì)算分層厚度得到的場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜形狀基本重合，表明采用2.0m分層厚度得到的場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)與實(shí)際結(jié)果非常接近；采用不細(xì)分層得到的場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜形狀明顯偏低，表明其所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)偏于不安全。在實(shí)際工作中，應(yīng)盡可能將各等波速土層進(jìn)

行細(xì)分，以提高場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的安全性。

表3 設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)Tab.3 Design ground motion parameters

4 結(jié)論

本文基于江淮地區(qū)的典型場(chǎng)地剖面，采用3種不同土層分層厚度建立土層模型，分析分層厚度變異性對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：

（1）分層厚度對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的確存在一定的影響。主要表現(xiàn)為采用大分層得到的地表峰值加速度和加速度反應(yīng)譜特征周期普遍比小分層厚度的偏低，導(dǎo)致采用大分層確定的地震動(dòng)參數(shù)偏于不安全。

（2）通過(guò)兩種小分層厚度的計(jì)算結(jié)果比較，認(rèn)為土層地震反應(yīng)分析工作中，選取2.0m的土層分層厚度是足夠的，可以合理地反映較厚土層中不同深度位置土體非線性程度的差別，而不必選取更小的分層厚度，進(jìn)而提高效率。

［1］ 工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)（GB17741—2005）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［2］ 廖振鵬，李小軍.地表土層地震反應(yīng)的等效線性化解法［M］.地震小區(qū)劃—理論與實(shí)踐.北京：地震出版社.1989：141－153.

［3］ 齊文浩，薄景山.土層地震反應(yīng)等效線性化方法綜述［J］.世界地震工程，2007，23（4）：221－226.

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［5］ 李瑞山，袁曉銘，李程程.中硬場(chǎng)地下兩種土層地震反應(yīng)方法與精確解的對(duì)比［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2015，37（2）：565－570.

［6］ 袁曉銘，孫銳，孫靜，等.常規(guī)土類動(dòng)剪切模量比和阻尼比試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2000，20（4）：133－139.

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Effect of Soil Layer Thickness on the Ground Motion Parameters of Site Surface

Yuan Hejun，Xie Huiting，Cao Junfeng
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

Based on the data from typical sites in Jianghuai Region，many kinds of soil layer sites for the seismic response was modeled by choosing different layer thickness.The layer thickness effect on ground motion parameters was analyzed with the one dimension equivalent linear method in frequency domain by choosing the Taft，Kobe and El Centro strong motion records as the earthquake input.The results have shown that the soil layer thickness has effect on the ground motion parameters.The peak ground acceleration Amaxand the characteristic period of response spectrum Tgcalculated by the larger layer thickness are relatively low，the soil layer thickness should be divided as small as possible.The shape of ground acceleration response spectrum obtained by 1.0m and 2.0m layer thickness calculation are basically coincident，and the Amaxand Tgare also basically consistent，the minimum soil layer thickness of 2.0m can satisfy the requirement of engineering precision.

layer thickness；response spectrum；peak acceleration；characteristic period

P315.9

A

1673－8047（2016）03－0030－08

2016－07－22

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

原賀軍（1988—），男，碩士，助理工程師，主要從事工程抗震及地震工程方面工作。