場地波速結(jié)構(gòu)對地表地震動估計影響分析

朱冰清 趙黎明 李恩建 徐誠 李穎楠 姜海

摘要

本文為了得到場地波速結(jié)構(gòu)對地表地震動的影響，選取了1個具有代表性的鉆孔，屬于Ⅱ類場地，選用天然記錄的地震波埃爾森特羅波作為基底入射波，建立一維土層地震危險性分析的計算模型，同時，將兩條天然波的地震動水平加速度值調(diào)整為50gal、100gal、150gal、200gal、300gal和500gal，并分別調(diào)整兩次土層順序，最后利用soil程序?qū)x取的Ⅱ類場地鉆孔資料進行場地地震危險性分析，并對得到的結(jié)果進行對比分析。

【關(guān)鍵詞】工程場地波速結(jié)構(gòu)地震動

地震是地球內(nèi)部介質(zhì)局部發(fā)生急劇破裂，產(chǎn)生的地震波，從而在一定范圍內(nèi)引起地面震動的現(xiàn)象。地震簡直是無法抗御的。但是經(jīng)過一個多世紀的地震工程研究工作表明，人類雖然無法阻止地震災害的發(fā)生，但是我們可以采取適當?shù)拇胧?，使地震災害盡可能的減輕。

場地條件作為影響震害的主要因素之一。場地條件一般指局部地質(zhì)條件，如近地表幾十米至幾百米內(nèi)的地基土壤、地下水位等工程地質(zhì)情況、地形及斷層破碎帶等。國內(nèi)外震害經(jīng)驗一致表明場地條件是震害或地震烈度的主要影響因素，且早在1906年舊金山大地震中人們己認識到這種影響。

規(guī)范中的場地類別劃分方法為20米內(nèi)場地覆蓋土層厚度以及等效剪切波速。一般都認為同一類別土中，在同一地震反應下，對地表地震動特性具有相同或相似的影響。但是土層結(jié)構(gòu)改變后，會對地表地震動有影響。

所以，此論文的主要工作是研究同一場地，在相同的地震反應中，土層結(jié)構(gòu)改變后，對地表地震動加速度、速度、位移峰值和反應譜加速度最大值有多大的影響。選取天然地震動作為基巖輸入地震動，選取Ⅱ類場地作為原始土層反應模型，改變土層順序，共組合了21種不同工況模型，進行了場地地震反應分析。

1 一維土層地震反應分析方法

一維模型是一種半無限彈性均勻基巖空間上覆蓋水平成層土體的較為理想的場地力學模型。它是假定土層沿兩個水平方向均勻無變化，而僅沿豎向分層變化。雖然一維場地模型是一種較為簡單的場地力學模型，但從工程近似的角度來說，基于這一模型的場地地震反應分析方法能夠反應局部范圍內(nèi)地面、土層界面及基巖面較平坦的場地對地震動影響的主要特征。因此，對于大多數(shù)局部場地或大面積場地，如城市區(qū)劃場地，采用簡單的一維場地力學模型進行土層的地震反應分析己能滿足工程應用要求。

本文的主要目的就是應用一維土層地震危險性分析模型，輸入典型鉆孔地質(zhì)剖面資料和基底入射波，并應用這一模型計算出場地土的動力參數(shù)特性、地表加速度、地震反應譜等特征進行對比分析，為建筑物的抗震設(shè)計提供參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)的選取

2.1 輸入地震動

本文選用埃爾森特羅地震記錄作為基底入射波，以反映輸入地震動特性對場地地震效應的影響。同時，將埃爾森特羅波地震動峰值水平調(diào)整為50gal、100gal、150gal、200gal、300gal、500gal利用程序soil對Ⅱ和Ⅲ類場地進行一維土層地震危險性分析。

2.2 場地鉆孔資料

本文分別從Ⅱ類中各選取了一個典型的場地鉆孔資料（如表1）。之后變換土層順序，第一次將原始土層的第1層換到8層，原始土層第8層厚度為2.9m，而第一層為1.85m，因此將原始土層的第8層分為兩小層，上半層為原始土層的第1層，厚度為1.85m;下半層為原始土層的第8層，厚度為1.05m。第二次將原始土層的第1層換到4層，原始土層第4層厚度為2.55m，而第一層為1.85m，因此將原始土層的第4層分為兩小層，上半層為原始土層的第1層，厚度為1.85m，下半層為原始土層的第4層，厚度為0.7m.

2.3 Ⅱ類場地土的動剪切模量比和阻尼比

根據(jù)上述Ⅱ類鉆孔資料，一維土層地震反應計算程序中用到的土的動力特性參數(shù)如表2所示，參考田啟文[1]書中的各類土的動剪切模量比和阻尼比的表，這些參數(shù)在運行程序時將作為輸入文件data3的數(shù)據(jù)。

3計算結(jié)果與分析

3.1 原始土層地表反應、第一次變動土層地表反應及第二次變動土層地表反應

具體做法：以埃爾森特羅地震波作為基底入射波，原始土層場地鉆孔資料為例。

（1）根據(jù)已知條件建立并修改輸入數(shù)據(jù)文件DATA.dat、DATAl.dat、DATA2.dat、DATA3.dat、DATA4.dat;

（2）運行執(zhí)行程序（Rsleibm）得出五個輸出文件rtell.dat，rtel2.dat，rtel3.dat，rte14.dat，rtel5.dat，經(jīng)過查找文件rtell.dat可以得出Amax，Vmax，Dmax的值;

（3）運行ARTELTR程序，得到3個輸出文件，分別為Aco-1.dat、Acc-2.dat、Acc-3.dat，其中Acc-1.dat是用來做時程圖的文件;

（4）運行RTELTR程序，得到3個輸出文件，分別為Res-1、Res-2、Res-3，其中Res-1是用來做反應譜曲線的文件;

（5）對soil程序輸出的加速度時程圖文件，運用matlab軟件進行濾波處理，并計算出速度和位移時程圖文件。

（6）最后在Excel表中分別畫出各個埃爾森特羅地震波在土層變換前后的加速度、速度和位移時程圖以及反應譜曲線對比。

3.2 場地計算結(jié)果分析

計算時，將Ⅲ類場地的軟土層（第一個土層，波速為100.6m/s的粉砂層）分別變換到第八層（波速為237.6m/s的粉質(zhì)粘土層）和第四層（波速為163.5m/s的粉砂層），即將第一次將軟土層變換的深，第二次將軟土層變換的淺。在七種不同的埃爾森特羅地震動的輸入作用下共進行了21種工況的工程場地地震危險性分析。不同輸入加速度水平下的土層變換的反應譜曲線如圖1、2所示。

從圖1-2的不同輸入加速度水平下的土層變換的反應譜曲線中可以看出，變換土層順序、輸入地震動特性以及地震強度的不同，都對Ⅱ類場地的加速度反應峰值A(chǔ)max、特征周期Tg以及反應譜最大值Samax有一定的影響，并且存在一定的規(guī)律性：

（1）從圖1-2可知，變換土層前后，反應譜曲線形狀相似，大小不一樣。

（2）如圖3所示，在加速度值為100gal的埃爾森特羅地震動的輸入作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的加速度反應譜最大值小且都比原始土層的加速度反應譜最大值小。通過對比分析，在不同地震動輸入作用下土層變換前后反應譜加速度最大值對比，如圖4所示，可以看出在同一輸入地震動作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的加速度反應譜最大值小，且隨著基底入射波加速度值的增大，加速度反應譜最大值也逐漸增大。

（3）在加速度值為50gal的埃爾森特羅地震動的輸入作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的特征周期值大且都比原始土層的特征周期值大。通過對比分析，在不同地震動輸入作用下土層變換前后特征周期值對比，可以看出在同一基底入射波作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的特征周期值大，且都大于原始土層的特征周期值;隨著基底入射波加速度值的增大，特征周期值基本不變。

（4）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動作用下，加速度反應譜最大值所對應的周期相同。

（5）同一埃爾森特羅地震動作用下，土層順序改變前后，軟土層變換的深的土層比軟土層變換的淺的土層峰值加速度小，且都小于原始土層的峰值加速度。

（6）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動作用下，隨著基底入射波加速度值的增大，峰值加速度逐漸增大。

（7）同一埃爾森特羅地震動作用下，土層順序改變前后，軟土層變換的深的土層與軟土層變換的淺的土層峰值速度基本相同，都略小于原始土層的峰值速度。

（8）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動作用下，隨著基底入射波加速度值的增大，峰值速度逐漸增大。

（9）同一埃爾森特羅地震動作用下，土層順序改變前后，土層峰值位移基本相同。

（10）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動作用下，隨著基底入射波加速度值的增大，峰值位移逐漸增大。

（11）結(jié)構(gòu)變動后土層的Samax和未變動前土層的Samax，二者之間的比值隨著輸入el波加速度峰值的增加基本不變。

5 結(jié)論

本文以實際場地鉆孔資料為基礎(chǔ)，挑選了1個典型的場地剖面，以場地波速結(jié)構(gòu)為基準，分別變換了兩次土層順序，選用埃爾森特羅地震波的加速度記錄作為基底入射波，并考慮輸入地震動強度的影響，調(diào)整輸入地震動的加速度值，利用soil程序共進行了21種不同工況的數(shù)值計算，分析了場地波速結(jié)構(gòu)對地表地震動的影響，并歸納了一些規(guī)律。通過上述分析，可得到以下結(jié)論：

（1）同一土層結(jié)構(gòu)，輸入地震動強度不同，特征周期值不變。

（2）在同一地震動輸入作用下，土層結(jié)構(gòu)改變后，反應譜形狀相似，大小改變。

（3）同一土層結(jié)構(gòu)，輸入的地震動強度越大，Amax、Vmax、Dmax、Samax越大。

參考文獻

[1]田啟文.工程地震學基b} [M].地震出版社，2009.

[2]呂悅軍，彭艷菊，蘭景巖，孟小紅.場地條件對地震動參數(shù)影響的關(guān)鍵問題[J].震災防御技術(shù)，2008.

[3]趙艷，郭明珠，季楊，王文仲，張玫.場地條件對地震動持時的影響[J].震災防御技術(shù)，2007.

[4]陳繼華，陳國興，史國龍.深厚軟弱場地地震反應特性研究[J].防災減災學報，2004（06）.

[5]陳國興，陳繼華.地震動輸入界面的選取對深軟場地地震效應的影響[J].世界地震工程，2005（06）.

[6]陳國興，謝君裴，張克緒.土的動模量和阻尼比的經(jīng)驗估計[J].地震工程與工程振動，1995（15）.

[7]吳世明.土動力學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[8]李小軍.粘彈塑性模型及土層地震反應分析[D].哈爾濱：國家地震局工程力學研究所，1987.

[9]李小軍，彰青等.設(shè)計地震動參數(shù)確定中的場地影響考慮[J].世界地震工程，2001.

[5]李小軍，彭青等.不同類別場地地震動參數(shù)的計算分析[J].地震工程與工程振動，2001.

[10]周克森.一維土層非線性地震反映分析方法[J].地震工程與工程振動，1996.