不同類別黃土場地覆蓋層厚度對地表加速度反應譜的影響研究

萬秀紅，石玉成，盧育霞，屠泓為，鄧津

(1.青海省地震局,青海西寧　810001； 2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州　730000)

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不同類別黃土場地覆蓋層厚度對地表加速度反應譜的影響研究

萬秀紅1，石玉成2，盧育霞2，屠泓為1，鄧津2

(1.青海省地震局,青海西寧810001； 2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州730000)

摘要：為研究不同類別黃土場地覆蓋層厚度對地表加速度反應譜的影響，對收集的近百余個黃土場地實際鉆孔資料進行了詳細研究，選取和構(gòu)建了若干個計算剖面，利用一維等效線性化方法計算出不同類別場地(Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類)的地表加速度反應譜，討論了各類場地覆蓋層厚度對地表加速度反應譜的影響，并對不同場地類別的加速度反應譜進行了對比分析。研究表明，黃土地區(qū)各類場地的特征周期均明顯大于建筑抗震設(shè)計規(guī)范所給值，不同區(qū)域需要深入研究。

關(guān)鍵詞：黃土場地；場地類別；加速度反應譜；覆蓋層厚度

0引言

反應譜在本質(zhì)上反映的是地震動強度與頻譜特性，是確定設(shè)計反應譜的基礎(chǔ)，已成為地震工程領(lǐng)域中的研究熱點[1-4]。周錫元等[5]指出覆蓋層厚度增大，將改變反應譜的形狀，土層越厚，長周期的頻譜成分越顯著，反應譜曲線越向右移。李小軍等[6]認為場地條件對地震動的影響不僅表現(xiàn)在對地震動幅值的變化上，而且還表現(xiàn)在對地震動頻譜特性的變化上。對于黃土地區(qū)而言，黃土地區(qū)特有的地形地貌、物質(zhì)組成等因素決定了其地震時地面運動具有自身的特性。近年來，人們開始重視對黃土地區(qū)的相關(guān)研究，并開展了諸多研究工作[7-10]。然而，對于黃土場地不同類別覆蓋層厚度對地震動影響的研究尚少，因此，研究不同類別黃土場地覆蓋層厚度對地表加速反應譜的影響具有重要理論和實踐意義?；诖?，本文擬合成多條不同強度的地震波，在收集的百余個實際鉆孔資料基礎(chǔ)上，結(jié)合這些資料構(gòu)建出了研究所需的3類場地(Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類)的計算模型，通過一維土層地震反應方法，研究不同類別黃土場地覆蓋層厚度對反應譜的影響，并對比分析不同場地類別情況下相同厚度反應譜的變化及影響等。

1計算剖面和計算參數(shù)的選取

由于在西北地區(qū)黃土場地很難見到Ⅳ類場地，Ⅰ類場地也很少，Ⅲ類其次，Ⅱ類場地最多。鑒于此，本文只研究Ⅰ類場地、Ⅱ類場地和Ⅲ類場地。文中在詳細研究近百余個實際黃土場地(陜西、甘肅、青海)鉆孔資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合抗震設(shè)計規(guī)范對黃土地區(qū)的相關(guān)規(guī)定及黃土場地的地質(zhì)工程特征，3類場地共選取和構(gòu)建56個計算剖面，并假定計算剖面為水平成層的平坦場地。按覆蓋層厚度和等效剪切波速的劃分范圍，Ⅰ類場地在1 m～5 m范圍選取5個剖面，Ⅱ類場地選取34個剖面(Vse≤150 m/s范圍取6個；250 m/s≥Vse>150 m/s范圍取13個；500 m/s≥Vse>250 m/s范圍取15個)，Ⅲ類場地選取17個剖面(Vse≤150 m/s范圍取12個；250 m/s≥Vse>150 m/s范圍取5個)。

文中計算所需的基巖輸入地震動為人工合成的地震動時程，為更加詳細的研究輸入強度從小慢慢變大對地表加速度反應譜的影響，合成了6種強度(50 gal、100 gal、150 gal、200 gal、300 gal、400 gal)的地震動時程，每種強度的地震動時程分別隨機合成3條樣本時程，每種強度的3條時程都參與計算，計算結(jié)果選取3條時程計算的平均值。

在進行計算時，所需的土層剪切波速為實際鉆孔資料波速測試結(jié)果，但剪切波速可能會受到技術(shù)的差異性及其孔徑等因素的影響而存在一定的不確定性。各類土相應剪應變對應的切模量和阻尼比結(jié)合土動力試驗結(jié)果和經(jīng)驗值[11]給出，取值如表1所示。

表1　　　　　　　　　各類土相應剪應變對應的剪切模量比和阻尼比值

2計算方法及計算方案的確定

在研究場地條件對地震動特性的影響方面已有多種方法，本文采用的是建立場地土層計算模型進行理論分析的方法。黃土場地類別的劃分是按建筑抗震設(shè)計規(guī)范[12](GB50011-2010)中表4.1.3和表4.1.6的規(guī)定進行劃分的，構(gòu)建的計算模型均為場地條件較均勻簡單的成層土，故采用一維計算方法進行地震反應計算。目前場地土層地震反應分析方法中最常用的是一維等效線性化土層地震反應分析方法[13-14]，該方法也是地震安全性評價工作中常用的土層地震反應分析方法，文中就采用本方法進行分析研究。

文中將分3類場地研究不同類別場地地表加速度反應譜隨覆蓋層厚度變化的特征，除Ⅰ類場地外，Ⅱ類場地和Ⅲ類場地還按不同的等效剪切波速范圍進行了詳細研究，采用6種強度的基底輸入波，計算地表加速度反應譜值，最后對各類場地計算結(jié)果進行對比分析。

3計算結(jié)果及分析

眾所周知，覆蓋層厚度是影響地表加速度反應譜(文中地表加速度反應譜均簡稱為加速度反應譜)眾多因素之一。文中對各類場地的計算模型分別輸入6種不同強度的地震波，通過一維地震反應計算，得到相應的加速度反應譜，并對各類場地覆蓋層厚度相同的加速度反應譜進行對比分析。

3.1覆蓋層厚度對Ⅰ類場地加速度反應譜的影響

Ⅰ類場地選取的5個計算模型的覆蓋層厚度分別為1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m、4.9 m，為清楚地展現(xiàn)不同強度下加速度反應譜隨覆蓋層厚度的變化，選取6種強度的地震動時程作為基巖輸入波，不同強度加速度反應譜隨覆蓋層厚度的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出：①1.5 m時加速度反應譜峰值最小，4.9 m時加速度反應譜峰值最大，但變化較小；②地震動強度變大時，加速度反應譜有向長周期偏移的趨勢，但偏移量小；③覆蓋層厚度對特征周期沒有明顯的影響，特征周期約在0.35 s～0.5 s之間；說明Ⅰ類場地隨覆蓋層對加速度反應譜峰值和特征周期的影響都較小，地震動強度對特征周期有一定的影響，但影響較小，而特征周期與建筑抗震設(shè)計規(guī)范中Ⅰ類場地給出的值(0.2 s～0.35 s)相比偏大。

3.2覆蓋層厚度對Ⅱ類場地加速度反應譜的影響

Ⅱ類場地按覆蓋層厚度和等效剪切波速再細劃為3類：第一類為Vse≤150 m/s，厚度在3 m～15 m范圍，選取3.5 m、4.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m，共6個剖面(圖2)；第二類為250 m/s≥Vse>150 m/s，厚度在3 m～50 m范圍，選取3.5 m、4.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m及50 m，共13個剖面(圖3)；第三類為500 m/s≥Vse>250 m/s，厚度大于5 m的范圍，選取6 m、9 m、12 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、65 m及70 m，共15個剖面(圖4)。

從圖2～圖4可以看出：①在Vse≤150 m/s的范圍，特征周期約在0.3 s～0.6 s之間，覆蓋層厚度小于4.5m時，特征周期較小，加速度反應譜譜峰沒有明顯向長周期偏移，當厚度大于4.5 m時，譜峰明顯向長周期偏移。②在250 m/s≥Vse>150 m/s的范圍，特征周期約在0.35 s～0.7 s之間，覆蓋層厚度大于6 m時，加速度反應譜譜峰開始明顯向長周期偏移，加速度反應譜在20 m開始出現(xiàn)2個譜峰；當?shù)卣饎訌姸扔尚∽兇髸r，加速度反應譜的形狀在發(fā)生變化，2個譜峰之間逐漸向一個平臺發(fā)展，尤其是在強度大、覆蓋層厚的情況下(如50 m，強度為400 gal時)。③500 m/s≥Vse>250 m/s的范圍與在250 m/s≥Vse>150 m/s的范圍加速度反應譜形狀相似，只是偏移的分量相對更大些，特征周期約在0.35 s～0.9 s之間，加速度反應譜是在25 m開始出現(xiàn)2個明顯的譜峰。綜上分析可以說明：Ⅱ類場地等效剪切波速對加速度反應譜影響明顯，盡管是同一類場地，在不同的等效剪切波范圍內(nèi)加速度反應譜的變化明顯不同；加速度反應譜峰值隨覆蓋層厚度的增大向長周期偏移，譜峰先隨覆蓋層厚度的增大而增大，在某一厚度達到最大值后隨覆蓋層厚度的增大而減小(除在Vse≤150 m/s范圍，地震動強度為50 gal的情況)；當?shù)卣饎訌姸扔尚∽兇髸r，同一覆蓋層厚度的特征周期向長周期偏移，厚土層相對于薄土層的譜峰在下降；特征周期與建筑抗震設(shè)計規(guī)范中Ⅱ類場地給出的值(0.35 s～0.45 s)相比偏大，并且特征周期隨著等效剪切波速和輸入強度的增大而增大。

圖1　Ⅰ類場地不同強度的地表加速度反應譜

圖2?、蝾悎龅夭煌瑥姸鹊牡乇砑铀俣确磻V(Vse≤150 m/s)

3.3覆蓋層厚度對Ⅲ類場地加速度反應譜的影響

Ⅲ類場地按覆蓋層厚度和等效剪切波速分2類：第一類為Vse≤150 m/s，厚度在15 m～80 m范圍，選取16 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、65 m及70 m，共12個剖面(圖5)；第二類為250 m/s≥Vse>150 m/s，厚度在大于50 m范圍，選取51 m、55 m、60 m、65 m、70 m，共5個剖面(圖6)。

從圖5～圖6可以看出：①在Vse≤150 m/s的范圍，加速度反應譜特征周期隨覆蓋層厚度的變大向長周期偏移，特征周期約在0.5 s～1.5 s

圖3　Ⅱ類場地不同強度的地表加速度反應譜(250 m/s≥Vse>150 m/s)

之間，反應譜由“瘦”變“胖”。②在250 m/s≥Vse>150 m/s的范圍，覆蓋層厚度對加速度反應譜的影響不是很明顯，本來就比較“胖”的加速度反應譜隨著強度的增大變的更“胖”，特征周期約在0.7 s～1.3 s之間。由此說明Ⅲ類場地的加速度反應譜特征周期隨覆蓋層厚度的增大而增大；加速度反應譜譜峰隨地震動強度的增大而增大，地震動強度對特征周期也有一定的影響；不同等效剪切波速范圍的加速度反應譜的變化明顯不同；特征周期與建筑抗震設(shè)計規(guī)范中Ⅲ類場地給出的值(0.45 s～0.65 s)相比偏大。

圖4　Ⅱ類場地地表加速度反應譜(500 m/s≥Vse>250 m/s)

圖5?、箢悎龅氐乇砑铀俣确磻V(Vse≤150 m/s)

4各類場地加速度反應譜的對比分析

為更加詳細研究不同類別場地之間存在的差異，分別選取各類場地中共同擁有的覆蓋層厚度進行對比分析，但因篇幅所限，部分內(nèi)容只對其結(jié)果進行描述，而未展示圖片。

4.1Ⅰ類場地與Ⅱ類場地對比分析

為了對Ⅰ類場地與Ⅱ類場地進行對比，選取覆蓋層厚度分別為3.5 m和4.5 m的2個剖面。因篇幅所限，只取強度最大(400 gal)和最小(50 gal)的2種情況。

從圖7可以看出：由于Ⅰ類場地覆蓋層厚度較薄，Ⅰ、Ⅱ類場地共有的剖面相對少，只選取了3.5 m與4.5 m兩個剖面進行對比。從覆蓋層厚度和強度來看，加速度反應譜除了峰值大小的變化外，反應譜的形狀變化不明顯；從場地類別來看，就會發(fā)現(xiàn)存在明顯差別，不同類別場地同等厚度剖面的加速度反應譜形狀明顯不同，Ⅰ類場地加速度反應譜相對平緩，而Ⅱ類場地存在一個明顯的譜峰。

圖6?、箢悎龅氐乇砑铀俣确磻V(250 m/s≥Vse>150 m/s)

4.2Ⅱ類場地與Ⅲ類場地對比分析

由于Ⅱ、Ⅲ類場地共同擁有的覆蓋層厚度較多，可選范圍較大，2類場地分別選取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m及70 m，共12個剖面。對Ⅱ、Ⅲ類場地的加速度反應譜從以下幾方面進行對比分析：地震動強度由小變大時，2類場地同一厚度的加速度反應譜隨強度的變化(分土層較薄和較厚2種情況)如圖8所示；地震動強度不變時，加速度反應譜隨覆蓋層厚度增大的變化(分50 gal和400 gal兩種情況)。

從對比結(jié)果可以看出：①當2類場地覆蓋層厚度相同，厚度較薄(20 m)時，Ⅲ類場地特征周期大于Ⅱ類場地，地震動強度較小時，Ⅲ類場地的加速度反應譜譜峰大于Ⅱ類場地的譜峰，隨著地震動強度的增大，Ⅲ類場地的加速度反應譜譜峰慢慢小于Ⅱ類場地，加速度反應譜屬于“瘦高”型；厚度較厚(70 m)時，Ⅱ類場地的加速度反應譜譜峰大于Ⅲ類場地，加速度反應譜屬于“矮胖”型。②當2類場地地震動強度不變(50 gal)時，隨著覆蓋層厚度的增大，Ⅱ類場地與Ⅲ類場地的加速度反應譜變化明顯，譜峰明顯向長周期偏移，反應譜由“瘦”變“胖”；20 m時，Ⅲ類場地譜峰大于Ⅱ類場地；30 m之后，Ⅲ類場地譜峰小于Ⅱ類場地譜峰，并且開始出現(xiàn)2個譜峰。地震動強度較高(400 gal)時，Ⅱ類場地的譜峰總是大于Ⅲ類場地的譜峰，并在Ⅲ類場地的左邊，30 m之后Ⅲ類場地開始出現(xiàn)2個譜峰，隨著覆蓋層厚度的增大，第二個譜峰逐漸消失。

圖7?、?、Ⅱ類場地相同厚度地表加速度

5結(jié)論

本文運用一維土層地震反應分析計算的方法，通過輸入不同強度的地震動，計算了不同類別黃土場地的地表加速度反應譜，并對其進行了詳細的研究，結(jié)果顯示：①Ⅰ類場地由于土層較薄，覆蓋層厚度對加速度反應譜峰值和特征周期沒有明顯的影響，輸入地震動強度對特征周期的影響也很??；②從Ⅱ類場地3個不同等效剪切波速范圍的加速度反應譜譜型可以看出等效剪切波速對加速度反應譜影響明顯，加速度反應譜峰值隨覆蓋層厚度的增大明顯向長周期偏移，地震動強度對譜型和特征周期影響明顯。③Ⅲ類場地不同等效剪切波速范圍的加速度反應譜譜型差異明顯，特征周期隨覆蓋層厚度的增大而增大，地震動強度對特征周期和加速度反應譜均存在一定的影響。④通過不同場地類別的對比分析看出，不同類別黃土場地的地表加速度反應譜存在明顯差異。

綜上所述，黃土場地覆蓋層厚度和場地類別對地表加速度反應譜存在明顯的影響，各類場地的特征周期明顯大于建筑抗震設(shè)計規(guī)范給出的取值范圍，表明了黃土場地的特殊性。影響土層反應的因素很多，文中僅考慮了覆蓋層厚度、密度、波速等的影響，對剪切模量和阻尼比進行了簡化，可能會導致計算結(jié)果存在一定的局限性。但隨著各類場地資料的逐步完善和試驗數(shù)據(jù)的積累，今后將會得到更加客觀合理的分析結(jié)果。因此，本文僅對所計算的剖面進行了特征分析，在后續(xù)的研究工作中，將進一步探討其普適性。

參考文獻：

圖8?、?、Ⅲ類場地同一厚度的加速度反應譜隨強度增大的變化

[1]劉紅帥，薄景山，吳兆營，等. 土體參數(shù)對地表加速度峰值和反應譜的影響[J].地震研究，2005，28(2):167-171.

[2]李媛媛，徐揚，吳東. 覆蓋層厚度對反應譜峰值的影響[J].地震地磁觀測與研究，2006，27(4):33-38.

[3]文雯，宋廷蘇，王玨.單一均質(zhì)土覆蓋層厚度對地表峰值加速度和反應譜平臺值的影響[J].地震研究，2012，35(4)：548-553.

[4]李平，薄景山，孫有為，等. 場地類型對反應譜平臺值的影響[J].地震工程與工程振動，2011，31(1)：25-29.

[5]周錫元，王廣軍，蘇經(jīng)宇.場地—地基—設(shè)計地震動[M].北京：地震出版社，1990：14-22.

[6]李小軍，彭青.不同場地地震動參數(shù)的計算分析[J].地震工程與工程振動，2001，21 (1) ：29-36.

[7]石玉成，蔡紅衛(wèi)，孫崇紹.黃土地區(qū)場地的地震地面運動參數(shù)特征[J].西北地震學報，1998，20(3)：66-72.

[8]孫崇紹.西北黃土地區(qū)河谷城市地震動參數(shù)小區(qū)劃研究—以蘭州為例[J].西北地震學報，2007，34(2)：3-11.

[9]廖紅建，朱博鴻.黃土場地的地面地震反應分析[J].西安冶金建筑學院學報，1991，23(3)：331-338.

[10]石玉成，付長華，韓文峰，等.黃土場地抗震性能評價指標分析[J].工程地質(zhì)學報，2004，12(S1)：69-72.

[11]王蘭民.黃土動力學[M].北京：地震出版社,2003：310-316.

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：18-20.

[13]Idriss，I.M.Seismic Response Of Horizontal Soil Layers[J].ASCE，1968，94(SM4):1 003.

[14]廖振鵬，李小軍.地震小區(qū)化—理論與實踐[M].北京：地震出版社,1989：141-153.

STUDY ON THE INFLUENCE OF THE GROUND COVER LAYER THICKNESS OF DIFFERENT CATEGORIES LOESS SITE ON THE GROUND SURFACE ACCELERATION RESPONSE SPECTRUM

WAN Xiuhong1，SHI Yucheng2，LU Yuxia2，TU Hongwei1，DENG Jin2

(1.Earthquake Administration Of Qinghai Province，Xining 810001，China;2.Lanzhou Institute Of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，China)

Abstract:In order to study the influence of the ground cover layer thickness of different categories loess site on the ground surface acceleration response spectrum，in this paper，the collected actual data of more than one hundred drilling were detail in loess site，several calculation section were selected and built，the ground surface acceleration response spectrum of different categories loess site(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ class) was calculated by the method of one-dimensional equivalent linearization，the influence of the ground cover layer thickness of different categories site on the ground surface acceleration response spectrum is discussed，and the acceleration response spectrum of different categories site were analyzed in comparison. The research show that in the loess area，the value of characteristics cycle are significantly longer than the value of the code of buildings seismic design, that it need to studied deeply in different loess areas.

Key words:Site category；Loess Site；Acceleration response spectrum；Cover layer thickness

收稿日期：2015-11-12

基金項目：青海省地震科學基金(項目編號：2015B06)；國家自然科學基金項目(項目編號：51578518)資助。

作者簡介：萬秀紅(1983—)，女，陜西漢中人，碩士，助理工程師，主要從事工程地震及地震活動性研究工作。E-mail:xhwan666666@163.com。通訊作者：石玉成(1966—)，男，博士，研究員，主要從事巖土工程地震與工程地震研究工作。E-mail: shiyc@gssb.gov.cn。

中圖分類號：P315.91

文獻標識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)02-0034-08