《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中各類場地的地震響應(yīng)對比研究

楊彥鑫，林大富，馬建林，裴浩翔

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

地震對鐵路路基具有破壞性，震害程度取決于局部場地的地質(zhì)環(huán)境[1-2]。相關(guān)學(xué)者對場地響應(yīng)開展了研究，文獻(xiàn)[3]研究了季節(jié)性凍土區(qū)各類場地在不同凍土深度與剪切波速下的地表反應(yīng)譜。文獻(xiàn)[4]根據(jù)強(qiáng)震臺網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)計算分析覆蓋層厚度對場地放大因子計算方法的影響。文獻(xiàn)[5]根據(jù)余震記錄，對比分析不同的場地非線性響應(yīng)分析方法。文獻(xiàn)[6]統(tǒng)計得到了場地放大效應(yīng)與基巖輸入地震波和場地指數(shù)的表達(dá)式。場地響應(yīng)分析可分為線性分析法和非線性分析法。文獻(xiàn)[7]等提出等效線性分析方法，但在強(qiáng)震作用下，土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為非線性。文獻(xiàn)[8]用雙曲線模型描述土的非線性關(guān)系。文獻(xiàn)[9]等提出黏彈性-塑性本構(gòu)模型，表達(dá)土體的剪切模量衰減和滯回阻尼曲線。

鐵路修建會面臨不同場地條件，而對鐵路規(guī)范場地分類條件下的非線性場地響應(yīng)分析的研究較少。本文在不同地震震級下，利用Deepsoil程序?qū)ΜF(xiàn)行鐵路規(guī)范中的3類場地進(jìn)行非線性響應(yīng)分析。

1 場地響應(yīng)分析

在土體大變形條件下，需利用非線性分析方法分析場地條件對地震動特性的影響[10]。Deepsoil能考慮孔壓消散模型，進(jìn)行一維非線性分析，采用修正雙曲線本構(gòu)模型描述土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[11]，采用參數(shù)β，s提高本構(gòu)模型的精度。模型也定義了參考剪切應(yīng)變，引入?yún)?shù)b，并根據(jù)豎向有效應(yīng)力確定。Deepsoil程序采用Masing準(zhǔn)則來構(gòu)造滯回曲線，采用完全瑞利阻尼方法，該方法不會導(dǎo)致高頻的過阻尼，也適用于大應(yīng)變時的非線性分析。

2 計算模型及參數(shù)

根據(jù)GB 50111—2006，構(gòu)造25 m厚的砂土類場地S和黏土類場地C，并分別設(shè)置3類場地(Ⅰ類場地不作考慮)，主要考慮對中硬土，中軟土及軟弱土進(jìn)行場地響應(yīng)分析。

3種不同剪切波速的砂土記為S1，S2，S3。3種不同剪切波速的黏土類場地，記為C1，C2，C3。對2種類型場地，剪切波速Vs分別設(shè)置為 150，200，375 m/s。以剪切波速150 m/s時黏土質(zhì)場地為示例，土體動力特性參數(shù)見表1。

表1 Vs＝150 m/s時土層動力特性參數(shù)

3 不同場地條件下的場地響應(yīng)

采用時程分析法進(jìn)行地震響應(yīng)分析時需選擇至少2條實際強(qiáng)震記錄。本文選取了2條Northridge(北嶺地震)地震波作為出露輸入地震波，地震波1的峰值加速度為0.217g，距離斷層距離為26.8 km，地震震級為6.7級。地震波2的峰值加速度為0.098g，距離斷層距離為43.4 km，地震震級為6.7級。分別縮放2條地震波峰值加速度為 0.05g，0.15g，0.3g，0.4g，對應(yīng) 6，7，8，9 度地震烈度。

4 計算結(jié)果與分析

假設(shè)土層在基巖上且均勻成層，在2條所選的地震波作用下，分析3種等效剪切波速Vsc情況下砂土和黏土場地的地震響應(yīng)。

4.1 不同地表土性對地震動峰值加速度的影響

砂土層、黏土層地表峰值加速度as與輸入加速度ae比見表2、表3?？芍?砂土類場地在強(qiáng)地震動的作用下，as/ae值最小為0.253。黏土場地地表對地表峰值加速度的縮放作用強(qiáng)于砂土場地，在Ⅲ，Ⅳ類場地中這種區(qū)別更為明顯。對同一場地而言，隨著輸入加速度的增大，as/ae值減小；具有不同等效剪切波速Vsc的2類場地地表對地表峰值加速度的影響作用由放大轉(zhuǎn)變?yōu)榭s小。

表2 砂土層地表峰值加速度與輸入加速度比

表3 黏土層地表峰值加速度與輸入加速度比

在不同地震波作用下地震動峰值加速度隨深度變化曲線見圖1?？芍?，類土性的場地地表對地表動峰值加速度的放大作用均是在Vsc＝375 m/s時較為明顯，且該放大作用隨輸入加速度增大而減弱。對于Ⅱ類場地，低烈度地震造成的震害作用不容忽視。

圖1 不同地震波作用下地震動峰值加速度隨深度變化曲線

4.2 最大剪切應(yīng)變的比較

不同地震波作用下最大剪應(yīng)變隨深度變化曲線見圖2?？芍?，各類場地的最大剪應(yīng)變由基底到地表大體呈減小趨勢，最小值均出現(xiàn)在地表。在同一高烈度地震波作用下，相同等效剪切波速的砂土類場地土層最大剪應(yīng)變大于黏土類場地。而在低烈度地震作用下，兩者差距不大。隨著地震烈度的增大，土層剪應(yīng)變由線性趨于非線性。

圖2 不同地震波作用下最大剪應(yīng)變隨深度變化曲線

4.3 地震反應(yīng)譜分析

地震波作用下各類場地反應(yīng)譜見圖3?？芍?，在地震波1作用下，卓越周期集中在0.15～0.20 s；在地震波2作用下，卓越周期集中在0.40～0.70 s。

圖3 地震波作用下各場地反應(yīng)譜

表4與表5分別為在地震波作用下砂土場地和黏土場地反應(yīng)譜的擬加速度反應(yīng)譜最大值。各類場地在同一類型地震波作用下，擬加速度反應(yīng)譜值隨輸入地震波地表動峰值加速度增大而增大，且擬加速度反應(yīng)譜曲線隨時間的走勢相近。黏土質(zhì)場地的擬加速度反應(yīng)譜值高于同等條件下的砂土質(zhì)場地。

表4 地震波作用下黏土場地反應(yīng)譜的擬加速度反應(yīng)譜最大值 g

表5 地震波作用下砂土場地反應(yīng)譜的擬加速度反應(yīng)譜最大值 g

5 結(jié)論

本文采用的計算模型較簡單，考慮了基巖上覆蓋土層為多種土性的情況，只適用于均質(zhì)單一場地的分析。同時，采用不同本構(gòu)模型也會對場地響應(yīng)計算結(jié)果造成影響，而文中只考慮了MKZ模型(Matasovic，1993)。本文只討論了2條地震波的響應(yīng)規(guī)律，而地震波的頻譜成分相應(yīng)地對各類場地造成的影響未考慮。根據(jù)計算分析得出以下結(jié)論:

1)在同一地震輸入作用下，黏土場地的地表峰值加速度與輸入地表加速度比較砂土場地大，地震輸入對應(yīng)為6級烈度時，對于Ⅱ類場地，2種土性場地的放大效應(yīng)最為明顯。

2)高烈度地震輸入條件下，砂土場地的最大剪應(yīng)變大于黏土場地，土層剪應(yīng)變隨著烈度增大，由線性趨于非線性；

3)在同一地震輸入作用下，擬加速度反應(yīng)譜值隨著地震輸入的增加而增大，黏土場地的擬加速度反應(yīng)譜高于砂土場地。