程 科, 苗 雨, 郭 偉, 孫立強
(1. 華中科技大學 土木工程與力學學院, 湖北 武漢 430074; 2. 天津大學 建筑工程學院, 天津 300072)
學者們在大量地震災害調查與理論研究后發(fā)現(xiàn),局部場地條件會對震害的空間分布特征產生顯著影響。學者們最早認識到這一現(xiàn)象是在1906年San Francisco大地震,Wood[1]在地震災害調查中發(fā)現(xiàn),當?shù)亟ㄖ锏恼鸷髶p壞程度與地表沉積物厚度密切相關。在之后的多次震害調查中,學者們都進一步證實了建筑物在不同場地條件下震害差異明顯。由此可見,場地效應的研究對于結構物的選址和抗震設防意義重大。目前,場地效應的研究方法主要分為基于場地效應分析理論的數(shù)值分析方法以及基于強震觀測數(shù)據的經驗分析方法。由于強震觀測數(shù)據的匱乏,基于場地效應分析理論的數(shù)值分析方法已經被廣泛應用,并取得了一些對工程具有指導意義的成果[2]。在地震作用下,場地土體既是災害傳遞介質也是承災介質。地震動從震源產生,傳遞至目標場地后,以近地表場地土體作為傳遞介質,傳遞進而影響至結構物。近地表土體的動力學性質將會顯著影響地震波的傳遞過程,進而影響到場地結構[3~5]。不同學者在震后現(xiàn)場調查中發(fā)現(xiàn),砂土場地并非純砂,而是具有不同細粒含量(Fines Content,F(xiàn)C,粒徑小于0.075 mm的顆粒質量比例)的砂-細?;旌狭蟍6~9]。在自然界中,砂-細粒混合料廣泛存在。在中國的華東、西南、華北等地區(qū)均有大量的砂-細?;旌狭戏植?。其中,幾個大的河口三角洲,如黃河三角洲、長江三角洲和珠江三角洲,更是有大量含細粒的砂土沉積。砂-細?;旌狭贤馏w作為介于砂土和細粒土之間的過渡類型土,隨著細粒含量的增加,呈現(xiàn)從砂土向細粒土轉變的力學行為,本身就具有較為特殊的工程性質[10~11]。綜上所述,研究砂-細粒混合料場地的地震反應特性,不僅具有非常重要的科研意義,而且有極大的工程實用價值。
砂-細?;旌狭贤馏w的動力學性質較為特殊,關于不同細粒含量與類型下的混合料場地地震反應特性研究卻鮮有報道。本文將以砂-細粒混合料場地為研究對象,利用有限元軟件ABAQUS,探究砂-細?;旌狭蠄龅卦诘卣饎幼饔孟碌膱龅胤磻匦?,主要討論了混合料土層厚度、細粒類型及含量等因素對場地反應特性的影響,從而為工程實踐提供一定的指導。
在參考大量含砂-細?;旌狭蠄龅氐你@孔剖面后,本文構造了一個典型的水平成層場地的二維模型,并在模型底部施加了水平向一致地震動輸入,如圖1所示。該模型豎向由下及上分為三層,分別為基巖層、砂礫石層和砂-細?;旌狭蠈??;鶐r層和砂礫石層層深分別為20,18 m,對于砂-細?;旌狭蠈?,根據工況不同,深度設置為12 m或6 m。模型兩側和底部邊界均只采用豎向約束,水平向無約束。為了最大程度減小兩側邊界條件對數(shù)值模擬結果的影響,模型水平向長度設置為2000 m,并取場地中軸線處的地震響應為研究對象。
圖1 場地模型/m
大量試驗結果表明,陳國興課題組研究的基于三參數(shù)輸入的修正Davidenkov本構模型可較為合理地描述土體的動力特性,尤其是土體的非線性行為。陳國興等[12,13]基于Davidenkov骨架曲線及Mashing法則對模型進行了修正,并編制了修正的Davidenkov本構模型在ABAQUS軟件中應用的材料子程序。經驗證該模型能夠較好地模擬土的非線性動力本構關系并能反映場地土體的地震響應規(guī)律。因此,本文采用該修正的三參數(shù)Davidenkov本構模型來描述砂-細?;旌狭蟿恿W行為,該模型的具體表達式如式(1)(2)所示。
τ=Gγ=Gmaxγ(1-H(γ))
(1)
(2)
式中:τ和γ分別為剪應力和剪應變;G為剪切模量;Gmax為最大剪切模量;A,B,γ0為土體材料的試驗擬合參數(shù)。
分別選取福建標準砂與塑性黃土混合料(FT)以及非塑性石粉混合料(FS)作為研究對象,不同F(xiàn)C混合料的歸一化剪切模量與剪應變關系曲線如圖2所示?;旌狭霞羟心A颗c剪應變關系數(shù)據來源于本人所做共振柱試驗,具體過程詳見參考文獻[14]。在不同的FC下,由試驗數(shù)據擬合得到的修正Davidenkov本構模型參數(shù)值如表1所示?;鶐r層與砂礫石層的材料參數(shù)取自參考文獻[15]。
圖2 不同F(xiàn)C混合料歸一化剪切模量與剪應變關系曲線
表1 混合料Davidenkov本構模型擬合參數(shù)值
為了分析混合料場地在近場地震動作用下的響應,選取典型近場地震動Niigata波作為輸入地震動[15],地震波數(shù)據來自日本Kiban-Kyoshin網站(KiK-net)。在0.1g峰值加速度調幅下,Niigata波的波形圖如圖3所示。
圖3 輸入地震動波形
地震發(fā)生時,從震源發(fā)出的地震波在土層的傳播過程中,經過不同性質地質界面的多次反射,將導致地震波的周期改變。若某一周期的地震波與地基土層固有周期相近,由于共振的作用,這種地震波的振幅將得到放大,此周期稱為基本周期,基本周期的實質是波的共振。場地的基本周期可通過式(3)(4)進行計算:
(3)
(4)
式中:Td為基本周期;H為土層總厚度;Vse為土層等效剪切波速;Hi為各土層厚度;Vi為各土層剪切波速。不同混合料土層厚度的場地,其基本周期與FC的關系如圖4所示。
圖4 場地基本周期與FC的關系
由圖4可知,混合料細粒含量與類型對場地的基本周期具有一定影響。在不同混合料土層深度的情況下,隨著FC的增加,場地的基本周期均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當FC與土層厚度相同時,不同細粒類型混合料場地的基本周期也不相同。在相同土層厚度條件下,F(xiàn)T混合料土層場地的基本周期大于FS混合料土層場地的基本周期。
地表峰值加速度PGA是場地地表質點運動加速度絕對值的最大值。將地表加速度峰值與輸入的基巖加速度峰值之比記為地表峰值加速度放大倍數(shù)MPGA。在輸入地震動加速度調幅為0.05g的條件下,MPGA與混合料土層中FC的關系如圖5所示。
圖5 場地PGA放大倍數(shù)與FC的關系
由圖5可知,細粒含量與類型對混合料場地MPGA具有影響。對于同種混合料而言,隨著FC的增大,MPGA基本呈現(xiàn)出下降→波動→穩(wěn)定的非線性變化趨勢。其中,F(xiàn)C從0增加到10%對應的MPGA為下降;FC從10%增加到40%對應的MPGA為波動;FC從40%增加到50%對應的MPGA為穩(wěn)定。且當FC>30%時,混合料場地的MPGA明顯小于純砂場地。隨著混合料土層厚度的增大,該非線性變化更加明顯。對于不同細粒類型的混合料場地,當FC<30%時,在同樣的FC條件下,不同場地的MPGA差異不大;當FC>30%時,在同樣的FC條件下,不同場地的MPGA差異明顯,且總體上呈現(xiàn)出FT場地的MPGA大于FS場地這一趨勢。在輸入地震動加速度為0.05g調幅的工況下,不同F(xiàn)C混合料場地的MPGA均大于1,即混合料場地對輸入地震動呈現(xiàn)放大作用。
地震波在介質中傳播時,作用于某個面積上的壓力與單位時間內垂直通過此面積的質點流量之比,具有阻力的含義,稱為波阻抗k,其數(shù)值等于介質密度ρ與波速v的乘積。當?shù)卣鸩◤囊环N土體介質傳播到另一種土體介質中時,其傳播速度與振幅都會發(fā)生變化。以剪切波為例,當?shù)卣鸩ㄒ?°入射角從下部堅硬土層垂直傳播至上部軟弱土層時,在不考慮能量損失的理想條件下,入射地震波與透射地震波的振幅滿足式(5):
(5)
式中:A0,A1分別為入射地震波與透射地震波的振幅;ρ0,v0,k0,ρ1,v1,k1分別為下部堅硬土層與上部軟弱土層的密度、剪切波速與波阻抗。由于下部堅硬土層的波阻抗大于上部軟弱土層的波阻抗,即k0>k1,因此可知A0 對于本文結果而言,在0.05g調幅的輸入地震動作用下,由于是弱震作用,土體應變較小,不同土層基本可認為是彈性體,由土體阻尼而導致的能量損失很小,因此根據式(5)的結論,地震波在軟弱混合料土層的振幅大于基巖層,即MPGA>1。 本節(jié)分析不同工況條件下場地的加速度反應譜值與輸入地震動加速度反應譜值之間的關系。在輸入地震動加速度調幅為0.05g的條件下,兩者反應譜比與混合料FC的關系如圖6~9所示。本文反應譜計算所用阻尼比均為5%。 圖6 6 m深FT混合料土層場地反應譜比 圖7 12 m深FT混合料土層場地反應譜比 圖8 6 m深FS混合料土層場地反應譜比 圖9 12 m深FS混合料土層場地反應譜比 由圖6~9可知,細粒含量與類型對混合料場地反應譜比分布具有顯著影響。在小于0.1 s短周期范圍內,純砂狀態(tài)的反應譜比值基本最大。在3 s以上的長周期范圍內,不同F(xiàn)C混合料土層的反應譜比曲線分布較為集中。在0.1~3 s周期范圍內,不同F(xiàn)C混合料土層的反應譜比曲線分布存在差異。其中,在0.1~1 s周期范圍內,F(xiàn)C對混合料土層反應譜比影響規(guī)律明顯。在同樣條件下,隨著FC的增大,混合料土層的反應譜比值呈現(xiàn)出下降→波動→穩(wěn)定的非線性變化規(guī)律,隨著土層厚度的增大,該非線性變化更加明顯。造成該非線性變化的原因,本質上是因為隨著FC的增大,場地混合料由類粗粒土向類細粒土轉變,其受力骨架由砂顆粒主導變?yōu)橛杉毩nw粒主導而導致的,且隨著土層厚度的增大,混合料土體的動力非線性特性表現(xiàn)得更加明顯。對于不同細粒類型的混合料場地,相同條件下,混合料場地的反應譜比也存在差異。在小于1 s周期范圍內,不同混合料場地的反應譜比總體上大于1。即在該周期范圍內,混合料場地對輸入地震動呈現(xiàn)放大作用。 本文以砂-細?;旌狭蠄龅貫檠芯繉ο?,結合試驗數(shù)據,利用有限元軟件ABAQUS,探究典型二維砂-細?;旌狭蠄龅卦诘卣饎幼饔孟碌膱龅胤磻匦?,討論了混合料土層厚度、細粒類型及含量等因素對場地地震反應特性的影響,主要結論如下: (1)細粒含量與類型對混合料場地的基本周期具有一定影響。對于給定工況條件下,隨著細粒含量的增加,場地的基本周期基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。 (2)細粒含量與類型對混合料場地的地表峰值加速度放大倍數(shù)具有影響。隨著細粒含量的增大,混合料場地地表峰值加速度放大倍數(shù)基本呈現(xiàn)出下降→波動→穩(wěn)定的非線性變化趨勢。在輸入地震動加速度為0.05g調幅的工況下,不同細粒含量混合料場地的地表峰值加速度放大倍數(shù)均大于1。 (3)細粒含量與類型對混合料場地的反應譜比具有影響,且與周期有關。在小于0.1 s短周期范圍內,純砂狀態(tài)的反應譜比值基本最大。在3 s以上的長周期范圍內,不同細粒含量混合料土層的反應譜比曲線分布較為集中。在0.1~1 s周期范圍內,隨著細粒含量的增大,混合料土層的反應譜比值呈現(xiàn)出下降→波動→穩(wěn)定的非線性變化規(guī)律。4.3 場地加速度反應譜比
5 結 論