山東省不同場地PGA放大影響研究

閆靜茹 張郁山 郝明輝

摘要：搜集整理“場地勘察鉆孔數(shù)據(jù)庫及分析平臺系統(tǒng)”中山東省278個土層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相對完整的鉆孔剖面，采用一維等效線性化地震反應(yīng)分析方法，計算II類和III類場地在5種實際基巖地震動作用下的場地反應(yīng)，分析場地地震動峰值放大系數(shù)隨場地類別、等效剪切波速、輸入地震動強度的變化特征。結(jié)果表明：①場地土對輸入地震動具有放大作用，這種放大作用隨著地震動輸入強度的增大在II，III類場地呈現(xiàn)不同的趨勢;②對比所有場地不同地震強度的PGA平均值及擬合曲線發(fā)現(xiàn)，II類場地PGA多數(shù)情況高于III類場地;③分析所有場地土層PGA隨vse變化情況，發(fā)現(xiàn)在D，E強震作用下，PGA在vse>350 m/s變化趨勢平緩，因此提出II類場地更為細(xì)致的劃分方法，并給出各類場地地震動參數(shù)變化的經(jīng)驗關(guān)系式及其系數(shù)值。

關(guān)鍵詞：場地效應(yīng);場地分類;PGA;放大系數(shù)

0 引言

場地土層條件對地震動的振幅特性（如峰值加速度、峰值速度、峰值位移等）及地震動的頻譜特性（如反應(yīng)譜、傅里葉譜等）的影響研究，一直是地震工程領(lǐng)域的重要問題。目前，針對場地土層條件影響特性的研究大多集中在不同土層結(jié)構(gòu)及不同場地類別對峰值放大系數(shù)及反應(yīng)譜特征周期的影響規(guī)律統(tǒng)計上（李平，2010;薄景山等，2003;劉紅帥等，2005;李媛媛等，2006;楊偉林，2004;羅桂純等，2019），還有一些學(xué)者基于統(tǒng)計結(jié)果給出場地的分類方法（周錫元等，1984;薄景山等，2004a，b）。雖然相關(guān)的研究成果豐富繁多，但是多數(shù)學(xué)者基于統(tǒng)計學(xué)原理得到的結(jié)論并沒有建立在大量的實際鉆孔模型基礎(chǔ)上。

《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2015）（以下簡稱“五代圖”）的編制綜合考慮了地震環(huán)境、建設(shè)工程場地條件及重要程度、允許的風(fēng)險水平等因素，而場地條件及地震環(huán)境的確定需要以場地實際工程地質(zhì)及地震資料為前提。五代圖是在開展相關(guān)場地地震動效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，提出了考慮場地條件影響的地震動峰值加速度和加速度反應(yīng)譜特征周期雙參數(shù)調(diào)整的原則，這種調(diào)整原則以場地特性指標(biāo)為控制量，控制參數(shù)需要通過統(tǒng)計場地模型的數(shù)值計算結(jié)果和強震動記錄資料得到（李小軍，彭青，2001;李小軍，2013）。并且五代圖的以大量的實測工程場地資料為基礎(chǔ)進行場地地震動效應(yīng)的分析，以便得到合適的地震動調(diào)整參數(shù)。因此中國地震災(zāi)害防御中心建立了“場地勘察鉆孔數(shù)據(jù)庫及分析平臺系統(tǒng)”，搜集自2000年以來全國范圍內(nèi)的安評報告，并摘取其中涉及場地條件及地震環(huán)境部分的重要數(shù)據(jù)資料，形成數(shù)據(jù)信息全面的電子庫。為了檢驗電子庫是否可全面便捷地用于場地效應(yīng)研究，本文選取平臺現(xiàn)階段錄入的山東省范圍內(nèi)鉆孔資料較為完整的場地數(shù)據(jù)，以目前較為普遍的II，III類場地為研究對象，深入進行各類場地的地震動峰值加速度放大效應(yīng)研究，以期為今后開展大量豐富的場地實際鉆孔的場地效應(yīng)研究做鋪墊。

目前，五代圖的場地地震動參數(shù)是在II類場地基本地震動參數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)整確定的，并依次給出了其它分類場地的相關(guān)調(diào)整系數(shù)（高孟潭，2015）。而依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），場地類別根據(jù)場地的覆蓋層厚度和等效剪切波速進行劃分，II類場地作為地震動參數(shù)區(qū)劃圖中的基本場地，劃分范圍相較其它類別場地較為粗略和廣泛，尤其剪切波速的劃分范圍較大。為此本文提出II類場地新的劃分方案，并對新舊場地類別下的地表地震反應(yīng)結(jié)果進行統(tǒng)計分析，給出不同場地類別場地地震動峰值放大參數(shù)變化的經(jīng)驗關(guān)系。

1 場地的選取和計算參數(shù)的確定

1.1 場地條件

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取依托于“場地勘察鉆孔數(shù)據(jù)庫及分析平臺系統(tǒng)”，通過整理山東省近20年的數(shù)據(jù)資料，對省內(nèi)涵蓋的II，III類場地鉆孔的土層分布、土層剪切波速、覆蓋層厚度、成孔位置等有效信息進行梳理，最終根據(jù)地域特征，選取278個土層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相對完整的鉆孔，并建立相對應(yīng)的土層反應(yīng)模型。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）中場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立的278個模型中，202個屬Ⅱ類場地，另外76個屬Ⅲ類場地，鉆孔場地模型力學(xué)參數(shù)條件分布情況見表1。

1.2 計算方法和參數(shù)的確定

目前，我國工程場地地震安全性評價工作推薦使用的土層分析方法是頻域等效線性化波動方法（Idriss，Seed，1968;廖振鵬，李小軍，1989）。這一方法不僅在實際工程場地抗震設(shè)計分析中發(fā)揮著重要的作用，也在巖土領(lǐng)域的各類研究中作為基礎(chǔ)方法支撐了更深入、更多元的研究工作（劉海笑，王世水，2006;姜通，邢海靈，2007;魏勇等，2018;Assimaki，Kausel，2002）。中國地震災(zāi)害防御中心張郁山團隊開發(fā)的工程場地地震安全性評價軟件（SEC R2019）不僅對傳統(tǒng)等效線性化波動法進行了完善和豐富，還增加了時域計算和多維場地計算模塊，同時軟件平臺增加了場地計算模型的前處理環(huán)節(jié)，可快速提高建模效率。本文基于SEC R2019一維等效線性化場地地震反應(yīng)計算模塊，編制了相應(yīng)的批處理程序，簡化建模與計算流程，可以快速完成成百上千鉆孔模型在大量工況下的計算工作。計算分析所采用的土層剪切波速、密度值以及土的動力非線性試驗結(jié)果均由實際工程中的實測資料給出，對于鉆孔模型中缺乏動三軸實測數(shù)據(jù)的土類，數(shù)據(jù)由經(jīng)驗值給出（袁曉銘等，2000;廖振鵬，1989）。

為了單一比較輸入地震動峰值對不同場地條件的影響，強震記錄的選取原則是保證地震動特征周期在一定范圍內(nèi)，選取不同加速度峰值地震動。本文最終選取NGA數(shù)據(jù)庫中基巖場地所記錄的5條實際強震記錄時程（表2），其加速度峰值分別為50，100，200，400，650 gal（記為A時程、B時程、C時程、D時程和E時程），在計算中將其幅值縮小一半作為基巖地震動輸入。圖1給出5條強震地震動的加速度時程和反應(yīng)譜。

2 計算結(jié)果與討論

為分析不同場地的放大效應(yīng)，設(shè)計的計算方案為：①根據(jù)鉆孔剖面實測數(shù)據(jù)，分別建立場地計算模型;②對所有鉆孔進行不同基巖地震輸入下的土層地震反應(yīng)計算，共記1 390個計算工況;③利用等效線性化方法對各鉆孔模型的場地進行計算;④為便于敘述和分析，引入場地峰值加速度放大系數(shù)：

2.1 不同場地類別場地放大效應(yīng)分析

表3給出了不同地震動時程輸入下II，III類場地ks的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，可見：①場地土對輸入地震動具有放大作用，這種放大作用隨著地震動輸入強度ap的增大，在II，III類場地呈現(xiàn)不同的趨勢;②在中強震作用下，Ⅱ類場地的ks普遍高于III類場地;在強震D，E作用下，III類場地ks<1，說明了場地土層的非線性;③在地震動時程B作用下，II類場地，ks的標(biāo)準(zhǔn)差為0.23，與其它地震時程明顯不同，III類場地則是在地震動時程D作用下時標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)不同，為0.34。

為了更直觀地看到ks隨ap的變化特征，圖2給了II，III類所有場地模型ks的平均值（實線）以及置信區(qū)間（虛線），置信度為95%。由圖可知：①II類場地對PGA呈現(xiàn)放大效應(yīng)，隨著ap的增大，放大效應(yīng)略有增加，ap到一定強度時，放大效應(yīng)減弱，III類場地隨著ap的增大由放大趨勢向縮小趨勢轉(zhuǎn)變;②根據(jù)置信區(qū)間可知，II類場地放大系數(shù)ks為1.4～1.8，III類場地Rs為0.6～1.8;③場地土對地震動具有放大作用且是非線性的，弱地震動時軟場地對地震動放大作用比中硬場地大;④對應(yīng)于表3中的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差在0.2上下時置信區(qū)間較窄，樣本分布更為集中，這一類場地可能對這種地震動輸入所呈現(xiàn)的場地反應(yīng)特性較為一致，在以后分析地震動輸入強度與地震動頻譜特性對不同場地類別影響時，可以引入這一分析參數(shù)。

2.2 場地PGA隨Vse的變化特征

為了進一步分析場地反應(yīng)與Vse的關(guān)聯(lián)性，探索場地更為細(xì)致的劃分方法，圖3給出了II，III類場地在不同地震動輸入下土層PGA的散點圖，圖中還分別給出兩類場地土層PGA的平均值（實線）和置信區(qū)間（虛線）。同時，根據(jù)最小二乘法曲線擬合原理給出散點圖的PGA隨Vse變化的趨勢擬合曲線。

由圖3可知：①2類場地PGA平均值對比結(jié)果顯示，除了地震動時程A以外，其它地震作用下II類場地的PGA平均值均大于III類場地。②因II類和III類場地擬合曲線在后半段不好區(qū)分，因此圖中繪制了所有場地的擬合曲線進行對比，所有地震動作用下，所有場地擬合曲線與II類場地擬合曲線在前半段略有差別，這是因為III類場地的Vse<250 m/s，所以對前半段的影響較大，同時，大部分II類場地擬合曲線在II類和III類場地擬合曲線上方，推測II類場地PGA大于III類場地的可能性更大。③分析所有場地土層PGA隨Vse變化情況發(fā)現(xiàn)，小震A作用下，PGA隨Vse的增大而減小;中震B(yǎng)作用下，PGA變化不明顯;大震C，D，E作用下，PGA隨Vse的增大而增大，同時對于D，E這種強震作用，PGA在Vse>350 m/s變化趨勢平緩。④PGA在Vse>250 m/s時變化較大（地震B(yǎng)作用除外），而這個范圍內(nèi)場地類型均屬于II類場地。目前現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，PGA主要基于場地類別進行調(diào)整，這種調(diào)整方法可能存在較大的誤差，本文在此基礎(chǔ)上提出以350 m/s作為分界線，對II類場地進行重新劃分。

為了對比II類場地重新劃分后類場地的地震動特征及變化規(guī)律，圖4給出劃分前后類場地ks隨ap變化統(tǒng)計結(jié)果的擬合曲線和曲線的置信區(qū)間（虛線），根據(jù)擬合曲線分析可知：①II0類和II1類場地對基巖地震動均表現(xiàn)為放大，II0的放大趨勢隨著ap的增大而增大，而II1是隨著ap的增大而減小，對比原II類場地結(jié)果有一定的差別。III類場地隨著ap增大對基巖地震動表現(xiàn)為由放大向縮小的變化趨勢。②各擬合曲線置信區(qū)間，II0場地ks范圍為1.4～1.8，II1場地ks為1.2～1.6，原II類場地ks則在1.4～1.6，III類場地ks為0.6～1.6。由此看出，II類場地與III類場地的放大性是有明顯不同的，五代圖也是依據(jù)目前的場地分類標(biāo)準(zhǔn)給出其他類別場地的調(diào)整系數(shù)。而如果按照新劃分規(guī)則，III類場地ks相對于II類場地分兩檔之后ks的調(diào)整系數(shù)會有一定變化，可進一步給出地震動參數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式進行分析。③II1場地與III類場地Vse范圍更為接近，但是放大性卻有很大的不同，這種差異性的原因還有待研究。

3 結(jié)論

本文基于山東省土層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相對完整的鉆孔，建立了278個土層反應(yīng)場地模型，通過等效線性化波動方法的場地計算結(jié)果，分析討論了不同場地條件對基巖地震動的放大效應(yīng)，分析結(jié)果顯示，場地的放大效應(yīng)與輸入的地震動強度密切相關(guān)，除此之外，土層的剪切波速的變化對場地放大效應(yīng)的影響也非常大。本文依據(jù)現(xiàn)有資料，對場地PGA放大效應(yīng)以及場地劃分類型進行了一些初步研究，提出II類場地劃分為II0類和II1類場地，并給出各類場地地震動參數(shù)變化的經(jīng)驗關(guān)系式及其系數(shù)值。

在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）中，對同一場地類別應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計地震動分組進行場地驗算，這也說明輸入地震動特征周期對場地反應(yīng)計算結(jié)果影響深遠(yuǎn)，本文僅考慮了峰值加速度的影響，在今后的工作中應(yīng)針對輸入地震動頻譜特性的影響展開更為細(xì)致的研究。同時，考慮到輸入地震動的較大隨機性，本文只是初步分析不同場地類別（II，III類）對地震動峰值加速度的普遍性放大規(guī)律，為確定合理的放大系數(shù)應(yīng)挑選更多的地震動作為輸入，以考慮其不確定性的影響。

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