龍頭山集鎮(zhèn)局部場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)分析＊

陳 珍 周 游郝 冰李遠(yuǎn)東周正華※ 沈欣茹魏 鑫

1)南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇南京 210009

2)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源實(shí)物地質(zhì)資料中心，河北三河 065201

3)黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院，黑龍江哈爾濱 150040

引言

2014年魯?shù)镸S6.5地震是我國(guó)繼2013年蘆山MS7.0地震之后的又一次破壞性淺源地震，震中烈度為Ⅸ，造成的地表破壞、房屋損毀及人員傷亡比國(guó)內(nèi)其他同震級(jí)地震造成的都要嚴(yán)重，尤其是本文重點(diǎn)分析的龍頭山集鎮(zhèn)6個(gè)場(chǎng)點(diǎn)（圖1）均位于極震區(qū)，影響烈度為Ⅸ。

圖1 6個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的鉆孔位置Fig.1 Borehole position of 6 sites

據(jù)震害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震害較重的區(qū)域多處于具有一定覆蓋層厚度的洪積扇上，覆蓋土層主要為第四系人工堆積的填土，沖洪積的粉質(zhì)粘土、含礫粉質(zhì)粘土、粘土、圓礫、礫砂、碎石、角礫、漂石，少量殘積形成的粉質(zhì)粘土。定性分析后認(rèn)為，場(chǎng)地近地表覆蓋土層對(duì)地震動(dòng)的顯著影響造成了震害加重。為此，云南省防災(zāi)研究所針對(duì)極震區(qū)的魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)典型場(chǎng)地進(jìn)行了巖土工程勘察，為進(jìn)行近地表覆蓋土層對(duì)地震動(dòng)的影響分析提供了基礎(chǔ)。

場(chǎng)地近地表覆蓋土層屬于典型的局部場(chǎng)地條件之一，有關(guān)近地表覆蓋土層對(duì)地震震害的影響早已為人們所熟知[1]。近年來(lái)，場(chǎng)地近地表覆蓋土層對(duì)地震動(dòng)的影響，已引起了人們的高度重視，并在此方面進(jìn)行了諸多研究。大量研究表明，局部場(chǎng)地覆蓋土層的形成年代[2-3]、成因類型[2-3]、厚度差異[4-6]、土層結(jié)構(gòu)[5,7-11]、土體動(dòng)力特性[12]、以及輸入地震動(dòng)特性差異[8]等因素都對(duì)場(chǎng)地地震效應(yīng)有顯著放大作用。因此，本文基于魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)6個(gè)典型場(chǎng)地上的鉆孔資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一維土層地震反應(yīng)分析模型，采用一維等效線性化方法，來(lái)分析近地表覆蓋土層對(duì)地震動(dòng)的影響，繼而對(duì)不同場(chǎng)地上的震害特征進(jìn)行討論。

1 場(chǎng)地地震工程地質(zhì)條件勘測(cè)

1.1 鉆探與剪切波速測(cè)試

為了查明工程場(chǎng)地范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件，在6個(gè)工程場(chǎng)地內(nèi)各布置了1個(gè)鉆孔（圖1），以揭示場(chǎng)地土層的分布及其隨深度的變化情況。

由勘探資料可知，勘探深度內(nèi)的主要巖土層為：第四系人工堆積（ml）的填土，沖洪積（al+pl）的粉質(zhì)粘土、含礫粉質(zhì)粘土、粘土、圓礫、礫砂、碎石、角礫、漂石，少量殘積（el）形成的粉質(zhì)粘土，二迭下統(tǒng)棲霞組（P 1 q）的白云質(zhì)灰?guī)r、奧陶下統(tǒng)下巧家組（O 1 h）的石英砂巖，以及斷層角礫巖、斷層泥等。

針對(duì)6個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位剪切波速測(cè)試，各鉆孔分層土剪切波速測(cè)試結(jié)果見表1。依據(jù)6個(gè)鉆孔的波速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及鉆探資料，判斷DZK1—DZK6孔所在工程場(chǎng)地均為Ⅱ類建筑場(chǎng)地。其中，DZK1—DZK5為中硬場(chǎng)地土，DZK6為中軟場(chǎng)地土。

1.2 場(chǎng)地典型土樣動(dòng)力動(dòng)三軸試驗(yàn)

在鉆探中對(duì)典型巖土層進(jìn)行了取樣，共計(jì)23件，針對(duì)23件土樣進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)8個(gè)應(yīng)變水平的剪切模量比及阻尼比詳見表2，模量比、阻尼比與剪應(yīng)變的變化曲線見圖2。

表1 6個(gè)鉆孔的分析模型及土體力學(xué)特性參數(shù)值Table 1 Analysis model and parameters of soil mechanical properties of six boreholes

續(xù)表1

2 一維場(chǎng)地地震反應(yīng)分析模型

一維場(chǎng)地地震反應(yīng)分析模型是依據(jù)場(chǎng)地土層剖面的土層分層厚度和土層土體性狀描述資料，以及場(chǎng)地土層土體的力學(xué)特性資料（土體的剪切波速、密度及動(dòng)力非線性特性參數(shù)）而建立的。本文依據(jù)魯?shù)榭h龍頭山集鎮(zhèn)6個(gè)典型場(chǎng)地上的工程地震條件鉆探資料及土體的力學(xué)特性與動(dòng)力非線性特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了6個(gè)場(chǎng)地地震反應(yīng)的分析模型，分析模型剖面與力學(xué)特性參數(shù)見表1。依據(jù)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》（GB 17741-2005）中12.2.2條規(guī)定確定了計(jì)算模型計(jì)算基底，模型中各類土的動(dòng)力非線性特性參數(shù)值見表2。

圖2 場(chǎng)地土體非線性參數(shù)Fig.2 Nonlinear parametersof site soil

3 場(chǎng)地地震反應(yīng)分析

場(chǎng)地地震反應(yīng)分析采用一維土層剪切動(dòng)力反應(yīng)分析的等效線性化方法[13-14]。

魯?shù)镸S6.5地震中，位于DZK1鉆孔旁的龍頭山鎮(zhèn)財(cái)政所院內(nèi)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站（53LLT）記錄到的三分量加速度記錄為此次地震中獲取的最大加速度峰值記錄，其中東西向、南北向、豎向峰值加速度分別為949 cm/s2、706 cm/s2、504 cm/s2，臺(tái)站震中距不足10 km[15]。在進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析時(shí)，將以這組東西向加速度記錄按幅值縮小一半（474.5 cm/s2）作為一維土層地震分析模型的計(jì)算基底入射波。入射波加速度時(shí)程及加速度反應(yīng)譜如圖3、圖4所示。

圖3 基底入射波加速度時(shí)程Fig.3 The acceleration time history of the baseincident wave

由圖4可以看出，入射波具有較寬的頻帶，其在0.1—0.7 s的周期范圍內(nèi)能量成分豐富，在大于0.7 s的較長(zhǎng)周期段能量迅速衰減，特征周期約為0.7 s，長(zhǎng)周期成分亦豐富。

對(duì)每個(gè)計(jì)算模型分別進(jìn)行水平向地震反應(yīng)計(jì)算，將得到各鉆孔所在場(chǎng)地地表水平向地震反應(yīng)的地震動(dòng)加速度時(shí)程和反應(yīng)譜值。表3是各鉆孔所在場(chǎng)地地表水平向地震反應(yīng)的水平向地震動(dòng)峰值加速度的計(jì)算值，表中亦給出了其與強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站加速度峰值（949 cm/s2）的比值。圖5是各鉆孔所在場(chǎng)地地表水平向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜（阻尼比：5%）。

圖4 基底入射波加速度反應(yīng)譜Fig.4 The acceleration response spectrum of the base incident wave

表3 地表水平向地震動(dòng)峰值加速度及記錄峰值加速度比Table 3 Peak acceleration of horizontal ground motion and recorded peak acceleration ratio

圖5 地表水平向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜Fig.5 Horizontal ground motion acceleration response spectrum

由表3可以看出，不同場(chǎng)點(diǎn)的地表地震反應(yīng)加速度峰值差異明顯，DZK6孔所在場(chǎng)點(diǎn)峰值加速度最大，為53LLT強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站峰值加速度的1.81倍；DZK1、DZK3、DZK5孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)加速度峰值相近，與DZK1孔附近的53LLT強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站峰值加速度相當(dāng)，峰值加速度比值分別為1.11、1.16和1.12；DZK2與DZK4孔所在場(chǎng)點(diǎn)的峰值加速度較其他場(chǎng)點(diǎn)低，與53LLT強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站的峰值加速度比值分別為0.78和0.47，DZK4孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)最低，與入射加速度峰值相當(dāng)。以上結(jié)果表明，DZK1、DZK2、DZK3、DZK5、DZK6孔場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)地地震動(dòng)放大作用明顯，尤其是DZK6孔場(chǎng)點(diǎn)最為顯著。盡管6個(gè)鉆孔均被劃分為Ⅱ類場(chǎng)地，但局部場(chǎng)地的近地表覆蓋土層的厚度、組合特征及土動(dòng)力特性等關(guān)鍵物理因素對(duì)地震動(dòng)的場(chǎng)地放大效應(yīng)有顯著影響。

如圖5所示，不同場(chǎng)點(diǎn)的反應(yīng)譜幅值特征亦差異明顯。DZK1、DZK3、DZK5孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)的反應(yīng)譜幅值相近，在0.11—0.5 s周期段內(nèi)及長(zhǎng)周期段（0.8—20 s）與53LLT接近，0.04—0.1 s周期段較53LLT低，而0.5—0.8 s周期段較53LLT高。DZK2、DZK4、DZK6孔所在場(chǎng)點(diǎn)加速度反應(yīng)譜幅值差異較明顯；對(duì)于DZK2場(chǎng)點(diǎn)，在0.6 s以下周期段的反應(yīng)譜幅值較53LLT低，其余周期上相近；DZK4孔場(chǎng)點(diǎn)在1.2 s以下周期段的反應(yīng)譜較53LLT低，其余周期上相近；DZK6孔場(chǎng)點(diǎn)在0.9 s以下周期段的反應(yīng)譜較53LLT高，其余周期上相近。由此可知，近地表覆蓋土層對(duì)0.3—20 s周期范圍內(nèi)的加速度反應(yīng)譜具有重要影響，特別是在小于1 s短周期段影響尤為顯著。這與地表地震動(dòng)的短周期成分主要受近地表場(chǎng)地條件特性的影響相符。

4 場(chǎng)地效應(yīng)與震害對(duì)比分析

依據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查資料（圖1）可知，DZK1、DZK3、DZK5和DZK6孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)53LLT、老行政機(jī)關(guān)辦公區(qū)西側(cè)、老街區(qū)、騾馬口村區(qū)）震害較重；DZK2、DZK4孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)老中學(xué)區(qū)、老街區(qū)鎮(zhèn)幼兒園）震害相對(duì)較輕。而場(chǎng)地地震反應(yīng)分析結(jié)果表明，DZK1、DZK3、DZK5和DZK 6孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)地震動(dòng)具有顯著放大作用，DZK2孔場(chǎng)點(diǎn)的場(chǎng)地放大效應(yīng)相對(duì)較小，DZK4孔場(chǎng)點(diǎn)對(duì)輸入地震動(dòng)具有衰減作用。場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)分析結(jié)果與震害對(duì)比說(shuō)明，局部場(chǎng)地效應(yīng)對(duì)震害具有顯著的影響，場(chǎng)地地震動(dòng)放大作用會(huì)加重震害，反之，則減輕地震震害。

5 小結(jié)

本文基于魯?shù)榭h龍頭山集鎮(zhèn)6個(gè)典型場(chǎng)地上的鉆孔資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一維土層地震反應(yīng)分析模型，采用一維等效線性化方法計(jì)算分析了土層地震反應(yīng)，并討論了土層地震反應(yīng)特征及近地表覆蓋土層對(duì)地震動(dòng)的影響，最后結(jié)合不同場(chǎng)地上的震害，分析了場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)對(duì)震害的影響，研究獲得的主要結(jié)論如下：

（1）不同場(chǎng)點(diǎn)的地表地震反應(yīng)加速度峰值差異明顯。DZK1、DZK3、DZK5、DZK6孔場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)地地震動(dòng)放大作用明顯，尤其是DZK6孔場(chǎng)點(diǎn)最為顯著，與實(shí)際觀測(cè)記錄的比值達(dá)到1.81。

（2）不同場(chǎng)點(diǎn)的地表地震反應(yīng)加速度反應(yīng)譜亦差異明顯。DZK1、DZK3、DZK5孔對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)的反應(yīng)譜相近，在0.11—0.5 s周期段內(nèi)及長(zhǎng)周期段（0.8—20 s）與53LLT強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站反應(yīng)譜接近，0.04—0.1 s周期段較臺(tái)站反應(yīng)譜低，而0.5—0.8 s周期段較臺(tái)站反應(yīng)譜高。DZK2、DZK4、DZK6孔所在場(chǎng)點(diǎn)加速度反應(yīng)譜差異較明顯，對(duì)于DZK2場(chǎng)點(diǎn)，在0.6 s以下的周期反應(yīng)譜較臺(tái)站反應(yīng)譜低，其余周期上相近；DZK4孔場(chǎng)點(diǎn)在1.2 s以下的周期反應(yīng)譜較臺(tái)站反應(yīng)譜低，其余周期上相近；DZK6孔場(chǎng)點(diǎn)在0.9 s以下的周期反應(yīng)譜較臺(tái)站反應(yīng)譜高，其余周期上相近。由此可知，近地表覆蓋土層對(duì)加速度反應(yīng)譜具有重要的影響，且與周期相關(guān)。

（3）場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)分析結(jié)果與震害對(duì)比說(shuō)明，局部場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)是地震震害的主要影響因素，場(chǎng)地地震動(dòng)放大效應(yīng)會(huì)加重地震震害。