合肥城區(qū)基于抗倒塌的地表地震動(dòng)峰值加速度研究

解惠婷，曹均鋒，3，馮偉棟，彭劉亞

（(1.安徽省地震工程研究院，合肥 230031；2.安徽省地震局，合肥 230031；3.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)）

0 引言

合理的地震動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)是震災(zāi)防御的基礎(chǔ)，是一般工程進(jìn)行抗震設(shè)防的重要參考依據(jù)。2015 年發(fā)布的最新版地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖提出了最大考慮地震的概念（50 年2%），以其為編圖的基準(zhǔn)[1]，可見抗倒塌的設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)保障人民生命安全有著十分重大的意義。

合肥市是中國長三角城市群副中心城市，近年來，城區(qū)建設(shè)飛速發(fā)展，重要建筑物和生命線工程不斷增加，隨之對(duì)工程的地震安全也提出了更高的要求。50 年超越概率2%的罕遇地震參數(shù)是抗倒塌設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中給出罕遇地震和基本地震動(dòng)地表峰值加速度倍數(shù)的1.6～2.3 之間，受地震構(gòu)造、場地條件等因素的影響浮動(dòng)較大。因此本文從抗倒塌（50 年超越概率2%）的角度出發(fā)，采用一維土層等效線性方法，對(duì)合肥城區(qū)特有場地條件下的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析討論。

1 合肥城區(qū)地貌及第四系分布特征

1.1 地貌特征

合肥市位于華東地區(qū)，江淮丘陵中部，地貌景觀為微波起伏，崗沖相間。地形總趨勢(shì)由西北向東南傾斜，西部大蜀山海拔282 m，巢湖淺灘海拔最低，約6 m，區(qū)內(nèi)地形標(biāo)高大多在10～50 m 之間，南淝河自西北部水庫向東繞城，繼而向南流入巢湖（圖1）。地貌類型可細(xì)分為低丘、波狀平原和沖積平原。低丘位于西北大蜀山位置，是構(gòu)造剝蝕地貌，主要由次火山巖、熔巖、火山碎屑巖組成；波狀平原分布廣泛，分布于河流二級(jí)階地，階面有起伏，其上坳溝發(fā)育，為侵蝕堆積地貌；沖積平原廣泛分布于河漫灘、一級(jí)階地，屬于堆積地貌[2]。

圖1 合肥場地地形立體簡圖（圖中數(shù)字為地表高程，單位：m）Fig.1 The stereogram of the topography of Hefei urban area(the figure is the surface elevation,unit:m)

1.2 地層及第四系分布特征

合肥地區(qū)在元古代末期最終形成剛性基底，至三疊紀(jì)均處于古陸狀態(tài)，缺失相應(yīng)的沉積構(gòu)造。中生代以來，受華北地塊和揚(yáng)子地塊拼合的影響，斷裂構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，合肥地區(qū)發(fā)生斷裂沉降，形成了合肥盆地，沉積了侏羅紀(jì)—古近紀(jì)以來的一套巨厚陸相碎屑物，基巖巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖[3]。

第四紀(jì)以來，地殼升降活動(dòng)明顯，合肥大部分地區(qū)被第四系覆蓋，覆蓋層厚度由西北向東南增大，由新到老可劃分如下：

（1）全新統(tǒng)：蕪湖組全新統(tǒng)分布于一級(jí)階地及河漫灘，為青灰色或褐黃色淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、含礫中粗砂等；

（2）上更新統(tǒng)：下蜀組上更新統(tǒng)廣泛分布于二級(jí)階地上，為棕黃色粘土或粉質(zhì)粘土；

（3）中下更新統(tǒng)：義城組主要分布于濱湖新區(qū)、經(jīng)開區(qū)等地，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、中砂等。

總體來說，覆蓋層厚度差異較大，西北、西部及西南覆蓋層厚度較小，最小為4 m，一般為10～24 m，東部及東南部覆蓋層厚度較大，一般為25～58 m，巢湖沿岸第四系沉積厚度最大，最厚可達(dá)58 m左右（圖2）。

圖2 合肥城區(qū)場地覆蓋層等厚線圖(圖中數(shù)字為覆蓋層厚度，單位：m）Fig.2 The contour map of site covering layer in Hefei urban area（the figure is the overburden thickness，unit：m）

1.3 場地類別劃分

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016 年版）中場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，建筑物的場地類別應(yīng)根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分[4]（表1）。

表1 場地類別劃分依據(jù)Table 1 The basis of site classification

根據(jù)上述規(guī)范中土層等效剪切波速的計(jì)算公式，對(duì)研究區(qū)36 個(gè)鉆孔的土層等效剪切波速進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果場地類別均為II類場地。

2 地震動(dòng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 基本資料

參考?xì)v年合肥城區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，選取36 個(gè)典型工程場地的鉆孔資料，鉆孔較均勻分布于研究區(qū)內(nèi)（圖3），覆蓋層厚度在4～58 m 之間，與合肥城區(qū)覆蓋層厚度變化基本相符；鉆孔第四系土層包括全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及下更新統(tǒng)地層，并包括河漫灘、一級(jí)階地及二級(jí)階地等合肥地區(qū)典型地貌。鉆孔資料可靠，并具有一定區(qū)域代表性，一定程度上能反映合肥城區(qū)場地的情況。各鉆孔的土類特征詳見表2。

表2 鉆孔土類特征Table 2 The soil characteristics of boreholes

圖3 鉆孔平面分布圖Fig.3 The plane distribution map of boreholes

地震危險(xiǎn)性分析中采用的潛源劃分方案和地震動(dòng)衰減關(guān)系對(duì)基巖地震動(dòng)參數(shù)值影響較大，文中潛源的劃分采用了新一代全國地震區(qū)劃圖所使用的潛在震源區(qū)劃分原則和方案，確定對(duì)合肥地區(qū)有影響的潛在震源區(qū)地震活動(dòng)性參數(shù)；地震動(dòng)衰減關(guān)系則選取與五代圖相配套的中國東部活躍區(qū)地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系。

利用概率危險(xiǎn)性分析方法和一維土層等效線性化方法，得出超越概率50 年63%、10%和2%（多遇地震動(dòng)、基本地震動(dòng)、罕遇地震動(dòng)）條件下基巖的輸入地震動(dòng)以及特定場地條件下的地震動(dòng)參數(shù)。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

為了便于敘述與分析，在此引入地震加速度放大系數(shù)概念：ksp=asp/arp，其中ksp 為50 年超越概率為p的加速度放大系數(shù)；asp為50年超越概率為p時(shí)的地表峰值加速度；arp 為50 年超越概率水平為p時(shí)的基巖峰值加速度[5-7]。各鉆孔覆蓋層厚度及50年超越概率為63%、10%、2%時(shí)的加速度放大系數(shù)數(shù)據(jù)見表3、圖4及圖5。

表3 鉆孔模型覆蓋層厚度及不同超越概率加速度放大系數(shù)Table 3 The overburden thickness of borehole models and the acceleration amplification coefficients under different exceedance probabilities

圖4 覆蓋層厚度對(duì)不同超越概率的加速度放大系數(shù)的影響Fig.4 Influence of the overburden thickness on acceleration amplification coefficients under different exceedance probabilities

圖5 覆蓋層厚度及土層結(jié)構(gòu)對(duì)不同超越概率的加速度放大系數(shù)的影響Fig.5 Influence of the overburden thickness and the soil layer structure on acceleration amplification coefficients under different exceedance probabilities

由圖4可以看出：

（1）土層對(duì)三種超越概率的地震動(dòng)均有不同程度的放大作用，總體來看，50 年超越概率63%時(shí)的放大系數(shù)最大，平均值為1.39；50 年超越概率2%時(shí)的放大系數(shù)最小，平均值為1.31，50 年超越概率10%時(shí)的放大系數(shù)介于兩者之間；

（2）放大系數(shù)隨場地覆蓋層厚度的變化而變化，覆蓋層厚度為4 m 時(shí)，各個(gè)超越概率的放大系數(shù)均最小，隨著覆蓋層厚度的增加，放大系數(shù)明顯增大，并在10 m～15 m 后趨于穩(wěn)定，此后隨著覆蓋層的增大，放大倍數(shù)無明顯增大，但在20 m～30 m處有幾處突增；

（3）覆蓋層厚度大于40 m 以后，大震及中震的放大系數(shù)略有下降，而小震的放大系數(shù)還未有明顯下降趨勢(shì)。

以上規(guī)律表明，在不同覆蓋層厚度及不同地震動(dòng)條件下，土體表現(xiàn)的非線性特性是有所區(qū)別的。下面具體分析不同超越概率條件下，土層特性、覆蓋層厚度對(duì)放大系數(shù)的影響規(guī)律。

由圖5 可以看出，50 年超越概率2%時(shí)，放大系數(shù)在1.24～1.38 之間，平均值為1.31。覆蓋層厚度小于10 m 時(shí)，放大系數(shù)隨覆蓋層厚度的增大而增大；覆蓋層厚度大于10 m，放大系數(shù)在1.25～1.38 之間浮動(dòng)，并在覆蓋層厚度大于48 m 后，放大系數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)。同時(shí)，覆蓋層厚度在24 m、28 m、30 m、38 m、48 m 處有突增。分析這幾個(gè)鉆孔的模型的資料，有突增的模型大多是含有除雜填土外的全新統(tǒng)土層，土性有淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等，鉆孔位置分布在河漫灘或者一級(jí)階地上；另外覆蓋層30 m 處的突增鉆孔，含有中下更新統(tǒng)的中砂土土層，也對(duì)放大系數(shù)有增大的作用。

50年超越概率10%時(shí)，放大系數(shù)在1.26～1.46之間，平均值為1.36。覆蓋層厚度小于10 米時(shí)，放大系數(shù)隨覆蓋層厚度的增大而增大；覆蓋層厚度大于10 m，放大系數(shù)在1.33～1.46之間浮動(dòng)，其中覆蓋層厚度在24 m、28 m、30 m、38 m、39 m處有突增。在覆蓋層大于45 m 后，放大系數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)。分析這幾個(gè)鉆孔的模型的資料，有突增的模型大多是含有除雜填土外的全新統(tǒng)土層，土性有淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等，鉆孔位置分布在河漫灘或者一級(jí)階地上；另外覆蓋層30 m 處的放大系數(shù)的突增，也表明其含有中下更新統(tǒng)的中砂土土層的鉆孔，對(duì)放大系數(shù)有增大的作用。

50年超越概率63%時(shí)，放大系數(shù)在1.33～1.48之間，平均值為1.39。覆蓋層厚度小于15 m 時(shí)，放大系數(shù)隨覆蓋層厚度的增大而增大；覆蓋層厚度大于15 m，放大系數(shù)在1.33～1.48之間浮動(dòng)，且隨著覆蓋層厚度的增大，放大系數(shù)并無明顯下降趨勢(shì)?？傮w來看，含全新統(tǒng)的土層和含中下更新統(tǒng)中砂土的土層鉆孔，其放大系數(shù)是大于其他鉆孔模型的。

第五代中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2015）6.2規(guī)定，罕遇地震動(dòng)峰值加速度宜按基本地震動(dòng)峰值加速度1.6～2.3倍確定[8]。下表用放大倍數(shù)M代表罕遇地震動(dòng)地表峰值加速度與基本地震動(dòng)峰值加速度的比值，合肥地區(qū)36 個(gè)鉆孔的M值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各鉆孔罕遇地震動(dòng)峰值加速度與基本地震動(dòng)峰值加速度及其放大倍數(shù)MTable 4 The peak acceleration of basic ground motion and the rare ground motion of each borehole and their amplification factor M

由表4 和圖6 分析得出，合肥地區(qū)罕遇地震動(dòng)峰值加速度與基本地震動(dòng)峰值加速度比值在1.67～1.86之間，平均值為1.81。

圖6 放大倍數(shù)M隨覆蓋層厚度變化關(guān)系圖Fig.6 The relationship of amplification factor M with the overburden thickness

3 結(jié)論

通過對(duì)覆蓋層厚度在4～51 m 范圍內(nèi)36個(gè)典型鉆孔土層放大系數(shù)Ks 及罕遇地震動(dòng)峰值加速度放大倍數(shù)M的分析，得到以下初步結(jié)論：

（1）36 個(gè)鉆孔具有一定的代表性，涵蓋了合肥城區(qū)的典型地貌、土層以及覆蓋層厚度。

（2）合肥城區(qū)范圍內(nèi)，土層對(duì)多遇、基本及罕遇地震動(dòng)均有不同程度的放大效應(yīng)，放大系數(shù)在1.24～1.48之間。總體來看，多遇地震（50年超越概率63%）的放大系數(shù)最大，罕遇地震（50 年超越概率2%）的放大系數(shù)最小。

（3）根據(jù)上文分析，在合肥城區(qū)進(jìn)行抗倒塌計(jì)算時(shí)，其地表峰值加速度的放大系數(shù)一般在1.24～1.38 之間浮動(dòng)，均值1.31。當(dāng)土層含有全新統(tǒng)淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土?xí)r，或其工程位置為位于河漫灘、一級(jí)階地處，其放大系數(shù)明顯變大；當(dāng)土層含有中下更新統(tǒng)的中砂，或者其工程位置位于濱湖新區(qū)等地時(shí)，其放大系數(shù)也有明顯增加。

（4）合肥地區(qū)罕遇地震動(dòng)峰值加速度與基本地震動(dòng)峰值加速度比值在1.67～1.86 之間，平均值為1.81。

上述研究得到的初步結(jié)論相對(duì)于中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖而言，更具有地域針對(duì)性，可為今后合肥地區(qū)建筑物抗震設(shè)計(jì)，特別是在抗倒塌設(shè)計(jì)時(shí)的地震動(dòng)峰值加速度的取值提供一定參考意義。