北部灣吹填場(chǎng)地卓越周期演化特征分析

張劍釗，楊 猛，周 東

(1.廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院；b.土木建筑工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，南寧 530004；2.廣西百東投資有限公司，廣西 百色 533000)

0 引 言

不同外界條件對(duì)卓越周期的影響存在差異, 當(dāng)場(chǎng)地卓越周期與建筑結(jié)構(gòu)自振周期相近將會(huì)產(chǎn)生“地震動(dòng)-場(chǎng)地結(jié)構(gòu)物”系統(tǒng)共振效應(yīng), 從而加大建筑結(jié)構(gòu)震害。北部灣盆地是我國(guó)華南地區(qū)地震最活躍的地區(qū)之一, 不僅受到近場(chǎng)短周期地震動(dòng)的影響, 還易受到遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響。北部灣吹沙填海, 場(chǎng)地含有大面積厚層海底沉積軟土, 會(huì)對(duì)地震波產(chǎn)生放大效應(yīng)[1], 并且場(chǎng)地在外界不斷擾動(dòng)下土層性狀持續(xù)變化, 從而導(dǎo)致場(chǎng)地的卓越周期處于不斷演化狀態(tài)[2-3], 給吹填場(chǎng)地抗震設(shè)防帶來(lái)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

地震中的許多震害均與場(chǎng)地卓越周期密切相關(guān), 前人對(duì)場(chǎng)地卓越周期的影響因素展開(kāi)了大量的研究, 如場(chǎng)地是否含有軟弱夾層[4]、 地下水位的升降[5-6]、 覆蓋層厚度[7-8]、 地形差異[9]、 基礎(chǔ)形式的應(yīng)用[10]等。以往的震害研究大都是在近場(chǎng)地震動(dòng)作用下進(jìn)行的, 忽略了遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下場(chǎng)地產(chǎn)生共振效應(yīng)的危害, 且對(duì)于吹填場(chǎng)地卓越周期的外界影響因素研究相對(duì)較少。

本文以北部灣吹沙型填海場(chǎng)地為背景, 在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)獲取其土層基本物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上建立ABAQUS二維數(shù)值分析模型, 研究北部灣吹填場(chǎng)地在近、 中、 遠(yuǎn)場(chǎng)不同周期不同幅值地震動(dòng)作用下的卓越周期演化特征, 并探索堆載預(yù)壓加固處理對(duì)吹填場(chǎng)地卓越周期的影響, 以期為北部灣吹填場(chǎng)地的抗震防災(zāi)提供參考和依據(jù)。

1 力學(xué)參數(shù)的確定

吹填場(chǎng)地土層的基本參數(shù)如表1所示。由于外界因素的影響, 場(chǎng)地海積軟土與吹填砂土的土層性狀不斷變化, 其力學(xué)參數(shù)也處于持續(xù)變化的過(guò)程中。為了獲取其物理力學(xué)參數(shù), 課題組研制了一套浸泡-加載聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)裝置(圖1)[11]。該裝置利用杠桿原理, 將施加在杠桿端部的砝碼通過(guò)樣品頂部與杠桿相連的剛性活塞轉(zhuǎn)換成面荷載施加于試樣上方, 使試樣固結(jié)。該裝置側(cè)向位移受限, 豎向位移可變, 實(shí)現(xiàn)荷載的平穩(wěn)與無(wú)擾動(dòng)施加, 側(cè)面設(shè)置密集小孔, 使試樣在固結(jié)過(guò)程中可與浸泡桶內(nèi)的海水自由進(jìn)行離子交換, 以模擬海水環(huán)境和固結(jié)排水過(guò)程。試驗(yàn)土取自廣西北部灣某吹填場(chǎng)地的海積軟土和吹填砂土, 并采集了該場(chǎng)地所處海域的海水作為室內(nèi)試驗(yàn)材料。

表1 場(chǎng)地土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 浸泡-加載聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device of soak-load linkage

以100、 200、 300 kPa三個(gè)等級(jí)荷載作用于上部豎向放置百分表的試樣上, 監(jiān)測(cè)試樣固結(jié)過(guò)程中的沉降變形量, 當(dāng)試樣加載后百分表讀數(shù)變化小于0.01 mm/d開(kāi)始讀數(shù)。在浸泡-加載聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999), 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取在預(yù)壓加載作用下海積軟土土層的物理力學(xué)參數(shù)(表2), 在不同相對(duì)密實(shí)度下吹填砂土土層的物理力學(xué)參數(shù)(表3)。

表2 海積軟土物理力學(xué)參數(shù)

表3 吹填砂土物理力學(xué)參數(shù)

2 模型建立

北部灣吹填場(chǎng)地形式十分復(fù)雜, 為了方便建模, 將場(chǎng)地土層看成水平層狀結(jié)構(gòu)體, 假設(shè)各層之間緊密連接, 應(yīng)力與位移相互協(xié)調(diào), 同一層土的性質(zhì)相同, 地下水位對(duì)場(chǎng)地的影響用經(jīng)折減的方法考慮[12], 不考慮砂土液化和水土耦合作用, 場(chǎng)地計(jì)算剖面土層參數(shù)見(jiàn)表1, 其中吹填砂土層厚度取5.0 m, 海積軟土層厚度取10.0 m, 中風(fēng)化巖層為底部基巖層, 其剪切波速為543.0 m/s, 覆蓋層厚度按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2011)取值。

針對(duì)表2、 3不同的工況組合, 建立ABAQUS二維數(shù)值模型, 本構(gòu)模型選取Drucker-Prager模型, 運(yùn)用Rayleigh Damping進(jìn)行解耦分析, 采用粘彈性人工邊界(圖2)條件, 并運(yùn)用相應(yīng)的地震動(dòng)輸入方法[13], 在對(duì)邊界條件和地震動(dòng)輸入方法進(jìn)行精度驗(yàn)證[3, 13]達(dá)標(biāo)后, 將選取的地震動(dòng)由模型底邊垂直入射, 監(jiān)測(cè)模型頂部中心的加速度時(shí)程并將其轉(zhuǎn)化為反應(yīng)譜幅值與周期之間的關(guān)系, 讀取反應(yīng)譜峰值對(duì)應(yīng)的周期作為模型場(chǎng)地的卓越周期。

圖2 粘彈性人工邊界示意圖Fig.2 Viscoelastic artificial boundary diagram

北部灣地區(qū)缺乏地震記錄臺(tái)站,歷史上雖發(fā)生過(guò)多次地震但均無(wú)記錄,本文選取3條汶川地震基巖臺(tái)站實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄,即四川茂縣臺(tái)站、松潘臺(tái)站和湖北恩施臺(tái)站記錄。茂縣波中有大量高頻部分,屬于近場(chǎng)地震波; 松潘波屬于中場(chǎng)地震波; 恩施波中有大量低頻部分, 屬于遠(yuǎn)場(chǎng)地震波。部分處理后的地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線和傅里葉譜如圖3、 4所示。

圖3 基巖輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.3 Time history curves of bedrock input ground motion acceleration

圖4 基巖輸入地震動(dòng)傅里葉譜Fig.4 Fourier spectrums of bedrock input ground motion

廣西北部灣吹填地區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.05g, 由于北部灣吹填場(chǎng)地內(nèi)存在重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)工業(yè)建筑, 因此本文將對(duì)輸入地震動(dòng)幅值進(jìn)行3個(gè)等級(jí)(0.05g、 0.10g、 0.20g)的研究。

3 不同周期成分地震動(dòng)作用下吹填場(chǎng)地卓越周期演化特征分析

茂縣波、 松潘波、 恩施波構(gòu)成了近、 中、 遠(yuǎn)場(chǎng)且周期成分不同的地震動(dòng), 選擇持時(shí)為30 s, 幅值為0.10g的地震動(dòng)作為輸入地震動(dòng)作用于吹填場(chǎng)地上, 海積軟土層力學(xué)參數(shù)取自表2中A1所對(duì)應(yīng)的數(shù)值, 吹填砂土層力學(xué)參數(shù)取自表3中的B1所對(duì)應(yīng)的數(shù)值, 模型建立按第2節(jié)所述設(shè)置, 計(jì)算分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同周期成分地震動(dòng)作用場(chǎng)地反應(yīng)相關(guān)成果Fig.5 Field reaction related results of ground motions with different periodic components

在近、 中、 遠(yuǎn)場(chǎng)不同周期成分地震動(dòng)作用下, 加速度反應(yīng)譜峰值均被放大, 加速度反應(yīng)譜峰值放大倍數(shù)也依次增長(zhǎng), 分別為1.091、 1.891、 1.915, 表明吹填場(chǎng)地對(duì)近、 中、 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)均具有放大效應(yīng), 且在遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下放大效果最為明顯。其原因是含有大量低頻成分的遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)與場(chǎng)地海積軟土層產(chǎn)生了共振效應(yīng), 導(dǎo)致在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下, 加速度反應(yīng)譜峰值放大了近兩倍。

在近、 中場(chǎng)不同周期成分地震動(dòng)作用下, 加速度反應(yīng)譜短周期部分對(duì)應(yīng)的幅值均被衰減, 而在遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下反而增大; 加速度反應(yīng)譜長(zhǎng)周期部分對(duì)應(yīng)的幅值在不同地震動(dòng)作用下均被放大, 在周期為0.7～2.0 s段較為顯著, 表明吹填場(chǎng)地對(duì)地震波的放大和衰減作用具有明顯的選擇性, 對(duì)短周期地震動(dòng)高頻部分具有衰減作用, 對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)低頻部分具有放大作用。在近、 中、 遠(yuǎn)不同周期成分地震動(dòng)作用下, 場(chǎng)地卓越周期均向長(zhǎng)周期方向偏移, 偏移量分別為188.89%、 75.00%、 15.38%, 其中場(chǎng)地卓越周期在遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下偏移量最小, 表明吹填場(chǎng)地更易與遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)產(chǎn)生共振效應(yīng), 從而加大震害。

4 不同幅值地震動(dòng)作用下吹填場(chǎng)地卓越周期演化特征分析

將持時(shí)為30 s、 幅值分別為0.05g、 0.10g、 0.20g的茂縣地震動(dòng)作為輸入地震動(dòng)，海積軟土層和吹填砂土層力學(xué)參數(shù)分別為表2中A1和表3中B1所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，模型建立按第2節(jié)所述設(shè)置，計(jì)算分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同幅值地震動(dòng)作用場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜Fig.6 Site acceleration response spectrums of different amplitude ground motion

隨著輸入地震動(dòng)幅值增大，加速度反應(yīng)譜峰值呈增加的趨勢(shì)，加速度反應(yīng)譜峰值放大倍數(shù)呈減小的趨勢(shì)，依次為1.364、 1.091、 1.056，其原因是輸入地震動(dòng)的幅值增加導(dǎo)致土層變形增大、吸收能量增強(qiáng)[14]，從而使加速度反應(yīng)譜峰值放大倍數(shù)逐漸減小。

當(dāng)幅值為0.05g時(shí), 場(chǎng)地卓越周期向長(zhǎng)周期方向偏移了0.22 s, 場(chǎng)地對(duì)輸入地震動(dòng)短周期高頻部分具有衰減效應(yīng), 范圍為0.04～0.20 s, 而對(duì)長(zhǎng)周期低頻部分具有增大效應(yīng), 范圍為0.70～1.65、 1.80～2.2 s。當(dāng)幅值為0.10g時(shí), 場(chǎng)地卓越周期向長(zhǎng)周期方向偏移了0.32 s, 相對(duì)于幅值為0.05g時(shí), 場(chǎng)地卓越周期向長(zhǎng)周期方向偏移量更大, 場(chǎng)地對(duì)輸入地震動(dòng)短周期高頻部分衰減作用更加明顯、 范圍更廣(0.04～0.38 s), 對(duì)輸入地震動(dòng)長(zhǎng)周期低頻部分放大程度更加明顯, 但被放大范圍較為一致。當(dāng)幅值為0.20g時(shí), 場(chǎng)地卓越周期也向長(zhǎng)周期方向偏移了0.32 s, 與幅值為0.10g地震動(dòng)相比, 雖然卓越周期偏移量相同, 但場(chǎng)地對(duì)輸入地震動(dòng)短周期高頻部分的衰減效應(yīng)和對(duì)長(zhǎng)周期低頻部分的放大效應(yīng)更加顯著。

5 不同預(yù)壓荷載下吹填場(chǎng)地卓越周期演化特征分析

根據(jù)北部灣吹填場(chǎng)地地基處理對(duì)軟土層的影響實(shí)例[15]，選擇加固影響深度為15.0 m范圍內(nèi)的土層，其中海積軟土土層厚度為10.0 m，吹填砂土土層厚度為5.0 m，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2、 3。輸入地震動(dòng)持時(shí)為30.0 s、 幅值為0.10g的松潘波，模型建立第2節(jié)所述設(shè)置，計(jì)算分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同工況下場(chǎng)地地表中心加速度反應(yīng)譜Fig.7 Response spectrums of ground surface central acceleration under different working conditions

隨著堆載預(yù)壓加固處理程度增加, 加速度反應(yīng)譜峰值(6.520、 6.150、 5.039、 4.568 m/s2)依次減小, 表明堆載預(yù)壓加固處理能夠減弱震害。堆載預(yù)壓荷載從0～300 kPa, 場(chǎng)地卓越周期依次為0.90、 0.84、 0.84、 0.80 s, 均向長(zhǎng)周期方向發(fā)生了偏移, 偏移量分別為0.42、 0.36、 0.36、 0.32 s。堆載預(yù)壓加固處理場(chǎng)地與未處理場(chǎng)地相比, 場(chǎng)地卓越周期分別向短周期偏移了0.06、 0.06、 0.10 s, 堆載預(yù)壓200 kPa相對(duì)于堆載預(yù)壓100 kPa, 雖然場(chǎng)地卓越周期與其偏移量大小相同, 但在輸入地震動(dòng)峰值周期(48 s)時(shí), 200 kPa對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜幅值更大; 隨著堆載預(yù)壓加固荷載的增大, 短周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜幅值不斷增大, 表明隨著堆載預(yù)壓加固荷載增大, 吹填場(chǎng)地對(duì)輸入地震動(dòng)短周期高頻部分抑制作用減弱, 場(chǎng)地卓越周期有逐漸向短周期方向偏移的趨勢(shì)。隨著加固程度加大, 大于各場(chǎng)地卓越周期段, 長(zhǎng)周期對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜幅值逐漸減小, 表明在堆載預(yù)壓加固處理作用下, 場(chǎng)地對(duì)輸入地震動(dòng)長(zhǎng)周期高頻部分放大作用減弱, 從而有效減弱遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用對(duì)場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)。

隨著加固程度增大, 根據(jù)《地震區(qū)工程選址手冊(cè)》可知, 吹填場(chǎng)地逐漸由Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地(卓越周期>0.8 s)向Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地(卓越周期為0.4～0.8 s)過(guò)渡。當(dāng)堆載預(yù)壓為300 kPa, 吹填場(chǎng)地砂土層相對(duì)密實(shí)度達(dá)到90.0%時(shí), 場(chǎng)地卓越周期變?yōu)?.8 s, 吹填場(chǎng)地成為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地。

6 結(jié) 論

(1)在近、 中、 遠(yuǎn)場(chǎng)不同周期成分地震動(dòng)作用下, 北部灣吹填場(chǎng)地對(duì)短周期地震動(dòng)高頻部分具有衰減作用, 對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)低頻部分具有放大作用, 在周期為0.7～2.0 s段較為明顯, 且其卓越周期均向長(zhǎng)周期方向偏移。遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)有大量的低頻成分, 在遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下, 加速度反應(yīng)譜峰值放大了近兩倍, 場(chǎng)地卓越周期相對(duì)偏移量最小, 場(chǎng)地易產(chǎn)生共振效應(yīng), 增大地震災(zāi)害。在抗震設(shè)防時(shí), 北部灣吹填場(chǎng)地要著重考慮遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

(2)隨著輸入地震動(dòng)幅值增大, 吹填場(chǎng)地對(duì)其高頻成分抑制效果增強(qiáng), 范圍變廣, 對(duì)其低頻成分放大顯著, 范圍相對(duì)一致, 吹填場(chǎng)地卓越周期具有向長(zhǎng)周期方向演化的趨勢(shì)。

(3)堆載預(yù)壓加固處理能使加速度反應(yīng)譜長(zhǎng)周期部分幅值、 加速度反應(yīng)譜峰值有效衰減, 從而使場(chǎng)地地震動(dòng)響應(yīng)減弱, 尤其是場(chǎng)地在遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)。隨堆載預(yù)壓加固程度增大, 吹填場(chǎng)地卓越周期逐漸向短周期方向演化, 堆載預(yù)壓加固達(dá)到一定程度時(shí), 場(chǎng)地卓越周期由0.9 s變?yōu)?.8 s, 吹填場(chǎng)地由Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地變?yōu)棰箢?lèi)場(chǎng)地。