毛天爾， 曾雙雙， 馮程程， 欒 極

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.深圳市華正建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518109;3.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

地震是一種隨機(jī)現(xiàn)象，具有不可重復(fù)性，本身復(fù)雜多變。影響地震動(dòng)的因素大致分三類:震源特性、途徑和局部場地條件與傳播介質(zhì)。工程地震研究表明［1］:場地條件對地震動(dòng)反應(yīng)有重大影響，具體表現(xiàn)為對地震波的放大。如何根據(jù)場地條件準(zhǔn)確地確定地震作用，場地土層中的軟土問題則是工程界研究內(nèi)容的重中之重。在強(qiáng)震中，軟弱土層表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，導(dǎo)致動(dòng)力分析擬合反應(yīng)譜曲線時(shí)，很難得到真實(shí)的結(jié)果［2］。

對于特征周期的取值，我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)［3］中設(shè)計(jì)反應(yīng)譜理論僅考慮震級、震中距以及場地條件的影響，沒有考慮軟弱夾層的影響。本文針對此問題，結(jié)合強(qiáng)震數(shù)據(jù)采用一維等效線性化軟件SHAKE91，分析土層剖面含軟弱夾層這一特殊土層的地震動(dòng)響應(yīng)，采用雙參數(shù)法計(jì)算特征周期取值，通過比較含軟弱土夾層和不含軟弱土夾層的同一場地特征周期取值規(guī)律，得出土層結(jié)構(gòu)中軟弱夾層對特征周期取值的影響。

1 土層地震反應(yīng)分析方法簡介

1.1 土層地震反應(yīng)分析步驟

土層地震反應(yīng)分析直接計(jì)算方法步驟為:

第一步地震動(dòng)輸入。輸入方法主要有:(1)直接在基巖輸入;(2)根據(jù)所獲地面加速度紀(jì)錄，計(jì)算反演到基巖，做場點(diǎn)地震輸入;(3)采用滿足條件的人工地震波輸入。

第二步選擇土體動(dòng)力本構(gòu)模型。動(dòng)力本構(gòu)模型分為線性模型和非線性模型，線性模型又分為完全線性模型和等效線性化模型。本文采用等效線性化模型。

第三步數(shù)值分析處理。處理方法分為:解析法、有限元法及無限元法。本文采用Shake系列軟件，該軟件運(yùn)用等效線性化程序，屬于一維頻域求解波動(dòng)方程的方法。

1.2 一維等效線性化波動(dòng)法

土體是由固、液、氣三種介質(zhì)組成的三相體系，是一種復(fù)雜體系。土層地震反應(yīng)分析應(yīng)該是三維動(dòng)力反應(yīng)問題。工程研究時(shí)常將其簡化成二維或一維。三維分析方法是理論研究上的新方向，一般通過ANSYS進(jìn)行建模，將無限土層邊界改為人工邊界，然后進(jìn)行多點(diǎn)透射計(jì)算，目前很少應(yīng)用到工程中。工程中應(yīng)用最廣的是一維土層地震反應(yīng)分析方法。將土體介質(zhì)簡化成一維水平成層的土層結(jié)構(gòu)模型，采用等效的剪切模量和阻尼比代替在卸載過程中，所有不同應(yīng)變幅值下的剪切模量和阻尼比。這樣計(jì)算過程中將非線性的問題轉(zhuǎn)換成了線性的問題，迭代計(jì)算變得便捷。該方法簡化了土體動(dòng)力本構(gòu)模型，且反映了土體的非線性特性，只是計(jì)算過程中將土體非線性應(yīng)力——應(yīng)變滯回關(guān)系近似的用線性關(guān)系表示，概念明確。本文使用等效線性化模型，對同一場地的不同土層模型進(jìn)行動(dòng)力分析。

2 軟弱土層對特征周期影響研究

本文在參考文獻(xiàn)［4］中的工程場地鉆孔資料的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了10個(gè)基本場地土層剖面，共包括四種模型:軟弱夾層在剖面頂部、中部和底部以及不含軟弱夾層的剖面。依實(shí)測資料，給出各土層子層的剪切波速值和密度值，其非線性資料按文獻(xiàn)［4］推薦值給出。為了消除不同輸入地震動(dòng)特性對特征周期的影響，輸入地震動(dòng)峰值加速度分別取為 100 cm/s2、200 cm/s2、300 cm/s2和 400 cm/s2的強(qiáng)震記錄，結(jié)合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［3］，本文所稱的軟弱土層定義為在計(jì)算剖面中剪切波速取值小于140 m/s的土層。

2.1 土層模型介紹

圖1軟弱土層位于土層結(jié)構(gòu)上部的模型，該模型所采用的土層剖面資料參數(shù)見表1，非線性參數(shù)取值等效剪切模量和阻尼比見表2，重點(diǎn)研究的軟弱土層為6層，按抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［3］的規(guī)定屬于Ⅲ類場地。模型二為軟土層位于粉砂和粉粘土之間;模型三為軟土層位于粉粘土層與基巖之間。

圖1 土層剖面柱狀圖

表1 土層剖面資料

表2 土層非線性參數(shù)取值表

2.2 軟弱夾層對特征周期影響分析

用含軟弱夾層剖面的加速度反應(yīng)譜的特征周期的平均值與無軟弱夾層剖面的反應(yīng)譜的特征周期之比，反映軟弱夾層對地表加速度反應(yīng)譜特征周期的影響，三種具有軟弱夾層的土層結(jié)構(gòu)對地表加速度反應(yīng)譜特征周期的影響系數(shù)分別用下式表示:

其中βu、βm和βb分別表示軟夾層在計(jì)算剖面底部、中部和頂部的影響系數(shù);Tgu、Tgm、Tgb和 Tg分別表示同一場地，軟弱夾層在底部、中部、頂部和無軟弱夾層剖面，在同一地震動(dòng)峰值的各種不同地震動(dòng)加速度時(shí)程的輸入下得到的所有加速度反應(yīng)譜特征周期的平均值［5］。將計(jì)算結(jié)果列于表3，繪制趨勢圖見圖2。

表3 不同土層結(jié)構(gòu)對反應(yīng)譜特征周期影響系數(shù)表

分析表3軟弱夾層對反應(yīng)譜特征周期影響系數(shù)表和趨勢圖2，可見:

圖2 軟弱夾層影響系數(shù)趨勢圖

①Ⅲ類場地，在軟弱夾層剖面上部輸入地震動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，軟弱夾層的影響系數(shù)大于1，在小震情況下軟弱夾層對特征周期取值有放大作用。

②當(dāng)軟弱夾層在土層上部時(shí)，影響系數(shù)接近1，軟弱夾層對特征周期的取值沒有很大影響;當(dāng)軟弱夾層在底部和中部時(shí)，影響系數(shù)均大于1，軟弱夾層位于土層結(jié)構(gòu)的中部和底部時(shí)，對特征周期取值Tg起放大的作用。

③當(dāng)軟弱夾層在土層結(jié)構(gòu)的下部時(shí)，系數(shù)值β隨地震動(dòng)峰值加速度最大值的增大而減小，說明當(dāng)軟弱夾層位于土層剖面的下部時(shí)，地震強(qiáng)度愈大軟弱夾層對反應(yīng)譜特征周期的取值影響越小。

綜上所述，建議我國抗震規(guī)范對于Ⅲ類場地特征周期取值，補(bǔ)充若有軟弱夾層，應(yīng)對特征周期值進(jìn)行修正的規(guī)定，以客觀反應(yīng)軟弱夾層對地震作用的影響。

3 結(jié)語

本文就土層結(jié)構(gòu)中軟弱夾層對特征周期取值的影響做了探索性研究。參照實(shí)測資料選取和構(gòu)造了基本場地剖面，包括四個(gè)模型:軟弱夾層在剖面頂部、中部、底部以及不含軟弱夾層剖面。采用了專門研究土非線性的軟件SHAKE91，計(jì)算不同場地剖面的地表加速度峰值和速度峰值，分別計(jì)算了含軟弱土層的各土層模型與不含軟弱土層模型的特征周期比值系數(shù)，通過對系數(shù)的分析得出了:對于Ⅲ類場地，當(dāng)軟弱夾層在土層上部時(shí)，軟弱夾層對特征周期的取值沒有很大影響;當(dāng)軟弱夾層在土層中部、底部時(shí)，對特征周期取值有放大作用。

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