曹均鋒 馮偉棟 孟凡月 董雙林 翟洪濤

（安徽省地震局，合肥 230031）

引言

在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作中，土層剪切波速由于能夠反映土體動(dòng)力特性，一直是評(píng)價(jià)場(chǎng)地條件的重要指標(biāo)和土層地震反應(yīng)分析中不可缺少的基本參數(shù)。目前，土層剪切波速主要是通過(guò)原位測(cè)試得到的，測(cè)試方法主要有單孔檢層法、跨孔法、瞬態(tài)面波法和穩(wěn)態(tài)面波法等。在實(shí)際場(chǎng)地剪切波速測(cè)試工作中，由于存在鉆孔位置選取、施工方法、測(cè)試方法、儀器精度、人工操作等方面的差異，使得剪切波速的測(cè)試結(jié)果存在較大的離散性，而且這種離散性可高達(dá)30%—40%，甚至更高，會(huì)給科學(xué)合理地確定場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)帶來(lái)嚴(yán)重的干擾 （高玉峰等，2001；劉紅帥等，2005；蘭景巖等，2007；陳國(guó)興等，2007；孫銳等，2009）。因此，深入研究土層剪切波速的變異性對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響，對(duì)相應(yīng)的影響范圍和變化趨勢(shì)進(jìn)行探討是一項(xiàng)非常有意義的工作。

本文以江淮地區(qū)典型場(chǎng)地資料為原型，將其剪切波速實(shí)測(cè)值按照一定比例進(jìn)行增減，重點(diǎn)分析了土層剪切波速的變化對(duì)場(chǎng)地地表峰值加速度、加速度反應(yīng)譜的影響，以期為合理確定安徽及同類地區(qū)的重大建設(shè)工程抗震設(shè)防要求提供參考。

1 分析方法和計(jì)算參數(shù)

1.1 分析方法

目前，場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析計(jì)算的方法較多，如線彈性波動(dòng)（及振動(dòng)）分析方法、等效線性化波動(dòng)分析方法、直接時(shí)域非線性積分分析方法等。工程上廣泛采用的方法是一維頻域等效線性化波動(dòng)方法，也是《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)（GB 17741-2005）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2005）推薦使用的方法（廖振鵬等，1989）。該方法是在總體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)大致相當(dāng)?shù)囊饬x上，用一個(gè)等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同應(yīng)變幅值下的剪切模量和阻尼比，將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題，利用頻域線性波動(dòng)方法求解。本文在土層地震反應(yīng)分析中即運(yùn)用該種方法。

1.2 基本剖面

在江淮地區(qū)某場(chǎng)地資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合一維頻域等效線性化波動(dòng)方法的要求，確定2個(gè)典型鉆孔ZK4、ZK24作為基本計(jì)算剖面。其中，ZK4的覆蓋層厚42.3m，主要由填土、粘土、中粗砂和砂巖組成，屬于中硬場(chǎng)地土；ZK24的覆蓋層厚29.4m，主要由填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、中粗砂、礫石和砂巖等組成，屬于中軟場(chǎng)地土?；居?jì)算剖面的土層分布情況及實(shí)測(cè)剪切波速詳見(jiàn)圖 1。土層非線性動(dòng)力參數(shù)主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取典型土樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的，部分土層動(dòng)力參數(shù)采用經(jīng)典推薦值（袁曉銘等，2000）。

圖1 基本剖面鉆孔柱狀圖Fig. 1 The drilling histogram of basic profile

1.3 輸入基巖地震動(dòng)

根據(jù)輸入地震動(dòng)的選取原則，本次選取了Taft、E1centro和Kobe三條符合要求的實(shí)際強(qiáng)震記錄的時(shí)程（圖2），選取的持時(shí)均為40s。然后將強(qiáng)震記錄的加速度峰值均分別調(diào)整為50gal、100gal、200gal、400gal，并將幅值縮小一半的時(shí)程作為基巖的地震動(dòng)輸入。

圖2 三條基巖輸入強(qiáng)震記錄Fig. 2 The three input strong motion records

2 地震反應(yīng)分析結(jié)果

基于對(duì)鉆孔 ZK4、ZK24基本剖面的分析，對(duì)同一剖面將各土層的剪切波速實(shí)測(cè)值分別按5%、10%、15%、20%比例進(jìn)行增大或減小建立9種土層反應(yīng)分析模型，選取調(diào)整后的3組地震波作為輸入地震動(dòng)，共對(duì)216個(gè)工況進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，得到各地表峰值加速度Amax(gal) 及地表加速度反應(yīng)譜的特征周期Tg(s) 如表1、表2所示（注：表中Amax和Tg取同一峰值下3條輸入波計(jì)算結(jié)果的均值）。其中，反應(yīng)譜的特征周期Tg(s) 取反應(yīng)譜平臺(tái)值A(chǔ)maxβm與反應(yīng)譜曲線的右相交點(diǎn)的橫坐標(biāo)周期值，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（胡聿賢等，2001），反應(yīng)譜的放大系數(shù)βm統(tǒng)一取2.5。

表1 不同土層剪切波速下的峰值加速度Amax(gal)Table 1 The acceleration peak Amax(gal) under different shear velocity of soil layers

續(xù)表

表2 不同土層剪切波速下的反應(yīng)譜特征周期Tg(s)Table 2 The characteristic period of response spectrum Tg(s) under different shear velocity of soil layers

圖3和圖4為2個(gè)鉆孔輸入E1centro（1940NS）波時(shí)不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜。由圖中可以看出：

（1）對(duì)于剖面ZK4而言，當(dāng)輸入基巖峰值≤100gal時(shí)，不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜僅在 0—1.0s較短周期范圍內(nèi)呈現(xiàn)略微變化，周期越短，反應(yīng)譜變化越顯著，反應(yīng)譜在1.0s以后受土層剪切波速的影響基本可以忽略。當(dāng)輸入基巖峰值超過(guò)200gal時(shí)（即大震作用下），地表加速度反應(yīng)譜的形狀在0—6.0s范圍內(nèi)均受到土層剪切波速不同程度的影響，當(dāng)土層剪切波速減小時(shí)，反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分右移，短周期譜值減小，長(zhǎng)周期部分譜值普遍增大；當(dāng)土層剪切波速增大時(shí)，短周期譜值增大，反應(yīng)譜中、短周期部分影響較大，反應(yīng)譜曲線向左移動(dòng)。

圖3 ZK4不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜Fig. 3 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK4

圖4 ZK24不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜Fig. 4 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK24

（2）由于剖面ZK24包含淤泥質(zhì)軟弱土層，而軟弱層表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，因此輸入基巖峰值的大小對(duì)其地表加速度反應(yīng)譜差異影響有限。當(dāng)輸入基巖峰值為50gal時(shí)，不同土層剪切波速下的地表加速度反應(yīng)譜在 0—6.0s范圍即開(kāi)始呈現(xiàn)較大差異，隨著輸入基巖峰值的增加，反應(yīng)譜的形狀差異呈擴(kuò)大趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為與ZK4大震作用下呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本一致。

3 剪切波速變異性影響分析

為分析土層剪切波速變異性對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響，將調(diào)整后的剪切波速計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。為直觀表示差異，以實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，表 3、表 4、圖5和圖6分別給出了8種縮放的剪切波速計(jì)算結(jié)果與波速實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差。

表3 地表峰值加速度比較結(jié)果Table 3 The comparison results of peak ground acceleration

表4 反應(yīng)譜特征周期比較結(jié)果Table 4 The comparison results of characteristic period of response spectrum

從以上結(jié)果可以看出：

（1）在同一基本剖面下，將實(shí)測(cè)土層剪切波速值在20%范圍內(nèi)增加或減小，得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)剪切波速的計(jì)算結(jié)果存在較大差異，剪切波速差異性越大，其地表峰值加速度和地表加速度反應(yīng)譜特征周期的變化也越大。對(duì)于剖面ZK4而言，地表峰值加速度的變化幅度為-16.7%—7.3%，反應(yīng)譜特征周期的變化幅度為-16.7%—27.5%；對(duì)于剖面ZK24而言，地表峰值加速度的變化幅度為-34.5%—24.7%，反應(yīng)譜特征周期的變化幅度為-16.8%—23.6%。

（2）地表地震動(dòng)峰值加速度與土層剪切波速值呈正相關(guān)，土層剪切波速減小，地震動(dòng)峰值加速度也逐漸減?。煌翆蛹羟胁ㄋ僭龃?，地震動(dòng)峰值加速度也逐漸增大。如剖面ZK24在基巖輸入峰值200gal條件下，當(dāng)土層剪切波速?gòu)臏p小5%依次減小20%時(shí)，與實(shí)測(cè)剪切波速計(jì)算的地震動(dòng)峰值加速度相比，其地震動(dòng)峰值加速度的差異也從-6.5%逐漸減小為-34.5%，反之亦然。

（3）地表加速度反應(yīng)譜特征周期與土層剪切波速值呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)土層剪切波速減小時(shí)，反應(yīng)譜特征周期反而會(huì)相應(yīng)增加；當(dāng)土層剪切波速增大時(shí)，反應(yīng)譜特征周期會(huì)相應(yīng)減小。如剖面ZK4在基巖輸入峰值100gal條件下，當(dāng)土層剪切波速?gòu)臏p小5%依次減小20%時(shí)，與實(shí)測(cè)剪切波速計(jì)算的反應(yīng)譜特征周期相比，其反應(yīng)譜特征周期的差異也從 2.1%逐漸增大為12.0%，反之亦然。

（4）相比較而言，土層剪切波速減小對(duì)地表地震動(dòng)峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的影響比土層剪切波速增大時(shí)影響程度要略微大一些。

（5）土層剪切波速的變異性對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)的影響程度受輸入基巖地震動(dòng)的幅值的制約。總體上表現(xiàn)為隨著輸入基巖地震動(dòng)峰值的增大，不同的土層剪切波速下的地表峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的差異也逐漸增大。

（6）同一基巖地震動(dòng)輸入下，場(chǎng)地相對(duì)較軟的剖面ZK24的土層剪切波速變化對(duì)地震動(dòng)峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期的影響程度比剖面ZK4大，表明土層剪切波速的變異性對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)的影響程度與場(chǎng)地的土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，土層剪切波速的大小直接反映了場(chǎng)地土層的“軟”、“硬”程度，場(chǎng)地越軟，影響越大。

圖5 土層剪切波速變化對(duì)地表峰值加速度的影響Fig. 5 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on peak ground acceleration

圖6 土層剪切波速變化對(duì)反應(yīng)譜特征周期的影響Fig. 6 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on characteristic period of response spectrum

4 結(jié)語(yǔ)

本文以江淮地區(qū)典型場(chǎng)地資料為原型，采用一維頻域等效線性化波動(dòng)方法重點(diǎn)分析了土層剪切波速的變化對(duì)場(chǎng)地地表峰值加速度、加速度反應(yīng)譜的影響。研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)土層剪切波速減小時(shí)，地表地震動(dòng)峰值加速度也逐漸減小，地表加速度反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分右移，長(zhǎng)周期部分譜值普遍增大，反應(yīng)譜特征周期會(huì)相應(yīng)增加。

（2）當(dāng)土層剪切波速增大時(shí)，地表地震動(dòng)峰值加速度也逐漸增加，地表加速度反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分右移，對(duì)反應(yīng)譜中、短周期部分影響較大，反應(yīng)譜曲線向左移動(dòng)，反應(yīng)譜特征周期會(huì)相應(yīng)減小。

（3）相比較而言，土層剪切波速減小對(duì)地表地震動(dòng)參數(shù)的影響比土層剪切波速增大對(duì)地表地震動(dòng)參數(shù)的影響程度要略微大一些。

（4）土層剪切波速的差異對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)的影響程度與輸入基巖地震動(dòng)的頻譜特性、幅值及場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

由此可見(jiàn)，土層剪切波速的變化對(duì)場(chǎng)地地表地震動(dòng)有著顯著影響，因此，獲取客觀的土層剪切波速資料對(duì)土層地震反應(yīng)分析來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

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