太樹剛， 李建有， 石寶文， 趙淑芳， 常玉芳， 張　鵬

(昆明南方地球物理技術(shù)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650231)

昆明盆地土體動力參數(shù)對土層地震反應(yīng)影響研究①

太樹剛， 李建有， 石寶文， 趙淑芳， 常玉芳， 張鵬

(昆明南方地球物理技術(shù)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650231)

摘要：土動力參數(shù)是土層地震反應(yīng)分析的重要參數(shù)之一，且具有較強(qiáng)的區(qū)域性特點(diǎn)。本文統(tǒng)計(jì)分析昆明盆地區(qū)域內(nèi)101個(gè)場地的94組粉土和167組黏土的動三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過土層地震反應(yīng)分析計(jì)算，與袁曉銘的推薦值和《工程場地地震安全性評價(jià)工作規(guī)范》(DB001-94)中給出的規(guī)范值做對比。結(jié)果表明：三種不同的土動力參數(shù)存在較大差異，對土層地震反應(yīng)分析結(jié)果亦有較大的影響，隨著超越概率的降低，對峰值加速度、反應(yīng)譜和特征周期的影響更加明顯；統(tǒng)計(jì)的土動力參數(shù)與實(shí)際值對應(yīng)的土層地震反應(yīng)分析結(jié)果較接近，因此統(tǒng)計(jì)的粉土和黏土土動力參數(shù)在昆明盆地具有一定的代表性和適用性，在Ⅱ、Ⅲ級工程場地地震安全性評價(jià)工作中具有一定的借鑒和參考作用。

關(guān)鍵詞：土動力參數(shù)； 統(tǒng)計(jì)分析； 土層反應(yīng)； 昆明盆地

0引言

等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法是目前最常用的土層地震反應(yīng)方法，而土的動剪切模量比和阻尼比是該方法中不可或缺的參數(shù)。《工程場地地震安全性評價(jià)》[1]規(guī)定：Ⅰ 級工作應(yīng)對各層土樣進(jìn)行動三軸和共振柱試驗(yàn)，Ⅱ級工作和地震小區(qū)劃應(yīng)對有代表性的土樣進(jìn)行動三軸或共振柱試驗(yàn)。對于Ⅱ級工作和地震小區(qū)劃，場地中的薄層或透鏡體則可以參考基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的規(guī)范值或推薦值。目前應(yīng)用較為廣泛的有《工程場地地震安全性評價(jià)工作規(guī)范》[2]中給出的規(guī)范值和袁曉銘等[3]對全國中東部十幾個(gè)地區(qū)的常規(guī)土類進(jìn)行大量試驗(yàn)所給出的推薦值。

施春花等[4]、孔宇陽等[5]和蘭景巖等[6]分別對北京地區(qū)粉質(zhì)黏土、武漢地區(qū)典型土類和渤海不同土類土動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并做了適用性論證；呂悅軍等[7]對渤海海底的常規(guī)土類動剪切模量比和阻尼比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出各類土的動剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變變化關(guān)系及推薦值；戰(zhàn)吉艷等[8]、張亞軍等[9]分別對蘇州和渤海海域典型土類的土動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。大量的研究表明，由于土的類型、形成時(shí)代及沉積環(huán)境的不同，土的動力學(xué)參數(shù)存在較強(qiáng)的區(qū)域性。

昆明盆地是晚新生代以來形成的斷陷盆地，上新世～第四紀(jì)沉積厚達(dá)千米，地層主要以湖積、沖積和沖洪積相為主，多以薄層或透鏡體形態(tài)分布。本文擬對昆明盆地典型土層——粉土、黏土動三軸試驗(yàn)所得的動剪切模量比和阻尼比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出不同埋深的動力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，并通過土層地震反應(yīng)分析，對比規(guī)范值和推薦值，論述本文所得的統(tǒng)計(jì)值對于昆明地區(qū)地震安全性評價(jià)結(jié)果的適用性。

1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來源

共收集了昆明盆地區(qū)域范圍內(nèi)101個(gè)場點(diǎn)(圖1)的94組粉土和167組黏土的動三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。動三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)由云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)勘察分院、山東同方防震技術(shù)有限公司及山東省地震工程研究院土力學(xué)與年代學(xué)試驗(yàn)室完成。試驗(yàn)儀器均使用北京市新技術(shù)研究所生產(chǎn)的DDS-70微機(jī)控制電磁式多功能靜動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。收集的所有樣品埋深在1～100m之間，在浸水飽和及固結(jié)完成后，在不排水的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1　工程場點(diǎn)分布圖Fig.1　Distribution map of profect sites

2數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

由于土樣的埋深對土的剪切模量比和阻尼比有重要影響[10-11]，故綜合考慮統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量，剔除異常值后，按照表1中不同埋深區(qū)間進(jìn)行粉土和黏土的統(tǒng)計(jì)。表2給出了不同埋深區(qū)間的統(tǒng)計(jì)平均值。

統(tǒng)計(jì)分析表明，隨剪應(yīng)變的增大，動剪切模量比和阻尼比試驗(yàn)值離散程度呈先增大后減小的趨勢。以粉土15～30m區(qū)間為例，從樣本值和平均值的統(tǒng)計(jì)情況及離差(圖2)可以看出，當(dāng)剪應(yīng)變增大時(shí)，動剪切模量比的最大離差絕對值從0.003 6增加至0.204 8，而后減小至0.165 1；阻尼比的最大離差絕對值從0.032 0增加至0.063 4，而后減小至0.051 2。黏土在10～15m區(qū)間中，從樣本值和平均值的統(tǒng)計(jì)情況及離差(圖3)可以看出，當(dāng)剪應(yīng)變增大時(shí)，動剪切模量比的最大離差絕對值從0.003 8增加至0.230 3，而后減小至0.105 0；阻尼比的最大離差絕對值從0.043 8增加至0.094 2，而后減小至0.084 1。無論是粉土還是黏土，剪應(yīng)變?yōu)?×10-6～1×10-4時(shí)，動剪切模量比的離差值曲線較為平緩，而剪應(yīng)變?yōu)?×10-4～1×10-2時(shí)，離差值曲線“跳躍”較為明顯；對于阻尼比，不同剪應(yīng)變對應(yīng)的離差值曲線“跳躍”均較明顯，即阻尼比的離散性相對動剪切模量更大，這可能與黏性土阻尼的離散性較大有關(guān)[12]。

表 1　樣本量統(tǒng)計(jì)

表 2　不同埋深區(qū)間的統(tǒng)計(jì)平均值

圖2　粉土15～30 m區(qū)間動剪切模量比與阻尼比的統(tǒng)計(jì)平均值及離差Fig.2　Mean values and deviations of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of silt at a depth of 15～30 m

圖3　黏土5～10 m區(qū)間動剪切模量比與阻尼比的統(tǒng)計(jì)平均值及離差Fig.3　Mean values and deviations of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of clay at a depth of 5～10 m

圖4(a)表明：粉土的動剪切模量比統(tǒng)計(jì)值最高，尤其在大應(yīng)變值范圍內(nèi)，明顯高于推薦值和規(guī)范值；剪應(yīng)變在10×10-4時(shí)不同深度的粉土統(tǒng)計(jì)值均大于規(guī)范值的一倍多，最大為規(guī)范值的2.5倍；與袁曉銘的推薦值相比，統(tǒng)計(jì)值是推薦值的1.4～1.9倍。由圖4(b)可看出，黏土的動剪切模量比同樣是統(tǒng)計(jì)值最高，規(guī)范值最低；剪應(yīng)變在10×10-4時(shí)黏土的統(tǒng)計(jì)值是規(guī)范值的3.3～3.6倍；與袁曉銘的推薦值相比，統(tǒng)計(jì)值是推薦值的1.3～1.6倍。而粉土和黏土的三種阻尼比總體相差均不明顯。

圖4　動剪切模量比和阻尼比統(tǒng)計(jì)值與規(guī)范值、袁曉銘推薦值的對比Fig.4　Comparison of the values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio proposed by Yuan Xiaoming,code,and values in this paper

3土體動力參數(shù)對土層地震反應(yīng)的影響

動剪切模量比和阻尼比對土層動力反應(yīng)的影響顯著[13-14]，尤其是地震活動強(qiáng)烈地區(qū)(≥0.2g的區(qū)域)，等效應(yīng)變10-3附近或更高值域的土體剪切模量比值往往對土層地震反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響[15]。上述統(tǒng)計(jì)分析表明統(tǒng)計(jì)值、規(guī)范值和推薦值有較大差異。為了分析這種差異對土層地震反應(yīng)分析的影響，下面針對2個(gè)實(shí)際場地鉆孔模型，分別運(yùn)用統(tǒng)計(jì)值、推薦值、規(guī)范值及實(shí)際值(鉆孔中土樣動三軸試驗(yàn)值)4種不同的土動力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較。

3.1計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)的選取

采用昆明盆地2個(gè)典型鉆孔作為計(jì)算模型(表3)。計(jì)算模型1和計(jì)算模型2中剪切波速、密度值和其余土類的動力學(xué)參數(shù)均為實(shí)測所得，僅粉土和黏土的土動力學(xué)參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)值、推薦值、規(guī)范值和實(shí)際值分別進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，采用人工合成地震動，按50年超越概率63%、10%和2%三種概率水準(zhǔn)合成基巖加速度時(shí)程。為了考慮相位隨機(jī)的影響，每一概率水準(zhǔn)合成3條時(shí)程曲線(圖5)進(jìn)行土層地震反應(yīng)計(jì)算。土層地震反應(yīng)分析采用一維頻域等效線性化計(jì)算程序[16]。

3.2土層地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果及分析

運(yùn)用一維等效線性化波動方法進(jìn)行地震反應(yīng)分析計(jì)算，三種不同的土動力學(xué)參數(shù)對應(yīng)的50年超越概率63%、10%和2%的地表平均反應(yīng)譜見圖6，地震動加速度峰值和速度峰值列于表4。反應(yīng)譜特征周期利用雙參數(shù)法[17]確定(表5)：

表 3　計(jì)算模型

圖5　輸入地震動加速度時(shí)程Fig.5　Acceleration time histories of ground motion

表 4　不同土動力學(xué)參數(shù)取值下的峰值加速度和峰值速度

表 5　不同土動力學(xué)參數(shù)取值下的特征周期

式中：Amax為加速度峰值；Vmax為速度峰值。

從圖6可以看出，50年超越概率為63%的情況下，四種不同土動力參數(shù)對應(yīng)的反應(yīng)譜差別不大，而50年超越概率為10%和2%時(shí)，實(shí)測值和袁曉銘的推薦值與規(guī)范值對應(yīng)的反應(yīng)譜差別較大，尤其在大震情況下，差別更明顯。這種差別主要表現(xiàn)為在高、中頻段，譜值從高到低依次為實(shí)測值、推薦值和規(guī)范值；而在低頻段正好相反。采用本文統(tǒng)計(jì)值計(jì)算所得的反應(yīng)譜較推薦值和規(guī)范值，是最接近實(shí)際反應(yīng)譜的。由表4～表6可以得出，用統(tǒng)計(jì)值計(jì)算所得的地震動參數(shù)最接近實(shí)測值的地震動參數(shù)，相差不超過10%；而采用推薦值和規(guī)范值所得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的差異較大，規(guī)范值的更甚。隨著概率水準(zhǔn)的減小，峰值加速度的差異變大，峰值速度和特征周期亦有變大的趨勢。

圖6　不同概率水準(zhǔn)不同土動力學(xué)參數(shù)的平均反應(yīng)譜曲線Fig.6　Average response spectrum curves of different soil dynamic parameters at different exceeding probabilities

計(jì)算模型概率水準(zhǔn)(50年)誤差值/%峰值加速度T1T2T3峰值速度T1T2T3特征周期T1T2T363%4132101341424110%425613123035952%539725154414210063%3102231201225210%616584319221922%1021744238725141

注：表中T1、T2、T3分別代表統(tǒng)計(jì)值、推薦值和規(guī)范值

綜上所述，不同土動力參數(shù)對以Ⅱ、Ⅲ類場地為主的昆明盆地的土層地震反應(yīng)分析的結(jié)果影響較大，再次印證了土動力參數(shù)具有較強(qiáng)的區(qū)域性。本文統(tǒng)計(jì)值的數(shù)據(jù)資料來源于昆明盆地，與規(guī)范值和推薦值相比，更能代表昆明盆地區(qū)域場地土的動力特性。

4結(jié)論與討論

本文對昆明盆地粉土和黏土的土動力參數(shù)進(jìn)行了不同深度的統(tǒng)計(jì)分析，并與目前運(yùn)用較為廣泛的袁曉銘的推薦值和規(guī)范值做了分析對比，得出以下結(jié)論：

(1) 統(tǒng)計(jì)值的動剪切模量比最高，尤其在大應(yīng)變值范圍(0.001～0.01)內(nèi)，明顯高于推薦值和規(guī)范值；其次為推薦值和規(guī)范值。而三者的阻尼比總體相差不明顯。

(2) 50年超越概率為63%的情況下，不同土動力參數(shù)對應(yīng)的反應(yīng)譜、地震動加速度峰值和特征周期差別不明顯；50年超越概率為10%和2%時(shí)，實(shí)測值對應(yīng)的反應(yīng)譜與規(guī)范值和推薦值的差別較明顯，而與統(tǒng)計(jì)值較接近，誤差不超過10%。

(3) 在高、中頻段，統(tǒng)計(jì)值和推薦值計(jì)算的反應(yīng)譜高于規(guī)范值計(jì)算的反應(yīng)譜；在低頻段則正好相反。

(4) 不同概率水準(zhǔn)下計(jì)算的特征周期，統(tǒng)計(jì)值最小，規(guī)范值最大，兩者最大相差約1倍。

經(jīng)對比分析，采用本文統(tǒng)計(jì)的土動力參數(shù)，在昆明盆地更具代表性和適用性，因此本文的統(tǒng)計(jì)值在Ⅱ、Ⅲ級工程場地地震安全性評價(jià)工作中具有一定的借鑒和參考作用。由于統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的限制，統(tǒng)計(jì)中只考慮了圍壓(埋深)對土動力學(xué)參數(shù)的影響，而未考慮土體的密度、狀態(tài)、沉積時(shí)代等因素的影響。鑒于多因素的影響，土動力學(xué)參數(shù)具有較大的離散性，故在影響重大的工程和超高層建筑中不可直接使用本文的統(tǒng)計(jì)值。

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EffectofSoilDynamicParametersonSeismicResponseofSoilLayersinKunmingBasin

TAIShu-gang,LIJian-you,SHIBao-wen,ZHAOShu-fang,CHANGYu-fang,ZHANGPeng

(Kunming Southern Geophysical Technology Development Co., Ltd, Kunming 650231, Yunnan, China)

Abstract:Dynamic soil parameters are important for analyzing the seismic response of the soil layer,and have strong regional characteristics. The Kunming basin is a faulted basin that developed after the Late Cenozoic Era. The Pliocene to Quaternary sedimentary thickness reaches up to one thousand meters. The stratum formation is mainly composed of deposition, grade alluvial, and alluvial faces with the shape distribution of a thin layer or lens. The typical soil layer in Kunming basin consists of silt and clay soils. For a deeper understanding of the dynamic soil characteristics in Kunming basin and to conduct a seismic safety evaluation of construction sites, it is important to investigate the statistical values of the dynamic parameters such as the shear modulus ratio and the damping ratio of silt and clay soils at different depths in the Kunming region. In addition, studies are needed to compare the effects of the dynamic parameters′ statistical values, norm values, and the recommended values on the soil seismic response by developing soil layer models and analyzing soil seismic responses. In this paper, we analyze the triaxial test dynamic parameters of silt and clay from 94 and 167 sample groups, respectively, collected from 101 sites in the Kunming basin region. Based on our soil seismic response calculations, we compare our results with the values recommended from Yuan Xiaoming and with those found in the code for the seismic safety evaluation of engineering sites (DB001-94). The results show that our statistical values of the dynamic parameters differ greatly from the other two sets of recommended values.The effects of different dynamic parameters on the soil seismic response are obvious and those with a lower probability of exceedance include the influences on peak acceleration, response spectra, and characteristic period. The site response analysis results of the statistical and test values are similar. The statistical values can be used for reference in work levels Ⅱ and Ⅲ for the seismic risk assessment of engineering projects in Kunming basin.

Key words：soil dynamic parameters; statistical analysis; soil seismic response; Kunming basin

收稿日期：①2015-04-13

作者簡介：太樹剛(1978-)，男，工程師，主要從事工程場地地震安全性評價(jià)和工程質(zhì)量檢測工作。E-mail：sgtai78@163.com。

中圖分類號:O324；TU311.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0382-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0382