周大鵬 ， 姜 慧 ， 吳 彬

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州 510070；

3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070；4.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 廊坊 065201）

填海場地軟弱夾層的地震響應(yīng)特征分析

周大鵬1，2，3，4， 姜 慧1，2，3， 吳 彬1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州 510070；

3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070；4.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 廊坊 065201）

基于深圳市前海自貿(mào)區(qū)填海場地某一典型的含軟弱淤泥夾層鉆孔剖面，對填海場地中軟弱夾層的厚度和埋深對地面運動特性的影響進(jìn)行分析。將原軟弱夾層按2 m、4 m、6 m、8 m、10 m厚度，0 m（地表）、5 m、10 m、15 m、20 m、30 m、45 m（層底）埋深，構(gòu)造出35個土層模型。利用土層一維等效線性化分析方法對上述35個土層模型進(jìn)行不同超越概率地震動輸入下的地震反應(yīng)分析，結(jié)果表明：當(dāng)輸入地震動一定時，隨著軟弱夾層埋深的增加，地表加速度峰值放大倍數(shù)k逐漸減小，埋深超過一定深度后，k值小于1；隨著軟弱夾層的厚度增大，加速度峰值放大倍數(shù)k先增顯大后減小；隨著輸入地震動的增大，各工況下地震地表加速度峰值放大倍數(shù)k相應(yīng)都減小，地表加速度峰值減小明顯。

填海場地；軟弱夾層；等效線性化方法；地表加速度峰值

0 引言

歷史上多次遠(yuǎn)場大震給人類的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失，如1985年墨西哥7.8級地震，400 km以遠(yuǎn)的墨西哥城，15層以上高層建筑普遍發(fā)生嚴(yán)重破壞，研究表明：湖相沉積軟土層的長周期地震效應(yīng)，是導(dǎo)致墨西哥城巨大震害的主要原因。如今在我國沿海地區(qū)，大量含淤泥軟夾層填海場地上建設(shè)有很多高層建筑，這些高層建筑在未來的地震中是否安全，填海場地是否會產(chǎn)生長周期地震效應(yīng)值得深入研究。

理論研究和強震觀測結(jié)果都表明，土體中軟弱夾層的存在對地表地震動參數(shù)有顯著的影響。黃玉龍等對香港地區(qū)軟泥夾層場地的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著軟夾層埋深的增加，地表加速度反應(yīng)譜由單峰變?yōu)殡p峰，且向長周期方向顯著增大[1]；Kanyen.R.E.對不同巖土層不同的震源深度隨震中距離變化的水平烈度作了深入研究，表明巖土土層越 “軟”，其水平烈度越高[2]；周錫元曾指出軟夾層對譜形狀和加速度峰值影響都很大，同時又能起到隔震作用[3]；薄景山等用土層一維等效線性化波動方法，得出在不同軟弱夾層埋深、厚度，相同地震動輸入的條件下，反應(yīng)譜的特征周期隨覆蓋層厚度的增大而增大[4]；此外，對含軟土夾層場地的地震動特性還有不少學(xué)者做過研究[5-8]。

本文以深圳市前海地區(qū)填海場地為例，通過調(diào)整場地中的軟弱淤泥夾層的厚度和埋深，研究不同厚度和埋深軟弱夾層的填海場地對地表加速度的影響，為沿海地區(qū)含軟弱夾層填海場地上的高層建筑抗震設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 方法選取和場地模型構(gòu)建

1.1 方法選取

場地土層地震反應(yīng)分析的方法主要有頻域等效線性化方法和時域非線性方法[9]。等效線性化方法，是將土體的實際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用等效剪切模量和等效粘性阻尼比表示，通過反復(fù)迭代進(jìn)行多次線性計算，使等效參數(shù)與有效應(yīng)力水平相匹配，而獲得近似的非線性解答。主要是將土層的非線性效應(yīng)問題等效為執(zhí)行一系列的線性分析，因此等效線性方法無法進(jìn)行真非線性分析；而非線性方法理論上可以用于分析在時域內(nèi)土層的實際非線性反應(yīng)，但是由于其土動力本構(gòu)關(guān)系和數(shù)值積分方法較為復(fù)雜，并且場地參數(shù)輸入繁雜，一般人員很難掌握，所以實際應(yīng)用較少。等效線性化方法雖然有諸多不足，但它是實際土動力實驗歸納的結(jié)果，物理力學(xué)參數(shù)簡單易懂，并且積累了大量的工程經(jīng)驗，并考慮到與實際工程應(yīng)用中的抗震規(guī)范的聯(lián)系，因此本文仍選用此方法作為場地反應(yīng)的計算方法。

1.2 場地模型構(gòu)建

表1給出了深圳市前海自貿(mào)區(qū)填海場地某含軟弱夾層場地的鉆孔資料，可見其在深度8.2～12.8范圍內(nèi)有4.6 m厚的軟弱淤泥夾層。計算時，首先將該軟夾層用其相鄰上下兩層土各占一半置換，變?yōu)椴缓泭A層的正常土層，總厚度不變。然后將原軟弱夾層按2 m、4 m、6 m、8 m、10 m重新構(gòu)造5個不同的厚度，按0 m （軟弱層位于表層）、5 m、10 m、15 m、20 m、30 m、45 m（軟弱層位于底層）構(gòu)造7個不同的埋深，插入到不含軟夾層的基本土層的相應(yīng)深度處，共構(gòu)造35個含不同厚度和埋深軟夾層的土層模型。土層非線性動力參數(shù)是通過現(xiàn)場取得典型土樣進(jìn)行動三軸實驗得到的。

2 模型場地的地震動影響分析

本節(jié)包括2個方面的內(nèi)容，首先是基巖輸入地震動的選取，然后是模型場地對地表地震動峰值的影響分析。

表1 典型鉆孔剖面資料Table 1 Profile data of typical drilling

為了方便比較，每個地震級別下選取4條輸入波（1條人工波和3條天然波），對每個不同厚度和埋深鉆孔土層模型的地表加速度峰值計算結(jié)果，按常遇地震（50年超越概率63%）、設(shè)防地震（50年超越概率10%）和罕遇地震（50年超越概率2%），計算得出的4條地表水平向加速度時程峰值的平均值，并與相應(yīng)4條基巖加速度峰值的平均值作比值，得到每個土層模型在不同地震動輸入條件下的地表加速度峰值放大倍數(shù)k。

2.1 基巖輸入地震動選取

本文選用人工波和天然波的組合作為土層反應(yīng)的地震動輸入。人工波的選用，按場地50a63%、50a10%、50a2%三個超越概率人工合成基巖地震動各一條，其加速度峰值分別為20.2 cmos-2、 91.9 cmos-2和 170.4 cmos-2， 加速度反應(yīng)譜如圖1所示；天然波的選用，考慮研究區(qū)域所受潛在地震威脅主要來自擔(dān)桿列島，震級上限Mu=7.5，距離場地50 km，并適當(dāng)考慮遠(yuǎn)震的影響，從美國太平洋地震工程研究中心PEER選取3條實測基巖地震動，記錄參數(shù)見表2，根據(jù)本區(qū)基巖地震動概率危險性分析的結(jié)果，將每條實測地震動時程按三個超越概率下基巖加速度峰值分別為20.2 cmos-2、 91.9 cmos-2和170.4 cmos-2調(diào)整峰值，得到9條天然地震波時程，人工波加天然波共12條地震波做為輸入地震動時程，各條人工波和未調(diào)幅天然波的加速度反應(yīng)譜以及未調(diào)幅天然波的加速度時程如圖1、圖2所示。

圖1 天然波和人工波的加速度反應(yīng)譜Fig.1 The acceleration response spectra of natural and artificial wave

圖2 天然波的加速度時程曲線Fig.2 The acceleration time history of natural waves

PGA/（cm·s2）OKA000 Kobe 1995-01-16 6.9 86.9 609 77.2 L09000 Northridge 1994-01-17 6.7 24.9 671 161.9 CHY022 Chi-Chi 1999-09-21 7.6 63.2 564 62.4編號 地震事件 震級/Mw震中距/km VS30/（m·s-1）

2.2 模型場地對地表地震動的影響

2.2.1 軟弱夾層埋深對地表地震動的影響

圖3為三個級別地震輸入下，同一厚度的軟弱夾層隨著其埋深的增大，對地表加速度峰值放大倍數(shù)k的影響（其中x坐標(biāo)軸-5刻度對應(yīng)的k值表示不含軟弱夾層的基本土層模型計算結(jié)果）?？梢钥闯觯海?）隨著輸入地震動的增強，放大倍數(shù)k減小，且當(dāng)常遇地震輸入時，所有工況下的放大倍數(shù)都大于1。（2）在常遇地震和設(shè)防地震輸入下，各厚度的軟弱夾層在埋深為0 m（地表）時，k值均大于不含軟夾層的基本土層，說明軟夾層位于地表時，相對于不含軟夾層土層對加速度峰值有放大作用。（3）隨著埋深的增加，相同厚度軟夾層的土層地表加速度峰值放大倍數(shù)逐漸減小，深度越深減小的速率越??；但各厚度下的k值均在埋深20 m（中部）處平穩(wěn)中略有增大，在實際場地地震動的設(shè)計中當(dāng)有埋深20 m左右的軟弱層時要引起重視，不能簡單地按照埋深越大，加速度峰值線性減小來判斷。

圖3 放大倍數(shù)k隨軟夾層埋深的變化Fig.3 The magnification k varies with the depth of the soft interlayer

2.2.2 軟弱夾層厚度對地表地震動的影響

圖4為三個級別地震輸入下，同一埋深的軟弱夾層隨著其厚度的增大，對地表加速度峰值放大倍數(shù)k的影響（其中x坐標(biāo)軸0刻度對應(yīng)的k值表示不含軟弱夾層的基本土層的計算結(jié)果）?？梢钥闯觯海?）地表含軟弱層的土層，k值均比不含軟弱層的基本土層大，且隨著軟弱層厚度的增加，k值隨之增大，厚度為6 m時到達(dá)峰值，隨后逐漸減小，說明當(dāng)軟弱層在地表時可能會放大地震動，且軟弱層的厚度不同時對地震動的放大也不同，應(yīng)該引起足夠的重視。（2）軟土層在地表以下時，除在多遇地震輸入下埋深5 m厚度0～6 m的土層和設(shè)防地震輸入下埋深5 m厚度0～2 m的土層k值大于無軟夾層的基本土層，其余埋深和厚度的土層均小于基本土層，且隨著厚度的增大，放大倍數(shù)逐漸減小，減小速率逐漸變緩。（3）設(shè)防地震和罕遇地震下埋深超過10 m時，軟夾層厚度的增加對地表加速度峰值的影響已經(jīng)不明顯，且k值遠(yuǎn)小于不含軟弱夾層的基本土層，說明當(dāng)軟弱夾層位于土層中部和底部時，對高頻地震動吸收效應(yīng)明顯。

圖4 放大倍數(shù)k隨軟夾層厚度的變化Fig.4 The magnification k varies with the thickness of the soft interlayer

3 結(jié)語

本文基于深圳市前海自貿(mào)區(qū)的實際工程場地背景，分析了存在的軟弱夾層填海場地對地表加速度峰值的影響，得出以下結(jié)論：

（1）軟弱層位于地表時，相對于不含軟弱層的基本土層，對加速度峰值有放大作用，且隨著地表軟弱層厚度的增大，放大作用逐漸增大，且在厚度為6 m左右時放大倍數(shù)達(dá)到最大，隨后逐漸減小。

（2）軟弱夾層位于土層中上部位（如5 m）時，除了在常遇地震輸入下軟夾層厚度小于6 m和設(shè)防地震輸入下軟夾層厚度小于2 m的土層k值大于無軟夾層的情況，其余各埋深和厚度的土層均小于基本土層，k值大于無軟夾層的情況，軟夾層對高頻地震動吸收效應(yīng)明顯。

（3）軟弱夾層位于土層中部（如10 m、15 m、20 m）時，其厚度對于放大倍數(shù)k的影響不明顯。

（4）軟弱夾層位于土層下部（如30 m、45 m）時，k值遠(yuǎn)小于不含軟弱夾層的情況，高頻地震動被吸收，地表加速度峰值明顯減小。

總體來說，對于本文研究的填海場地軟弱夾層土層地震動特征，當(dāng)軟弱夾層位于地表時對地震動呈放大作用；位于土層上部時在小震下放大地震動，在中大震下削弱地震動；位于土層中部和下部時呈減震作用，且此時隨著軟夾層厚度的變化，減震作用變化不明顯。這與文獻(xiàn) [5]、[8]、[10]、[11]等的研究結(jié)果大致相同，表明不同地區(qū)含軟弱夾層場地的地震動可能有相似的特征。以上結(jié)論，對含軟弱夾層填海場地設(shè)計地震動輸入選取有一定參考意義，但受土層反應(yīng)分析方法和土動力參數(shù)本構(gòu)關(guān)系的局限，分析結(jié)果可能與真實情況有一定偏差，其合理性有待進(jìn)一步檢驗。

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[4]薄景山，李秀領(lǐng)，李山有.場地條件對地震動影響研究的若干進(jìn)展[J].世界地震工程，2003，19（2）：11-15.

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Seismic Response Characteristics Analysis of Weak Interlayer in Reclamation Site

ZHOU Dapeng1，2，3，4， JIANG Hui1，2，3， WU Bin1，2，3

（1.Guangdong Earthquake Agency，G， uangzhou 510070， China； 2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA， Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects，Guangzhou 510070，China； 4.Institute of Disaster Prevention， Langfang 065201， China）

Based on the profile of a typical soft clay interlayer in the reclamation area of Qianhai Free Trade Zone in Shenzhen,the influence of the thickness and depth of the weak interlayer on the ground motion characteristics is analyzed.35 soil layers were constructed according to the thickness and depth of the weakinterlayer，where the thickness is divided into 2 m， 4 m， 6 m，8 m， 10 m， and the buried depth is divided into 0 m (surface)， 5 m， 10 m， 15 m， 20 m，30 m，45 m （bottom） .Based on seismic response analysis of the above 35 soil model with different transcendental probability ground motion using soil one-dimensional equivalent linearization method， the results show that when the input ground motion is constant， with the increase of the depth of the weak interlayer， the ground acceleration peak magnification k decreases gradually，and when the buried depth exceeds a certain depth， the k value is less than 1； with the increase of the thickness of the weak interlayer，the peak acceleration magnification k increased significantly and then decreases； with the increase of input ground motion， the magnification k decreases in each case,and the peak value of ground acceleration decreases obviously.

Reclamation site；Weak interlayer； Equivalent linearization method；Ground peak acceleration

U442.55

A

1001-8662（2017）02-0048-05

10.13512/j.hndz.2017.02.008

周大鵬，姜 慧，吳 彬.填海場地軟弱夾層的地震響應(yīng)特征分析[J].華南地震，2017，37（2）：48-52.[ZHOU Dapeng，JIANG Hui，WU Bin.Seismic Response Characteristics Analysis of Weak Interlayer in Reclamation Site[J].South china journal of seismology，2017，37（2）：48-52.]

2017-02-23

深圳市填海場地地震響應(yīng)特性分析（項目編號XH14039Y）

周大鵬 （1990-），男，在讀碩士，研究方向：巖土工程與結(jié)構(gòu)抗震。

E-mail：15932629739@163.com.

姜 慧 （1964-），男，博士，研究員，研究方向：地震工程與結(jié)構(gòu)抗震.

E-mail：jianghui@cea-igp.ac.cn.