歐展良 李曉明 莫天健 龐貽鴻

摘要：文章結(jié)合鐵山港跨海特大橋工程實(shí)例，通過開展橋梁近場區(qū)地震地質(zhì)、工程地質(zhì)等相關(guān)勘測，研究地震危險(xiǎn)性概率和設(shè)計(jì)地震動參數(shù)，并對工程場地地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了評價(jià)。研究成果為橋梁工程抗震設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：跨海特大橋;工程地質(zhì);地震安全性評價(jià);地震動參數(shù)

0 引言

鐵山港跨海特大橋位于廣西北海市合浦縣境內(nèi)，橋梁跨越鐵山港海灣，總長4279m。根據(jù)場地工程地質(zhì)勘察報(bào)告[1]及中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[2]，橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震基本烈度為Ⅵ度。但該橋梁工程為對社會有重大價(jià)值或者有重大影響的工程，其設(shè)計(jì)地震動參數(shù)由地震安全性評價(jià)專門確定。本次研究成果可為類似橋梁場地地震安全性評價(jià)提供參考[3][4]。

1 場地工程地質(zhì)條件

工程場地地貌類型屬海積漫灘地貌，海面相對較窄，為海積砂泥質(zhì)淺海岸地帶。坡面向海中傾斜，坡度較緩，潮間帶寬約2.0km。高潮水面寬度可達(dá)4.2km，低潮時(shí)僅1.3km，海灣最深約11.0m。

工程場地覆蓋層主要由第四系填土、淤泥質(zhì)砂土、細(xì)砂、粗砂、礫砂、黏土等組成，其中填土、淤泥質(zhì)砂土、細(xì)砂、粗砂層土質(zhì)相對較軟;礫砂、黏土層土質(zhì)較均勻，厚度為0.4～53.5m;下伏基巖為礫巖（K2a）及灰?guī)r（C1ds），礫巖屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類;灰?guī)r屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ類。

工程場地地表水為鐵山港海灣，潮汐特征屬非正規(guī)全日潮，漲潮歷時(shí)15h，退潮歷時(shí)10h，主槽東側(cè)最大落潮流速為0.82m/s，多年平均潮差為2.45m;地下水類型為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水及碳酸鹽巖裂隙溶洞水，接受大氣降水及潮汐運(yùn)動海水補(bǔ)給，水量中等。

2 近場區(qū)域地震構(gòu)造評價(jià)

近場區(qū)是指以本橋梁中心樁號為中心，半徑25km范圍的區(qū)域。本文收集整理了近場區(qū)相關(guān)地震地質(zhì)等資料，結(jié)合歷史和現(xiàn)代地震活動，綜合評價(jià)了近場區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境。

2.1 地震活動性

近場區(qū)自公元1507年有地震記載至今，沒有M≥4.7級地震記錄。自有地震資料觀測以來，近場區(qū)記錄了51次M≥1.0的地震，最大的地震是2001-08-10北部灣M3.4級地震。工程場地自有歷史資料記載以來共遭受多次4級以上歷史地震影響，最大影響烈度為Ⅵ度。

2.2 地震構(gòu)造評價(jià)

區(qū)域位于華南加里東褶皺系的粵西隆起區(qū)西緣及其與欽州華力西褶皺帶的交接地帶。新構(gòu)造運(yùn)動主要表現(xiàn)為大面積間歇性升降運(yùn)動、斷裂和斷塊差異運(yùn)動、新近紀(jì)和第四紀(jì)火山活動。區(qū)域斷裂按走向可分為北東向、西北向、北東東向和東西向4組，這些斷裂帶對地震、地貌、新生代盆地或火山活動均有控制作用。區(qū)域內(nèi)最大的地震為瓊山7.5級地震。綜上所述，區(qū)域具備發(fā)生7.5級地震的發(fā)震構(gòu)造條件。

近場區(qū)跨越了六萬大山斷塊隆起區(qū)和云開大山斷塊隆起區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動主要表現(xiàn)為總體向南掀斜抬升和大面積間歇性升降運(yùn)動。北東向的合浦—北流斷裂帶兩條組成斷裂對新生代地層分布有一定控制作用，其余斷裂的活動性較弱。近場區(qū)最大地震記錄為六萬大山斷塊隆起區(qū)6.75級地震。綜上所述，近場區(qū)具備發(fā)生6.0級地震的發(fā)震構(gòu)造條件。

2.3 場地土體剪切波速測定及結(jié)果分析

剪切波速是劃分場地類別的關(guān)鍵性依據(jù)，同時(shí)也是確定地震動參數(shù)的重要指標(biāo)。本場地土層剪切波速測試采用單孔檢層法。工作原理是在場地鉆孔內(nèi)設(shè)置速度拾波裝置，通過沖擊振動法來拾取鉆孔內(nèi)波速傳播數(shù)據(jù)，通過公式計(jì)算分析場地剪切波速。

以測試結(jié)果分析，在場地范圍內(nèi)選擇了8個(gè)能反映和控制橋梁場地巖土層結(jié)構(gòu)特征的工程地震鉆孔，結(jié)合鉆孔取樣、拾震器接收數(shù)據(jù)及工程地質(zhì)條件分析，得出鉆孔的平均剪切波速和覆蓋土層厚度。經(jīng)過計(jì)算分析，工程場地土層剪切波速范圍為125.0～270.8m/s，覆蓋土層厚度為1.9～17.3m。綜合判定工程場地土層屬于中軟土，場地類別為Ⅱ類（詳見表1）。

3 地震危險(xiǎn)性概率分析

地震危險(xiǎn)概率分析方法主要考慮了地震活動的空間時(shí)間不均勻性，將基本思路和計(jì)算方法總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

（1）由地震活動空間時(shí)間不均勻性、未來100年的地震活動水平和地震危險(xiǎn)空間的相對分布概率，來確定地震統(tǒng)計(jì)單元。

（2）分別設(shè)定地震帶地震震級的上限和下限以及未來地震的年平均發(fā)生率，計(jì)算今后地震的概率，同時(shí)地震活動性遵從修正的震級頻度關(guān)系。

（3）依據(jù)潛在震源區(qū)內(nèi)部地震活動的一致性，列出空間分布函數(shù)，用來反映各震級規(guī)模地震在各潛在震源區(qū)上分布的空間不均勻性，進(jìn)而劃分潛在震源區(qū);然后根據(jù)分段泊松分布模型和全概率公式，計(jì)算影響到場點(diǎn)地震動參數(shù)值超越給定值的年超越概率;最后假設(shè)多個(gè)地震帶對工程場地位置有潛在影響，綜合所有地震統(tǒng)計(jì)區(qū)的影響得出地震危險(xiǎn)性概率[5][6]。

根據(jù)上述分析方法計(jì)算，分別得到場地50年超越概率為63%、10%、2%和100年超越概率為63%、10%、5%、2%的基巖水平向峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，計(jì)算結(jié)果列于表2?；鶐r地震動峰值加速度（A）與超越概率（P）關(guān)系曲線繪于圖2，基巖水平加速度反應(yīng)譜繪于圖3。

[HT5"H][JZ]圖3 場地50年、100年不同超越概率基巖水平[JZ]加速度反應(yīng)譜曲線圖[KH-*1]

4 場地設(shè)計(jì)地震動參數(shù)的確定

（1）根據(jù)上述地震危險(xiǎn)性概率分析方法，以基巖加速度反應(yīng)譜和峰值為目標(biāo)，用數(shù)值模擬的方法合成地震動時(shí)程，作為場地土層地震動力反應(yīng)分析的地震動輸入值;（2）根據(jù)工程場地地震活動性確定場地?cái)?shù)值模型;（3）通過數(shù)值模型，計(jì)算在基巖底部地震波傳播的反應(yīng)情況，分別得出不同地震波輸入時(shí)對應(yīng)的場地地震反應(yīng)信息;（4）綜合評價(jià)得出場地?cái)?shù)值模型下的地震動時(shí)程、加速度反應(yīng)譜及地震動參數(shù)[5]。

根據(jù)地震安全性評價(jià)報(bào)告，橋梁場地設(shè)計(jì)地震動加速度反應(yīng)譜取為：

根據(jù)式（3）[4]，結(jié)合地震危險(xiǎn)性概率分析方法計(jì)算出的地震動加速度反應(yīng)譜（阻尼比0.05）結(jié)果，得到相應(yīng)的擬合曲線，作為工程場地地面處水平向設(shè)計(jì)地震動加速度反應(yīng)譜曲線。在確定設(shè)計(jì)地震動峰值加速度時(shí)，考慮地震動峰值加速度和加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜平臺值，綜合確定工程場地50年超越概率63%、10%、2%和100年超越概率63%、10%、5%、2%水平向設(shè)計(jì)地震動參數(shù)（阻尼比0.05），見下頁表3，相應(yīng)的設(shè)計(jì)地震動反應(yīng)譜繪于圖4。

通過研究成果對地震安全性進(jìn)行評價(jià)：工程場地遭遇50年超越概率2%，100年超越概率10%、5%、2%的地震作用時(shí)，地面峰值加速度分別為0.156g、0.113g、0.145g、0.197g，反應(yīng)譜特征周期分別為0.45s、0.40s、0.45s、0.50s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。故本橋梁工程應(yīng)按地震基本烈度為Ⅶ度進(jìn)行抗震措施設(shè)計(jì)。

5 場地地震地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)

工程場地主要由填土、淤泥質(zhì)砂土、細(xì)砂、中粗砂、黏土、礫巖、灰?guī)r等地層組成。當(dāng)工程場地遭遇地震烈度達(dá)Ⅶ度地震作用時(shí)，對未來地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評價(jià)如下：

5.1 砂土液化

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法對工程場地可能產(chǎn)生砂土液化的淤泥質(zhì)砂土、細(xì)砂、粗砂層進(jìn)行砂土液化判別[7]（如表4所示）。結(jié)果表明：當(dāng)遭遇地震烈度達(dá)Ⅶ度地震作用時(shí)，場地內(nèi)淤泥質(zhì)砂土、細(xì)砂和粗砂層為可液化土層，淤泥質(zhì)砂土、細(xì)砂層液化等級多為中等級別，粗砂層多為不液化，少數(shù)為中等級別。可液化土層層厚較小，埋深較淺，建議橋梁建設(shè)采用嵌巖樁基礎(chǔ)，避免因地震砂土液化對橋梁造成破壞。

5.2 軟土震陷

工程場地內(nèi)淤泥質(zhì)砂土多呈松散狀，土質(zhì)較軟，分布較廣泛。根據(jù)勘察報(bào)告，該層土體為軟土。其不良影響主要表現(xiàn)在土體結(jié)構(gòu)疏松、含水量大，具有低強(qiáng)度、高壓縮性、觸變性、流變性等特征。當(dāng)遭遇地震烈度達(dá)Ⅶ度地震作用時(shí)，具備軟土震陷的條件。建議橋梁建設(shè)采用嵌巖樁基礎(chǔ)，防止軟土震陷對橋梁造成破壞。

5.3 巖溶塌陷

根據(jù)勘察報(bào)告，工程場地鉆孔遇洞率為29.73%，洞徑為0.20～12.40m，線巖溶率為8.48%。溶洞多為黏性土及砂土充填，部分無充填或呈半邊巖，巖溶中等發(fā)育。當(dāng)遭遇地震烈度達(dá)Ⅶ度地震作用時(shí)，具備了產(chǎn)生巖溶塌陷的地震和地質(zhì)條件。建議橋梁建設(shè)采用嵌巖樁基礎(chǔ)，防止巖溶塌陷對橋梁產(chǎn)生破壞。

5.4 斷層地表錯(cuò)動

根據(jù)場地工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合附近場區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造研究成果，工程場地及其附近沒有活動斷層通過。因此，本工程場地可不考慮斷層地表錯(cuò)動影響。

6 結(jié)語

本文通過具體實(shí)例的研究分析，對跨海特大型橋梁的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)橋梁所處的場地地質(zhì)環(huán)境、地震地質(zhì)，結(jié)合場地巖土體剪切波速測試，通過理論計(jì)算分析，從地震危險(xiǎn)性概率分析著手研究，獲得適合于本橋梁的各種地震動數(shù)據(jù)，為橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供基本地震動參數(shù)，并對工程場地未來地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了評價(jià)。安全可靠的地震動參數(shù)設(shè)計(jì)，為橋梁的抗震安全提供基本保障。

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