張劍釗，楊 猛，周 東

(1.廣西大學 a.土木建筑工程學院；b.土木建筑工程國家級實驗教學示范中心，南寧 530004；2.廣西百東投資有限公司，廣西 百色 533000)

0 引 言

不同外界條件對卓越周期的影響存在差異, 當場地卓越周期與建筑結(jié)構(gòu)自振周期相近將會產(chǎn)生“地震動-場地結(jié)構(gòu)物”系統(tǒng)共振效應, 從而加大建筑結(jié)構(gòu)震害。北部灣盆地是我國華南地區(qū)地震最活躍的地區(qū)之一, 不僅受到近場短周期地震動的影響, 還易受到遠場長周期地震動的影響。北部灣吹沙填海, 場地含有大面積厚層海底沉積軟土, 會對地震波產(chǎn)生放大效應[1], 并且場地在外界不斷擾動下土層性狀持續(xù)變化, 從而導致場地的卓越周期處于不斷演化狀態(tài)[2-3], 給吹填場地抗震設防帶來嚴重的挑戰(zhàn)。

地震中的許多震害均與場地卓越周期密切相關, 前人對場地卓越周期的影響因素展開了大量的研究, 如場地是否含有軟弱夾層[4]、 地下水位的升降[5-6]、 覆蓋層厚度[7-8]、 地形差異[9]、 基礎形式的應用[10]等。以往的震害研究大都是在近場地震動作用下進行的, 忽略了遠場地震動作用下場地產(chǎn)生共振效應的危害, 且對于吹填場地卓越周期的外界影響因素研究相對較少。

本文以北部灣吹沙型填海場地為背景, 在進行室內(nèi)試驗獲取其土層基本物理力學參數(shù)的基礎上建立ABAQUS二維數(shù)值分析模型, 研究北部灣吹填場地在近、 中、 遠場不同周期不同幅值地震動作用下的卓越周期演化特征, 并探索堆載預壓加固處理對吹填場地卓越周期的影響, 以期為北部灣吹填場地的抗震防災提供參考和依據(jù)。

1 力學參數(shù)的確定

吹填場地土層的基本參數(shù)如表1所示。由于外界因素的影響, 場地海積軟土與吹填砂土的土層性狀不斷變化, 其力學參數(shù)也處于持續(xù)變化的過程中。為了獲取其物理力學參數(shù), 課題組研制了一套浸泡-加載聯(lián)動試驗裝置(圖1)[11]。該裝置利用杠桿原理, 將施加在杠桿端部的砝碼通過樣品頂部與杠桿相連的剛性活塞轉(zhuǎn)換成面荷載施加于試樣上方, 使試樣固結(jié)。該裝置側(cè)向位移受限, 豎向位移可變, 實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)與無擾動施加, 側(cè)面設置密集小孔, 使試樣在固結(jié)過程中可與浸泡桶內(nèi)的海水自由進行離子交換, 以模擬海水環(huán)境和固結(jié)排水過程。試驗土取自廣西北部灣某吹填場地的海積軟土和吹填砂土, 并采集了該場地所處海域的海水作為室內(nèi)試驗材料。

表1 場地土層的物理力學參數(shù)

圖1 浸泡-加載聯(lián)動試驗裝置Fig.1 Test device of soak-load linkage

以100、 200、 300 kPa三個等級荷載作用于上部豎向放置百分表的試樣上, 監(jiān)測試樣固結(jié)過程中的沉降變形量, 當試樣加載后百分表讀數(shù)變化小于0.01 mm/d開始讀數(shù)。在浸泡-加載聯(lián)動試驗的基礎上, 根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999), 通過室內(nèi)試驗獲取在預壓加載作用下海積軟土土層的物理力學參數(shù)(表2), 在不同相對密實度下吹填砂土土層的物理力學參數(shù)(表3)。

表2 海積軟土物理力學參數(shù)

表3 吹填砂土物理力學參數(shù)

2 模型建立

北部灣吹填場地形式十分復雜, 為了方便建模, 將場地土層看成水平層狀結(jié)構(gòu)體, 假設各層之間緊密連接, 應力與位移相互協(xié)調(diào), 同一層土的性質(zhì)相同, 地下水位對場地的影響用經(jīng)折減的方法考慮[12], 不考慮砂土液化和水土耦合作用, 場地計算剖面土層參數(shù)見表1, 其中吹填砂土層厚度取5.0 m, 海積軟土層厚度取10.0 m, 中風化巖層為底部基巖層, 其剪切波速為543.0 m/s, 覆蓋層厚度按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2011)取值。

針對表2、 3不同的工況組合, 建立ABAQUS二維數(shù)值模型, 本構(gòu)模型選取Drucker-Prager模型, 運用Rayleigh Damping進行解耦分析, 采用粘彈性人工邊界(圖2)條件, 并運用相應的地震動輸入方法[13], 在對邊界條件和地震動輸入方法進行精度驗證[3, 13]達標后, 將選取的地震動由模型底邊垂直入射, 監(jiān)測模型頂部中心的加速度時程并將其轉(zhuǎn)化為反應譜幅值與周期之間的關系, 讀取反應譜峰值對應的周期作為模型場地的卓越周期。

圖2 粘彈性人工邊界示意圖Fig.2 Viscoelastic artificial boundary diagram

北部灣地區(qū)缺乏地震記錄臺站,歷史上雖發(fā)生過多次地震但均無記錄,本文選取3條汶川地震基巖臺站實際強震動記錄,即四川茂縣臺站、松潘臺站和湖北恩施臺站記錄。茂縣波中有大量高頻部分,屬于近場地震波; 松潘波屬于中場地震波; 恩施波中有大量低頻部分, 屬于遠場地震波。部分處理后的地震動加速度時程曲線和傅里葉譜如圖3、 4所示。

圖3 基巖輸入地震動加速度時程曲線Fig.3 Time history curves of bedrock input ground motion acceleration

圖4 基巖輸入地震動傅里葉譜Fig.4 Fourier spectrums of bedrock input ground motion

廣西北部灣吹填地區(qū)設計基本地震加速度峰值為0.05g, 由于北部灣吹填場地內(nèi)存在重點設防類工業(yè)建筑, 因此本文將對輸入地震動幅值進行3個等級(0.05g、 0.10g、 0.20g)的研究。

3 不同周期成分地震動作用下吹填場地卓越周期演化特征分析

茂縣波、 松潘波、 恩施波構(gòu)成了近、 中、 遠場且周期成分不同的地震動, 選擇持時為30 s, 幅值為0.10g的地震動作為輸入地震動作用于吹填場地上, 海積軟土層力學參數(shù)取自表2中A1所對應的數(shù)值, 吹填砂土層力學參數(shù)取自表3中的B1所對應的數(shù)值, 模型建立按第2節(jié)所述設置, 計算分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同周期成分地震動作用場地反應相關成果Fig.5 Field reaction related results of ground motions with different periodic components

在近、 中、 遠場不同周期成分地震動作用下, 加速度反應譜峰值均被放大, 加速度反應譜峰值放大倍數(shù)也依次增長, 分別為1.091、 1.891、 1.915, 表明吹填場地對近、 中、 遠場地震動均具有放大效應, 且在遠場地震動作用下放大效果最為明顯。其原因是含有大量低頻成分的遠場長周期地震動與場地海積軟土層產(chǎn)生了共振效應, 導致在長周期地震動作用下, 加速度反應譜峰值放大了近兩倍。

在近、 中場不同周期成分地震動作用下, 加速度反應譜短周期部分對應的幅值均被衰減, 而在遠場地震動作用下反而增大; 加速度反應譜長周期部分對應的幅值在不同地震動作用下均被放大, 在周期為0.7～2.0 s段較為顯著, 表明吹填場地對地震波的放大和衰減作用具有明顯的選擇性, 對短周期地震動高頻部分具有衰減作用, 對長周期地震動低頻部分具有放大作用。在近、 中、 遠不同周期成分地震動作用下, 場地卓越周期均向長周期方向偏移, 偏移量分別為188.89%、 75.00%、 15.38%, 其中場地卓越周期在遠場長周期地震動下偏移量最小, 表明吹填場地更易與遠場長周期地震動產(chǎn)生共振效應, 從而加大震害。

4 不同幅值地震動作用下吹填場地卓越周期演化特征分析

將持時為30 s、 幅值分別為0.05g、 0.10g、 0.20g的茂縣地震動作為輸入地震動，海積軟土層和吹填砂土層力學參數(shù)分別為表2中A1和表3中B1所對應的數(shù)值，模型建立按第2節(jié)所述設置，計算分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同幅值地震動作用場地加速度反應譜Fig.6 Site acceleration response spectrums of different amplitude ground motion

隨著輸入地震動幅值增大，加速度反應譜峰值呈增加的趨勢，加速度反應譜峰值放大倍數(shù)呈減小的趨勢，依次為1.364、 1.091、 1.056，其原因是輸入地震動的幅值增加導致土層變形增大、吸收能量增強[14]，從而使加速度反應譜峰值放大倍數(shù)逐漸減小。

當幅值為0.05g時, 場地卓越周期向長周期方向偏移了0.22 s, 場地對輸入地震動短周期高頻部分具有衰減效應, 范圍為0.04～0.20 s, 而對長周期低頻部分具有增大效應, 范圍為0.70～1.65、 1.80～2.2 s。當幅值為0.10g時, 場地卓越周期向長周期方向偏移了0.32 s, 相對于幅值為0.05g時, 場地卓越周期向長周期方向偏移量更大, 場地對輸入地震動短周期高頻部分衰減作用更加明顯、 范圍更廣(0.04～0.38 s), 對輸入地震動長周期低頻部分放大程度更加明顯, 但被放大范圍較為一致。當幅值為0.20g時, 場地卓越周期也向長周期方向偏移了0.32 s, 與幅值為0.10g地震動相比, 雖然卓越周期偏移量相同, 但場地對輸入地震動短周期高頻部分的衰減效應和對長周期低頻部分的放大效應更加顯著。

5 不同預壓荷載下吹填場地卓越周期演化特征分析

根據(jù)北部灣吹填場地地基處理對軟土層的影響實例[15]，選擇加固影響深度為15.0 m范圍內(nèi)的土層，其中海積軟土土層厚度為10.0 m，吹填砂土土層厚度為5.0 m，其物理力學參數(shù)見表2、 3。輸入地震動持時為30.0 s、 幅值為0.10g的松潘波，模型建立第2節(jié)所述設置，計算分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同工況下場地地表中心加速度反應譜Fig.7 Response spectrums of ground surface central acceleration under different working conditions

隨著堆載預壓加固處理程度增加, 加速度反應譜峰值(6.520、 6.150、 5.039、 4.568 m/s2)依次減小, 表明堆載預壓加固處理能夠減弱震害。堆載預壓荷載從0～300 kPa, 場地卓越周期依次為0.90、 0.84、 0.84、 0.80 s, 均向長周期方向發(fā)生了偏移, 偏移量分別為0.42、 0.36、 0.36、 0.32 s。堆載預壓加固處理場地與未處理場地相比, 場地卓越周期分別向短周期偏移了0.06、 0.06、 0.10 s, 堆載預壓200 kPa相對于堆載預壓100 kPa, 雖然場地卓越周期與其偏移量大小相同, 但在輸入地震動峰值周期(48 s)時, 200 kPa對應的加速度反應譜幅值更大; 隨著堆載預壓加固荷載的增大, 短周期對應的反應譜幅值不斷增大, 表明隨著堆載預壓加固荷載增大, 吹填場地對輸入地震動短周期高頻部分抑制作用減弱, 場地卓越周期有逐漸向短周期方向偏移的趨勢。隨著加固程度加大, 大于各場地卓越周期段, 長周期對應的加速度反應譜幅值逐漸減小, 表明在堆載預壓加固處理作用下, 場地對輸入地震動長周期高頻部分放大作用減弱, 從而有效減弱遠場長周期地震動作用對場地的動力響應。

隨著加固程度增大, 根據(jù)《地震區(qū)工程選址手冊》可知, 吹填場地逐漸由Ⅳ類場地(卓越周期>0.8 s)向Ⅲ類場地(卓越周期為0.4～0.8 s)過渡。當堆載預壓為300 kPa, 吹填場地砂土層相對密實度達到90.0%時, 場地卓越周期變?yōu)?.8 s, 吹填場地成為Ⅲ類場地。

6 結(jié) 論

(1)在近、 中、 遠場不同周期成分地震動作用下, 北部灣吹填場地對短周期地震動高頻部分具有衰減作用, 對長周期地震動低頻部分具有放大作用, 在周期為0.7～2.0 s段較為明顯, 且其卓越周期均向長周期方向偏移。遠場長周期地震動有大量的低頻成分, 在遠場長周期地震動作用下, 加速度反應譜峰值放大了近兩倍, 場地卓越周期相對偏移量最小, 場地易產(chǎn)生共振效應, 增大地震災害。在抗震設防時, 北部灣吹填場地要著重考慮遠場長周期地震動作用下的動力響應。

(2)隨著輸入地震動幅值增大, 吹填場地對其高頻成分抑制效果增強, 范圍變廣, 對其低頻成分放大顯著, 范圍相對一致, 吹填場地卓越周期具有向長周期方向演化的趨勢。

(3)堆載預壓加固處理能使加速度反應譜長周期部分幅值、 加速度反應譜峰值有效衰減, 從而使場地地震動響應減弱, 尤其是場地在遠場長周期地震動作用下的動力響應。隨堆載預壓加固程度增大, 吹填場地卓越周期逐漸向短周期方向演化, 堆載預壓加固達到一定程度時, 場地卓越周期由0.9 s變?yōu)?.8 s, 吹填場地由Ⅳ類場地變?yōu)棰箢悎龅亍?/p>