唐儉政 張 齊 黃穎婷 崔如玉 彭 剛

(1.防災減災湖北省重點實驗室(三峽大學), 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌443002)

我國地震區(qū)域廣闊而分散,地震發(fā)生的場地類型多樣而復雜[1].根據海內外學者對眾多地震區(qū)域震后情況的統計研究發(fā)現,地震區(qū)域的場地條件對地震引起的破壞類型和程度有重要影響[2].而普遍存在于各類地形地貌中具有較小的剪切模量和較大變形能力的軟弱夾層會使得場地的基本自然周期延長,且通過夾層后的地震波頻譜特征也會發(fā)生改變,在特殊情況下可能與上部結構形成“共振”效應,從而使得場地和上部結構產生異常的破壞,如在地震作用下的邊坡場地由于存在軟弱夾層導致穩(wěn)定性不足而引起的滑坡、泥石流災害等;地下巖石場地中存在較脆巖層導致局部強度不足而引起的土地開裂等;地基場地或路基下存在較軟弱夾層導致承載力過小和變形不均勻引起的不均勻沉降等[3].

正常狀態(tài)下,場地土層具有連續(xù)性和穩(wěn)定性,軟弱夾層不會輕易引起場地及結構的失穩(wěn)與破壞,而在動力作用時,相對于建立在巖石或硬土上的結構,建立在軟土場地上的結構則會發(fā)生較大、較快的破壞.這是由于軟弱夾層在較小的外力作用下也會有較大的土壤變形,從而引起場地失穩(wěn)和上層結構破壞,如肖景文等[4-5]對含軟弱夾層的場地上路堤橋臺的地震響應進行了研究,發(fā)現離軟弱夾層越近的路堤沉降和位移產生更加快速和顯著.以往研究還表明,場地中的軟弱夾層對地震波在場地中具有減小加速度和消耗能量的作用,會使地震波傳輸到地表的能量減小,從而減小傳輸到地表的地震對上部結構的破壞與影響[6-7],如溫衛(wèi)平等[8]通過數值模型分析了含軟弱夾層的子盆地和小山包的地震響應特征和PGA 變化規(guī)律,發(fā)現軟弱夾層的存在使得盆地地表PGA 減小.此外軟弱夾層對地震動特征、場地以及上部結構也有所影響,如Villalobos M 等[9]通過對日本軟土實地的地震動響應分析與研究計算指出:軟土在地震作用下會使得加速度的頻譜在軟弱場地自然頻率附近出現放大;張日新[10],曹均鋒等[11]使用等效線性化方法對含不同特征的軟弱夾層場地和上部高層建筑結構進行了地震響應對比研究,發(fā)現不同厚度和埋深的軟弱夾層影響了地表和上部建筑結構的動力響應;王沖等[12]采用數值模擬的方式研究了軟弱夾層對場地中加速度傳遞以及場地特征周期的影響;閆孔明[13-14],左熹[15],曹杰等[16]采用離心振動臺試驗,研究了軟弱夾層對加速度放大效應、頻譜特征、土體受力與位移的影響;楊乾等[17]基于ADINA 分析了不同特征量的軟弱夾層對場地中的管道地震動響應的影響;劉漢香等[18]通過施加不同激振強度的地震動對含不同相對高程、不同厚度以及不同傾角軟弱夾層的斜坡模型的振動臺試驗,分析研究了這三類夾層特征對邊坡的地震響應及破壞形式的影響.

綜上所述,目前針對軟弱夾層場地地震反應研究成果主要側重于對地表地震響應特征的比較和基于經驗數據的場地放大效應模型構建.而從土體剪切應變變化規(guī)律的角度分析軟弱夾層對場地地震響應特性和場地放大效應的影響規(guī)律和機理的研究尚不充分.因此,本文通過計算不同地震工況下的含軟弱夾層場地地表響應,分析了軟弱夾層對地震動頻譜特性和場地放大的影響規(guī)律,并根據土層應變計算結果研究了土體的剪切模量和阻尼變化,從軟弱夾層對地震波能量耗散和吸收作用的角度對上述規(guī)律進行了解釋.揭示了不同工況下軟弱夾層對場地地震響應的影響規(guī)律,探明軟弱夾層對場地地震響應的影響機理,為地震災害的預測、防范和減災提供了理論參考.

1 計算模型

1.1 研究方法及場地模型

一維場地響應分析被用來解決水平剪切波(SH波)在水平分層土壤中的垂直傳播問題,波傳播方程的解決過程是在頻域中進行的.在計算模型中水平土層的行為被近似為Kelvin-Voigt固體,其中彈性剪切模量和黏性阻尼是土壤的屬性特征[19].一維模型的等效線性化研究方法無需考慮土層間的接觸關系和場地邊界條件的設置,且其原理是在總動力學效應上通過等效意義下的剪切模量和阻尼比代替非線性變化下的所有不同應變幅值下的剪切模量和阻尼比,將非線性問題轉化為線性問題進行計算[20].此方法方便快捷,能夠極大地節(jié)省計算時間,并能得出相對準確合理的結果,如Shylamoni P 等[21]使用等效線性化方法對日本柏崎刈羽核電站進行了一維等效線性地震反應分析,結果表明等效線性化的計算結果與現場的大多數余震記錄值有很好的一致性.

本文對地震波在場地中的傳播的模擬是用一維場地分析程序EERA[22]進行的,它是為了模擬地震在地下土壤中的傳播而開發(fā)的,采用修正的Hardin-Drnevich模型,并具有等效線性分析的特點.首先基于動剪切模量曲線(G/G0-γ)和動態(tài)阻尼曲線(ζγ)來進行土壤的剪切模量和阻尼參數賦予,淤泥質土(軟弱夾層)的兩種模量曲線如圖1所示.

圖1 動剪切模量曲線與動態(tài)阻尼曲線

基本場地模型是運用計算軟件EERA 所構建的深度為78 m 的含2 m 軟弱夾層的一維基礎場地模型,默認場地下部為堅硬基巖,基巖剪切波速為1 000 m/s,滿足我國規(guī)范規(guī)定[23]巖石層剪切波速大于500 m/s的要求.巖層上總共由9種土質組成,動剪切模量以及阻尼參考袁曉銘[24-25],Sun J I和Seed H B等[26]研究所得出結果進行選用,場地土層結構及剪切波速如圖2所示,基本場地內土層結構屬性見表1.

表1 場地土層結構參數表

圖2 土層結構及剪切波速

1.2 地震動輸入與計算

場地模型可能經受的以及各類實際場地可能遇見的各種地下運動是場地預測分析的主要未知數,運動的幅值、總時長、震動頻率、震源位置以及運動路徑等都對場地以及地面結構的運動和破壞有影響.由于地震本身的偶然性且部分未知參數不能準確確定,本文所進行的研究為滿足地下基巖地震動輸入的合理性,依據基巖剪切波速(1 000 m/s)和基巖深度(78 m)從Kki-net地震記錄數據庫中選取符合基本條件的3種不同地震波,編號分別記為A 波、B 波和C 波.為在滿足計算需求的前提下節(jié)省計算時間,截取地震波主要部分,截取地震動與原始地震動速度時程部分見下圖,時長均為40 s,截取地震加速度與原始地震加速度基本一致.計算其傅里葉頻譜觀察地震波頻譜特征.選用的地震波加速度時程曲線以及傅里葉譜曲線如圖3～5所示.

圖3 A 波加速度時程和Fourier幅值譜

圖4 B波加速度時程和Fourier幅值譜

圖5 C波加速度時程和Fourier幅值譜

此次數值模擬計算了基巖處輸入地震動幅值變化時的場地地震響應.記錄場地地表和軟弱夾層上下位置處的加速度時程并計算了其傅里葉譜,之后進行場地地震響應對比以分析軟弱夾層對場地的地震響應影響,此過程通過與基巖處的PGA 進行對比計算放大系數k以及對應的Fourier譜值比r來進行說明,計算過程如下.

式中:PGAsurface是地表處的加速度峰值;PGAinput是基巖處的輸入加速度峰值;Fsurface是地表加速度的Fourier譜值;Finput是基巖輸入加速度的Fourier譜值.

2 計算結果分析討論

2.1 基巖輸入對軟弱夾層場地放大的影響

觀察基巖輸入PGA 從0.05g到0.5g的3種地震波在含有軟弱夾層和不含軟弱夾層的基巖上場地時地表的PGA 放大系數k=PGAsurface/PGAinput變化,如圖6～7所示.

圖6 無軟弱夾層場地地表PGA 放大系數隨輸入地震強度變化曲線

從圖6可看出,當場地中未含有軟弱夾層時,地表的PGA 放大系數是普遍大于1的,意味著地震波穿過場地后到達地表的地震動增大.而圖7中含有軟弱夾層的場地地表PGA 放大系數明顯小于圖6中的數值,且在輸入地震PGA 大于0.1g時系數是小于1的.可得出結論:軟弱夾層的存在使得地表加速度明顯減小,在經受較大地震強度時,地表加速度的幅值小于輸入地震動,這與曹均鋒等[11]的研究結論相似.

圖7 含2 m 軟弱夾層場地地表PGA 放大系數隨輸入地震強度變化曲線

2.2 軟弱夾層對地震頻譜的影響

場地中不同的土層結構決定不同的土層性質,在動力計算中通常以場地基本自然周期和自然頻率來表達.對于層狀土,當基巖上的均勻土壤覆蓋層具有恒定的剪切波速度時,場地的基本自然周期T n可定義為:

式中;H是高度;Vs是基巖上等效剪切波速度.

對于由明顯不同土壤性質的若干土層組成的場地覆蓋層,通常用覆蓋層的等效剪切波速度Vs來計算整個沉積物的基本周期.則m層的場地等效剪切波速度可用式(4)計算:

式中:h i是第i層的均勻厚度;(Vs)i是第i層剪切波速度.

通過公式(3)、(4)聯立,可計算出場地剖面的基本自然周期,基本自然頻率被計算為基本自然周期的倒數.基于上述描述,表1中所描述的基本場地的基本自然周期和頻率分別被評估為0.925 s和1 Hz.

場地有其基本頻率,而頻譜是波在單自由度(SDOF)系統中與自然頻率(或自然周期)和阻尼比的函數,是描述SDOF系統對特定輸入運動的最大響應[27].因此可通過對基巖與地表的頻率譜值比曲線進行分析來討論這上述地表加速度出現減小的原因.

在通常情況下,地震波在土壤中的傳播的過程中會使地震波出現一些頻段波的變化,這種變化可能是由于某種土質影響的,且高于土層或場地自然頻率的波會使得部分土體在場地中產生移動[28].因此為探明場地中的土體對不同頻率的波的敏感性而對在0.1g、0.2g、0.3g輸入激振強度作用下不同地震波作用在表1基本場地時的傅里葉幅值比曲線來進行響應分析,如圖8～9所示.

圖8 0.1g、0.2g、0.3g 地震輸入下無軟弱夾層場地的地表與基巖的傅里葉譜值比

從圖8、9對比看出,地震波在場地基本頻率附近的頻段波均被放大了,相比于無軟弱夾層的場地地表的加速度頻譜,軟弱夾層的存在使得高頻波段大幅度減小,而部分頻率波段無論是否存在軟弱夾層變化均較小,譜值比也較為穩(wěn)定,這可能是因為此場地對個別頻率的波段不敏感造成的.總的來說能得出這一相關結論:場地的自然屬性對地震響應有所影響,使得地震波在場地中作用時接近場地自然振動頻率的波段成分會增大,而軟弱夾層的存在使得地震波中的高頻成分極大的減少,能夠達到消減傳輸到地表地震波的能量的作用,而最終使得到達地表的加速度減小.

2.3 軟弱夾層場地效應機理分析

除頻譜的變化外,軟弱夾層處的PGA 和剪切應變也發(fā)生了較大變化,如圖10～11所示.

在地震波經過軟弱夾層后,加速度明顯變小,軟弱夾層中的發(fā)生的剪應變遠大于鄰近正常土層中的剪應變,這一不和諧的應變現象和劉[29]和Villalobos M 等[9]的對軟土層的研究結果相似,軟弱夾層在較小地震作用下都產生了與其他土層相比不和諧的剪切應變.

由應力-應變滯回理論,土體耗散的能量隨阻尼和應變的變化曲線可以用公式(5)中來表達.

式中:WD為耗散的能量;ξ為阻尼;γc為應變量.

這意味著土壤變形增大消耗了地震波的能量從而使得穿過軟弱夾層之后的地震PGA 變小,是符合基本力學理論的.因此可以得出結論:軟弱夾層應變增大的過程中地震的加速度減小,認為軟弱夾層的變形有消耗地震能量的作用,但土壤的變形增大,可能導致場地的位移和應變增大,因此這可能對工程結構造成嚴重破壞,應著重注意.

從圖10～11可以看出,另外一個較為明顯的特征是,雖然地震波B的輸入PGA 和A 波,C波一樣,但是其在軟弱夾層下部的地震PGA 明顯小于A 波和C波,引起的軟弱夾層的剪切應變量也明顯小于A波和C波,觀察軟弱夾層上下處的3種地震波的頻譜圖發(fā)現,B波的10 Hz附近的頻段成分較多,而通過圖8、圖9發(fā)現場地對此頻率附近的波段不敏感,因此導致B波在土層中引起的加速度響應變化和軟弱夾層剪切應變都較小.

圖9 0.1g、0.2g、0.3g 地震輸入下含軟弱夾層場地的地表與基巖傅里葉譜值比

圖10 0.1g、0.2g、0.3g 地震輸入下的各土層表面PGA

圖11 0.1g、0.2g、0.3g 地震輸入下各土層最大剪切應變

圖12 應力-應變滯回曲線

根據上述研究結果,軟弱夾層土具有相當程度的消耗地震能量的作用和較大的壓縮性,相對較低的運動強度(0.1g)也使得土體產生了相對此場地其他土體來說相當大的剪切應變.與具有較大阻抗比的土壤相比,軟弱土質產生的剪應變相對較大,剪切模量與阻尼比變化也較明顯,如圖13所示.其產生較大變形和消減高頻波的性質是與其剪切模量減小和阻尼比增大有關的.

圖13 0.1g 地震輸入下的土層動剪切模量與阻尼比變化

基于上述分析結果以及其他學者的一些研究結論,可以了解到,雖然等效線性化計算軟件(如EERA、SHAKE等)進行的一維線性地面響應分析被廣泛用于描述地面響應的特征.然而,等效線性響應分析是一種保守的方法,因為它僅是在線性框架內接近非線性行為,而不能準確描述非線性土體的應力-應變關系[30].且其主要限制是在整個一維場地分析過程中使用了保持了相對恒定的阻尼和線性剪切模量,而未能體現實際動力運動中不同土體之間的具體非線性變化,因此等效線性地面響應分析會導致對軟土層的峰值加速度和場地應變的高估.考慮到使用地震加速度時程在軟土層處造成的較大剪切應變,且為降低這種不和諧的剪切應變,本文建議使用位移時程或力時程而不是加速度時程來施加作用可能更好的表現軟弱夾層的應力應變響應,而此種操作超出了EERA 的適用范圍,因此可以考慮運用其他程序來進行相關計算,本文僅說明軟弱夾層對場地的地震響應的影響分析,不做后續(xù)研究分析.此外,等效線性地面響應分析可能會受到巖土工程現場條件的高度影響[31],對巖土工程條件的描述程度能夠很大程度上影響計算的可靠性,且?guī)r土工程場地土質屬性的不時變化也會導致結果的顯著變化[32],因此場地條件和土層屬性的準確描述也至關重要.

3 結 論

通過上述分析,可以得出以下相關結論:

1)相比于無軟弱夾層的場地,軟弱夾層的存在使得地表PGA 顯著減小,當輸入地震PGA 大于0.1g時,軟弱夾層使得地表PGA 放大系數小于1;并且軟弱夾層在相對較低的地震強度(0.1g)作用下軟土層就足以產生相對較大的剪切應變.

2)由于場地自然屬性的原因,地震動在場地傳遞過程中場地自然振動頻率附近的波段會明顯增大,但地震動經過軟弱夾層后其高頻段的能量被減少,所以認為軟弱夾層在場地中具有相當程度的濾波耗能作用.

3)根據剪切模量與應變變化的關系,軟弱夾層的剪切模量變小是導致軟弱土產生較大剪切應變的主要原因,并伴隨著軟弱夾層阻尼比的增大,而土層這種較大的土壤應變和較大阻尼則是軟弱夾層消耗地震能量的主要原因.

4)考慮到軟土層在較小的地震加速度時程作用下會出現的較大的不和諧剪切應變,建議使用位移或力時程來進行分析,這對軟弱夾層地震響應分析可能會有更好的效果.