西昌市海河沿岸場(chǎng)地地震動(dòng)分析

金 喆，李世龍，張大龍，凌 佩

(河北工程大學(xué)河北省資源勘測(cè)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室河北邯鄲056038)

場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的合理確定是工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)的一個(gè)重要組成部分，關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的安全性。陳國(guó)興［1］對(duì)南京河西地區(qū)軟土場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的確定進(jìn)行了研究，呂悅軍［2］討論了煙臺(tái)海岸軟土場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響。本文采用一維土層等效線性化的方法對(duì)西昌市海河沿岸軟土場(chǎng)地進(jìn)行地震動(dòng)效應(yīng)的討論分析。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

西昌市海河沿岸地區(qū)第四系覆蓋層厚度60 m左右，部分地段或深或淺，且基本上為全新世(Q4)沉積土，下部為沖積相，上部為沖積相夾漫灘相、沼澤相，主要為淤泥質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、礫砂石等，屬軟土場(chǎng)地。而第四紀(jì)覆蓋沉積層對(duì)地震波起過(guò)濾作用，為抗震不利地段。

2 場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的計(jì)算

2.1 場(chǎng)地基巖地震動(dòng)的輸入

該場(chǎng)地的基巖輸入地震動(dòng)是根據(jù)地震危險(xiǎn)性綜合概率方法得到的［3］。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年的不同超越概率水平的基巖水平加速度峰值和反應(yīng)譜，采用強(qiáng)度非平穩(wěn)隨機(jī)地震動(dòng)數(shù)學(xué)模型，合成了具有場(chǎng)地地震動(dòng)特征的基巖輸入地震動(dòng)。

表1各鉆孔在不同概率水平下的平均加速度峰值和平均速度峰值Tab.1 Average peak acceleration and average speed peak of drilling in different probability levels cm/s2

表2特征周期的對(duì)比Tab.2 Comparison of characteristic periods

2.2 峰值加速度與峰值速度的計(jì)算

一維土層地震反應(yīng)分析程序是目前工程上常用的等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法，等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法是在頻域線性波動(dòng)分析方法的基礎(chǔ)上利用等效線性化手段來(lái)計(jì)算分析土層地震反應(yīng)的方法［4］。當(dāng)強(qiáng)烈地震波穿過(guò)土層時(shí)，一般認(rèn)為土壤具有非線性，盡管土的非線性本構(gòu)問(wèn)題至今沒(méi)有圓滿解決，但理論上可將土層地震反應(yīng)問(wèn)題采用等效線性化的辦法加以解決［5］。表1為21個(gè)鉆孔點(diǎn)在不同超越概率63%、10%和3%的平均峰值加速度和峰值速度。

2.3 特征周期與平臺(tái)值的確定

特征周期在地震影響系數(shù)曲線中，是水平段與下降段交點(diǎn)的橫坐標(biāo)，反應(yīng)了地震震級(jí)、震源機(jī)制(包括震源深度)和震中距等方面的影響，同時(shí)也反映了場(chǎng)地的特性［6］。在抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［7］中，設(shè)計(jì)特征周期 與場(chǎng)地類別有關(guān)，場(chǎng)地類別越高，越大，地震影響系數(shù)的平臺(tái)越寬［8］。

對(duì)于特征周期的確定常用方法有中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃編制報(bào)告上對(duì)特征周期的求法［9］，美國(guó)FEMA － 450(2003)［10］法和概率法(97%)［11］，根據(jù)這三種方法求得的特征周期平均值見(jiàn)表2。

表3各超越概率下的平臺(tái)值與特征周期Tab.3 Platform values and characteristic periods of different exceeding probability

中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃編制報(bào)告上特征周期的求法與概率法(97%)所得數(shù)據(jù)更符合我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［7］，所以本文的特征周期選取二者的平均值。而平臺(tái)值的確定，本文選取各標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜在一定范圍內(nèi)，特征周期包含各值的平均值，見(jiàn)表3。

2.4 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的計(jì)算

該工程場(chǎng)地屬于濱海地區(qū)，淤泥層分布非常廣泛，土層的含水量、密度、軟硬程度等相差較大，尤其是軟土層的厚度相差甚多。對(duì)于大多數(shù)軟土層分布相對(duì)不是很厚的鉆孔點(diǎn)(2#、4#、5#)來(lái)說(shuō)，加速度反應(yīng)譜表現(xiàn)出的總體趨勢(shì)大體一致;對(duì)于個(gè)別軟土層厚度相對(duì)較大的鉆孔點(diǎn)(3#、16#、17#)，加速度反應(yīng)譜表現(xiàn)出來(lái)的形勢(shì)與其它點(diǎn)差異很大。

設(shè)計(jì)反應(yīng)譜不能直接用單個(gè)地震動(dòng)記錄的反應(yīng)譜，一般采取一組反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)平均值。而我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，需要使用歸一化的動(dòng)力放大系數(shù)譜，進(jìn)而得到設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，所以這里將加速度反應(yīng)譜歸一化，給出無(wú)量綱的動(dòng)力放大系數(shù)譜［7］:

式中:β(T)－動(dòng)力放大系數(shù)，亦稱標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜;Sa(T)－地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜;a－地震動(dòng)峰值加速度。各超越概率下的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜見(jiàn)圖1。

我國(guó)現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011－2001)》給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，用地震影響系數(shù)曲線表示。地震影響系數(shù)公式如下:

式中:κ－地震系數(shù);g－為重力加速度。

地震影響系數(shù)a(T)曲線，它由四段組成:

①直線上升段:自振周期小于0.1s的區(qū)段為直線上升段，表示為［0.45+10(η2－0.45)T］amax;

②水平段:周期自0.1s至特征周期Tg區(qū)段為水平段，應(yīng)取最大值η2amax;

③曲線下降段:自特征周期Tg至5倍特征周期Tg區(qū)段為曲線下降段，衰減指數(shù)為0.9，表示為

④直線下降段:自5倍特征周期Tg至6.0s區(qū)段為直線下降段，表達(dá)式為［η20.2γ－η1(T－5Tg)］amax。

式中，amax－地震動(dòng)影響系數(shù)最大值;η2－結(jié)構(gòu)阻尼調(diào)整系數(shù)。

將特征周期和平臺(tái)值代入地震影響系數(shù)a(T)的四段曲線中，得到圖2所示的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。此結(jié)果可作為海河沿岸地區(qū)工程抗震設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 軟土場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)峰值加速度的影響

地震時(shí)工程場(chǎng)地的地震動(dòng)特征與場(chǎng)地上覆土層有很大關(guān)系，地震波由下部基巖傳到土層后，經(jīng)土層的濾波、放大作用，特定頻率范圍內(nèi)的地震動(dòng)將會(huì)得到增強(qiáng)［12－13］。

由于該工程場(chǎng)地松軟砂層和淤泥層的普遍存在，地面土層地震反應(yīng)的加速度峰值和速度峰值都很低，其中 3#、16#、17#和 18#的加速度峰值和速度峰值明顯低于其他各鉆孔點(diǎn)，因?yàn)槠渫翆咏Y(jié)構(gòu)都以淤泥質(zhì)粉土、粉土、粉質(zhì)粘土為主，3#的軟土層在50 m左右，16#和17#的軟土層在65 m左右，而18#的軟土層甚至高達(dá)70 m。這些軟土沉積層厚度相對(duì)較大，當(dāng)深部傳來(lái)的剪切波速通過(guò)它向地面?zhèn)鞑r(shí)就會(huì)發(fā)生多次反射，波的疊加而增強(qiáng)，使長(zhǎng)周期的波尤為卓越［14－15］。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ恼饎?dòng)周期與地表巖石土體的自振周期相同時(shí)，由于共振作用而使地表振動(dòng)加強(qiáng)［16］，所以有時(shí)即使是較小的基巖地震動(dòng)，在經(jīng)過(guò)厚的沉積層到達(dá)地面后，也可以使自振周期較長(zhǎng)的高層建筑物遭受極大的破壞。

3.2 軟土場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)反應(yīng)譜的影響

反應(yīng)譜的形狀十分重要，其“胖瘦”與特征周期(即拐點(diǎn)周期)有關(guān)。同時(shí)地表(或近地表)的地震動(dòng)又是震源經(jīng)介質(zhì)(包括巖石、土層)衰減傳播而至［17］。

西昌市海河沿岸場(chǎng)地在各超越概率下的加速度反應(yīng)譜頻帶都很寬，特別是在超越概率水平較小、基巖地震動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，這是由于該地區(qū)的軟土層分布很廣泛且各控制點(diǎn)都具有一定厚度的軟土層。當(dāng)超越概率較小，輸入的基巖地震動(dòng)較大時(shí)，可清楚地看出其反應(yīng)譜要比超越概率較大，輸入的基巖地震動(dòng)較小時(shí)的反應(yīng)譜寬。但是不同的厚度對(duì)加速度反應(yīng)譜的影響也不同，同一超越概率下，軟土層厚度相對(duì)較小的9#，反應(yīng)譜頻帶的寬度明顯小于軟土層厚度相對(duì)較大的16#和17#。這主要是由于土層的非線性特征所引起的，例如3#、16#、17#的反應(yīng)譜明顯不同于其他控制點(diǎn)，因?yàn)樘卣鼽c(diǎn)的地層都屬于松軟地層，其含水量豐富、壓縮性高、密度相對(duì)較小，這些因素都影響土的非線性。

當(dāng)計(jì)算控制點(diǎn)位于富水地區(qū)，一般土層較軟，其剪切波速較低，土層地震反應(yīng)結(jié)果顯示地面加速度峰值較低、反應(yīng)譜頻帶較寬;當(dāng)計(jì)算控制點(diǎn)位于相對(duì)貧水的地區(qū)如山前地帶，一般土層相對(duì)較硬，其剪切波速較高，土層地震反應(yīng)結(jié)果顯示地面加速度峰值較高、反應(yīng)譜頻帶也相對(duì)較窄。

4 結(jié)論

海河沿岸場(chǎng)地對(duì)基巖地震動(dòng)的影響效果受土層軟硬程度的影響，軟土場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)有明顯的放大作用，但受土層非線性的影響，放大效應(yīng)逐漸減小。場(chǎng)地中個(gè)別地區(qū)上覆土層較厚、土質(zhì)松軟，應(yīng)對(duì)其地震動(dòng)效應(yīng)予以充分重視。

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