地震作用下地裂縫場地地表加速度響應(yīng)的振動臺試驗(yàn)研究

王啟耀，胡志平，王 瑞，羅麗娟

1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2. 長安大學(xué) 地下結(jié)構(gòu)與工程研究所，陜西 西安 710061)

場地地震響應(yīng)分析是地震工程、地學(xué)和土木工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，地震工程學(xué)的研究手段主要有震害調(diào)查、數(shù)值模擬和振動臺模型試驗(yàn)等。在中國地震局工程力學(xué)研究所的帶領(lǐng)下，國內(nèi)許多學(xué)者在斷層場地的地震反應(yīng)分析方面做了大量研究工作，并取得豐碩成果。有研究成果表明，發(fā)震斷層對工程結(jié)構(gòu)的影響需引起充分重視，靠近傾斜發(fā)震斷層附近的場地地震動特征具有上下盤效應(yīng)，并且上下盤效應(yīng)的強(qiáng)弱程度與斷層傾角有關(guān)[1-4]。但是，非發(fā)震斷層對工程結(jié)構(gòu)的影響目前還存在不少爭議，有學(xué)者認(rèn)為雖然非發(fā)震斷層對震害沒有明顯影響，但斷層面和斷層破碎帶對地震動的影響原理還需深入研究[5-7]。也有學(xué)者認(rèn)為斷層和隱伏斷層對場地地面地震動具有放大作用[8-10]。周正華等[11]認(rèn)為斷層具有一定的隔震作用。

從上下盤效應(yīng)來看，曹炳政等[12]認(rèn)為非發(fā)震斷層下盤地表的地震動放大效應(yīng)較大，而上盤地表的地震動放大效應(yīng)相較于下盤明顯降低。楊笑梅等[13]認(rèn)為豎向斷層寬度和填充物的動力特性對裂縫兩側(cè)地表地震反應(yīng)有很明顯影響，且地震響應(yīng)的長周期分量均無明顯放大。王尚旭等[14]通過人工放炮方式模擬震源，針對發(fā)震斷層的地震響應(yīng)規(guī)律開展模型試驗(yàn)研究，但研究成果并不理想。文獻(xiàn)[15，16]認(rèn)為無論地震波垂直入射還是傾斜入射，豎向地裂縫附近的地表地震動特征與無地裂縫的自由場地明顯不同，且隨著距斷裂距離的增加快速衰減。

地裂縫是西安一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，對西安地鐵工程和城市建設(shè)帶來了一定挑戰(zhàn)，雖然國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界圍繞地裂縫緩慢活動對地鐵隧道工程的危害開展許多研究，并取得重要成果[17-20]，但是關(guān)于地震作用下地裂縫場地動力響應(yīng)方面的研究成果還不多。西安地裂縫屬于活動斷層，也是非發(fā)震斷層，加上西安地裂縫場地大多屬于黃土地層，與傳統(tǒng)巖石地層中的斷層相比，巖土物理力學(xué)性質(zhì)差異明顯，鑒于已有研究成果的爭議性和非發(fā)震斷層地震效應(yīng)的復(fù)雜性，地裂縫場地的地震效應(yīng)仍值得深入研究。本文以西安某典型地裂縫場地剖面為研究對象，對地裂縫場地地表的地震響應(yīng)規(guī)律開展室內(nèi)振動臺模型試驗(yàn)研究。

1 模型試驗(yàn)簡介

本振動臺模型試驗(yàn)以西安地鐵2號線體育場站～小寨站區(qū)間隧道穿越的F6及F6′地裂縫段為地層剖面原型，根據(jù)振動臺規(guī)模和地下結(jié)構(gòu)有關(guān)振動臺試驗(yàn)研究成果[21-26]，對本振動臺模型試驗(yàn)進(jìn)行了相似關(guān)系設(shè)計(jì)，相似常數(shù)見表1。

表1 振動臺試驗(yàn)相似常數(shù)

根據(jù)原型地層剖面(圖1)和振動臺試驗(yàn)相似常數(shù)(表1)，可以得到地裂縫場地地層剖面模型。模型土由烘干黃土、橡膠粉、重晶石粉和水拌合而成，各模型土層的物理力學(xué)指標(biāo)由配合比試驗(yàn)確定，見表2。

圖1 地裂縫場地的地層剖面原型(單位：mm)

原型土模型土層號土層名稱重度/(kN·m-3)含水率/%孔隙比液限/%飽和度/%內(nèi)摩擦角/°內(nèi)聚力/kPa壓縮模量Es/MPa土樣編號重度/(kN·m-3)含水率/%內(nèi)摩擦角/°內(nèi)聚力/kPa剪切模量G/MPa壓縮模量Es/MPa彈性模量E/MPa①填土②黃土17.325.50.9331.57524.6426.56A15-B2517.423.3522.494.3718.324.7449.11裂縫內(nèi)土19.027.3717.993.5014.663.7939.29③古土壤18.624.40.78430.18625.3425.89A9-B3018.5724.3220.185.608.854.7923.72裂縫內(nèi)土20.3128.3316.144.487.083.8318.98④黃土19.224.60.7228.89329.9549.27A6-B3019.1524.6021.117.4212.164.1532.33裂縫內(nèi)土21.0926.4016.895.949.733.3225.86

表2中模型土編號“A15-B25”表示橡膠粉干質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，重晶石粉的干質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，其他土樣編號意義類似。由表2可知，原型土與模型土的重度和含水率基本相同，即滿足重度相似常數(shù)Cρ=1，內(nèi)聚力相似常數(shù)Cc基本為7～10，壓縮模量相似常數(shù)CEs基本為1～2。土的彈性模量很難測定，大應(yīng)變條件下土的剪切模量測定也較困難，因此模型土的彈性模量相似要求難于保證。林皋[27]認(rèn)為場地振動臺試驗(yàn)可以適當(dāng)放松彈性恢復(fù)力要求。

圖2 振動臺及剪切型土箱

地層模型施工時(shí)，先采用2 cm厚的木板當(dāng)作地裂縫，以便控制地裂縫的傾角等空間位置，同時(shí)也便于模型土的夯實(shí)填筑，以保證地層模型土的物理力學(xué)指標(biāo)。每填筑15 cm厚的模型土，取出木板，將配制好的裂縫內(nèi)土(表2)填筑其中，形成地裂縫。為探究地裂縫兩側(cè)土體土壓力和加速度響應(yīng)規(guī)律，在地裂縫兩側(cè)、不同深度處分層埋設(shè)加速度計(jì)和土壓力計(jì)，且將加速度計(jì)和土壓力計(jì)分層放置以減小傳感器間的相互影響。為實(shí)測土箱不同高度處的剪切位移和加速度變化規(guī)律，在土箱兩端布設(shè)位移計(jì)和加速度計(jì)，測點(diǎn)平面布置如圖3所示，剖面布置如圖4所示。

圖3 測點(diǎn)平面布置圖(單位：mm)

圖4 測點(diǎn)剖面布置圖(單位：mm)

本試驗(yàn)共布設(shè)4個(gè)位移計(jì)、18個(gè)土壓力計(jì)和31個(gè)加速度計(jì)。

2 地裂縫場地地表加速度放大效應(yīng)

為研究不同地震波激勵下地裂縫場地地表響應(yīng)加速度放大效應(yīng)的差異，根據(jù)場地地層特征，本次試驗(yàn)選擇El Centro波和Taft波作為激勵輸入。

2.1 El Centro波激勵下地表加速度響應(yīng)規(guī)律

輸入El Centro波，分別設(shè)定其峰值加速度為50 gal、100 gal、200 gal、300 gal、400 gal、600 gal和800 gal，并對其進(jìn)行調(diào)幅，形成7種激勵工況，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行激振試驗(yàn)。為了研究模型土表面的加速度放大效應(yīng)，選取埋設(shè)在模型土體表面處的加速度計(jì)A20、A21、A22、A23、A24和A25(A19測點(diǎn)加速度計(jì)失效)共6個(gè)測點(diǎn)的響應(yīng)加速度進(jìn)行分析。

A2測點(diǎn)布設(shè)在模型土箱的基座上，故A2測點(diǎn)加速度計(jì)記錄的數(shù)據(jù)可以作為激勵加速度時(shí)程。輸入峰值加速度為100 gal的El Centro波，得到各測點(diǎn)的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線如圖5～圖11所示。

圖5 A2測點(diǎn)激勵加速度時(shí)程曲線

圖6 A20測點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

圖7 A21測點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

圖8 A22測點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

圖9 A23測點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

圖10 A24測點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

圖11 A25測點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

場地加速度響應(yīng)與加速度激勵密切相關(guān)，為定量描述地裂縫場地地表加速度響應(yīng)隨加速度激勵的變化規(guī)律，本文將地面響應(yīng)加速度峰值與輸入激勵加速度峰值之比定義為響應(yīng)加速度放大系數(shù)K，不同測點(diǎn)j在不同工況i下的響應(yīng)加速度放大系數(shù)Ki,j按式( 1 )計(jì)算。

( 1 )

式中:Ai,jmax表示第j測點(diǎn)在第i種工況下的響應(yīng)加速度峰值；j表示測點(diǎn)號，如本試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鏈y點(diǎn)A20至A25；i表示工況，本試驗(yàn)共設(shè)輸入峰值加速度50 gal至800 gal七種不同工況；Ai0表示在第i種工況下的激勵加速度峰值。

由式( 1 )可以計(jì)算得到模型表面各測點(diǎn)在不同激勵加速度峰值下的響應(yīng)加速放大系數(shù)Ki,j，見表3。

表3 El Centro波不同工況下各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度峰值A(chǔ)max及放大系數(shù)Ki,j

由表3可以看出，在不同峰值加速度El Centro波的激振下，所有測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)均大于1，這說明在該激勵下，地裂縫場地面的響應(yīng)加速度峰值均得到了放大。但是，不同測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)有明顯差異，且這種差異與激勵加速度峰值有關(guān)；相同激勵工況下，A22測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)在多數(shù)情況下最大。

為了直觀描述各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵加速度峰值的變化規(guī)律，根據(jù)表3繪出各測點(diǎn)在El Centro波激振下的加速放大系數(shù)Ki,j變化曲線，如圖12所示。

圖12 El Centro波激勵下各測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)Ki,j

由圖12可以看出，在El Centro波激振下，各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)Ki,j隨激勵峰值加速度的變化規(guī)律基本一致，曲線形態(tài)均呈“z”字形；相同激勵峰值加速度下，不同測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)有明顯差異。激勵峰值加速度從50 gal(工況一)變化至200 gal(工況三)時(shí)，各測點(diǎn)的放大系數(shù)變化較小，呈輕微下降趨勢；當(dāng)激勵峰值加速度增加至300 gal(工況四)時(shí)，所有測點(diǎn)的放大系數(shù)驟降；當(dāng)激勵峰值加速度自300 gal(工況四)變化至800 gal(工況七)時(shí)，各測點(diǎn)的放大系數(shù)再次呈相對穩(wěn)定趨勢，僅隨激勵峰值加速度增加稍有增大。

模型表面測點(diǎn)響應(yīng)加速度放大系數(shù)產(chǎn)生驟降的原因，是本文模型在試驗(yàn)中僅僅施加水平方向(圖4)的激振，因模型土的抗剪強(qiáng)度和剪切模量較小，當(dāng)激勵峰值加速度較小時(shí)，水平剪切作用較容易傳播至模型土表面，因而響應(yīng)加速度放大系數(shù)較大；當(dāng)激勵峰值加速度增加至300 gal時(shí)，水平剪切作用難以傳遞至模型頂部，因此模型土表面的響應(yīng)加速度放大系數(shù)減小。

由圖3可知，測點(diǎn)A22位于主、次裂縫之間的楔形體中央，測點(diǎn)A21位于楔形體靠近次裂縫一側(cè)的邊緣，測點(diǎn)A23位于楔形體靠近主裂縫一側(cè)的邊緣。由表3可知，同種工況下，A22測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)多數(shù)情況下最大；A21和A23兩測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)次之，且兩者差異不大。這表明主、次裂縫之間的楔形體中央位置相對于其他位置而言，在水平地震作用下，地面響應(yīng)加速度的放大效應(yīng)更加明顯。在工程實(shí)踐中，建議避免將工程結(jié)構(gòu)布設(shè)于“y”形地裂縫間的楔形體中，或者采取切實(shí)有效的抗震或減震措施。

2.2 Taft波激勵下地表加速度響應(yīng)規(guī)律

輸入Taft波，分別設(shè)定其峰值加速度為50 gal、100 gal、200 gal、300 gal、400 gal、600 gal和800 gal，并對其進(jìn)行調(diào)幅，形成7種激勵工況，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行激振試驗(yàn)。與El Centro波激勵下的數(shù)據(jù)處理方式相同，將A2測點(diǎn)的加速度記錄當(dāng)作激勵加速度，選取埋設(shè)在模型土體表面處的加速度計(jì)A20～A25共6個(gè)測點(diǎn)的響應(yīng)加速度，研究地裂縫場地在Taft波各種工況激勵下的地表響應(yīng)加速度放大效應(yīng)規(guī)律。

因?yàn)闇y點(diǎn)和工況較多，各測點(diǎn)在不同工況下的響應(yīng)加速度時(shí)程曲線在此省略。根據(jù)式( 1 )可以計(jì)算得到不同峰值加速度的Taft波激勵下模型表面各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)Ki,j，見表4。

表4 Taft波不同工況下各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度峰值A(chǔ)max及放大系數(shù)Ki,j

由表4可知，在不同峰值加速度Taft波的激振下，所有測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)均大于1；在相同激勵工況下，A22測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)多數(shù)情況下最大，A21和A23兩測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)次之，且兩者差異不大，這點(diǎn)與El Centro波的作用效果相同。

為直觀描述各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵加速度峰值的變化規(guī)律，由表4可以繪出各測點(diǎn)在Taft波激振下的加速度放大系數(shù)Ki,j變化曲線，如圖13所示。

圖13 Taft波激勵下各測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)Ki,j

由圖13可知，在Taft波各種工況激勵下，模型表面土體各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)比較接近(與El Centro波作用下的響應(yīng)有明顯區(qū)別，如圖12所示)，離散性不高，表明各測點(diǎn)的加速度響應(yīng)相差不大；同時(shí)，各測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)變化趨勢基本相同：響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵峰值加速度的增大而減小，并沒有出現(xiàn)類似El Centro波激勵下表現(xiàn)出的加速度放大系數(shù)呈“z”字形驟降(圖12)。

圖13中的曲線以200 gal為拐點(diǎn)，可以大致分為兩段折線：當(dāng)激勵峰值加速度不超過200 gal時(shí)，各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大效應(yīng)十分明顯，放大系數(shù)均超過1.60，并且放大系數(shù)隨激勵峰值加速度的增大衰減很快；當(dāng)激勵峰值加速度超過200 gal以后，各測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)逐漸減小，但減小較慢，且逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 不同激勵下的響應(yīng)加速度放大效應(yīng)差異

對比圖12和圖13可知：在El Centro波和Taft波的激振下，模型表面的響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵峰值加速度的增大均呈整體減小趨勢，但減小速率不同；在Taft波的激勵下，響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵峰值加速度的變化相對平緩；在El Centro波的激勵下，以300 gal為界，響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵峰值加速度的增大呈“z”字形驟降。

本振動臺模型試驗(yàn)?zāi)M的場地為黃土地區(qū)地裂縫場地，場地類型介于二類中軟～中硬場地，因此，在El Centro波和Taft波的激勵下，二者在地裂縫場地地表的加速度響應(yīng)規(guī)律方面體現(xiàn)了較好的一致性，且響應(yīng)加速度放大系數(shù)始終大于或等于1.0；同時(shí)，在大多數(shù)工況下，主、次地裂縫中間楔形體中央A22測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)最大，楔形體邊緣A21和A23測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)次之。

3 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件的前提下，可以得到以下結(jié)論：

(1)El Centro波和Taft波激勵下，地裂縫場地表面的響應(yīng)加速度放大系數(shù)隨激勵加速度峰值的增大均呈整體減小趨勢，減小速率與激勵有關(guān)。

(2)El Centro波激勵下，地裂縫場地表面的響應(yīng)加速度放大系數(shù)均大于1.0，放大系數(shù)隨著激勵加速度峰值的增大呈“z”字形驟降(以激勵加速度峰值300 gal為界)。Taft波激勵下，地裂縫場地表面的響應(yīng)加速度放大系數(shù)均大于1.0，并隨著激勵峰值加速度增大逐漸減小且漸趨平緩，以200 gal為拐點(diǎn)大致分為兩段折線。

(3)El Centro波和Taft波激勵下，主、次裂縫間楔形體中央A22測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)多數(shù)情況下最大，楔形體兩側(cè)邊緣A21測點(diǎn)、A23測點(diǎn)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)次之。工程實(shí)踐中，建議避免將工程結(jié)構(gòu)布設(shè)于“y”形地裂縫間的楔形體中，或者采取切實(shí)有效的抗震或減震措施。

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