輸入界面對場地地表地震動參數(shù)的影響

曹均鋒 馮偉棟 董雙林 原賀軍

安徽省地震局，安徽合肥市長江西路558號230031

0 引言

在工程場地地震安全性評價工作中，場地土層地震反應分析主要是用水平成層模型來模擬工程場地，并假設地震動從半無限彈性基巖空間與非均勻土層空間的交界面輸入(胡聿賢，2003)。而事實上理想的交界面并不存在，工程中通常選取基巖頂面或者剪切波速不小于500m/s的土層頂面作為地震輸入界面。但在實際現(xiàn)場勘測中，由于部分場地覆蓋層包含的強風化巖層較厚，有的甚至超過20m，且強、中風化巖層界限并不明確，常常出現(xiàn)終孔深度處土層剪切波速達不到500m/s的情況，導致終孔土層不能滿足作為輸入界面的要求，易給場地土層地震反應分析結(jié)果帶來誤差。

本文在前人研究成果(陳國興等，2005;劉崢等，2007;施春花等，2009;王沖等，2011)的基礎(chǔ)上，以江淮地區(qū)典型場地資料為原型，選取不同深度的強、中風化巖層位置作為地震動輸入界面，采用一維頻域等效線性化波動方法重點分析了輸入界面的差異對場地地震動參數(shù)的影響。同時，有研究表明輸入界面剪切波速值的變化對場地地震動參數(shù)也存在一定的影響(林建生等，2006;曹均鋒等，2013)，本文也初步探討了輸入界面剪切波速值差異對場地地震動參數(shù)的影響。

1 分析方法和計算參數(shù)

1.1 基本計算剖面

本文在江淮地區(qū)某場地資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合一維頻域等效線性化波動方法的要求，確定2個典型鉆孔ZK4、ZK24作為基本計算剖面。其中ZK4的覆蓋層厚42.3m，主要由填土、粘土、中粗砂和砂巖組成，屬于中硬場地土;ZK24的覆蓋層厚29.4m，主要由填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、中粗砂、礫石和砂巖等組成，屬于中軟場地土。基本計算剖面的土層分布情況及實測剪切波速見圖1。土層非線性動力參數(shù)主要是通過現(xiàn)場取典型土樣進行動三軸試驗得到的，部分土層動力參數(shù)采用經(jīng)典推薦值(袁曉銘等，2000)。

1.2 輸入界面的確定

對于基本剖面ZK4，選取土層頂面深度23.2～42.3m的5個不同位置作為輸入界面;對于基本剖面ZK24，選取土層頂面深度20.6～29.4m的4個不同位置作為輸入界面，不同輸入界面的相關(guān)情況見表1。

表1 不同輸入界面的深度及剪切波速值

1.3 輸入基巖地震動

根據(jù)輸入地震動的選取原則，本次選取了Taft、Kobe和E1centro 3條符合要求的實際強震記錄的時程(圖2)，選取持時均為40s。然后將強震記錄的加速度峰值分別調(diào)整為50gal、100gal、200gal、400gal，并將幅值縮小50%的時程作為基巖的地震動輸入。

2 輸入界面位置差異的影響分析

2.1 地震反應分析結(jié)果

本文基于ZK4、ZK24基本剖面，針對同一剖面采用不同輸入界面分別建立土層反應分析模型，分別選取調(diào)整后的3組地震波作為輸入地震動，共108個工況進行土層地震反應分析，得到各地表峰值加速度Amax及反應譜的特征周期Tg如表2～表3所示。表中Amax和Tg取同一峰值下3條輸入波計算結(jié)果的均值。其中反應譜的特征周期Tg(s)取反應譜平臺值A(chǔ)maxβm與反應譜曲線的右相交點的橫坐標周期值，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材中的相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果(胡聿賢等，2001)，統(tǒng)一取本次反應譜的放大系數(shù)βm=2.5。

表2 不同輸入界面下的峰值加速度A m ax(gal)

圖2 3條基巖輸入強震記錄

表3 不同輸入界面下的反應譜特征周期T g/s

圖3～4為ZK4、ZK24兩剖面輸入Kobe波時不同輸入界面下的地表加速度反應譜。由圖可看出:

(1)在同一基本剖面下，隨著輸入界面的埋深逐漸增加，地表加速度反應譜值逐漸增大，但增幅呈逐漸減小的趨勢。

(2)隨著輸入界面埋深的逐漸增加，地表加速度反應譜僅在0～1.0s較短周期范圍內(nèi)呈現(xiàn)略微變化，周期越短，反應譜變化越顯著，反應譜在1.0s以后受輸入界面的影響有限。

(3)相較而言，剖面ZK24不同輸入界面下地表加速度反應譜的差異比場地相對較硬的剖面ZK4差異小，表明輸入界面的位置變化對場地地表地震動的影響程度與場地土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，ZK24受軟弱土的非線性變形特性影響，起到某種程度的減震作用，因此其計算結(jié)果對輸入界面的變異不敏感。

圖3 ZK4不同輸入界面下的地表加速度反應譜

2.2 對比分析

為直觀表示差異，以中風化砂巖輸入界面計算結(jié)果為基準，表4、表5分別給出了不同的強、中風化砂巖輸入界面計算結(jié)果的相對偏差。

表4 地表峰值加速度對比結(jié)果

表5 地表加速度反應譜特征周期對比結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出:

圖4 ZK24不同輸入界面下的地表加速度反應譜

(1)在同一基本剖面下，選取不同深度的強、中風化巖層作為輸入界面，得到的計算結(jié)果的確存在差異。對于ZK4而言，地表峰值加速度的相對差異最高達24.8%，反應譜特征周期的相對差異最高達8.8%;對于ZK24而言，地表峰值加速度的相對差異最高達14.9%，反應譜特征周期的相對差異最高達4.3%。

(2)隨著輸入界面埋深的增加，場地地表峰值加速度逐漸增大，但增幅呈逐漸減小的趨勢。當選取輸入界面處的剪切波速超過450m/s時，強、中風化巖層輸入界面的峰值加速度的相對差異基本控制在10%以內(nèi)。

(3)輸入界面埋深對地表加速度反應譜特征周期的影響有限，隨著輸入界面埋深的增加，地表加速度反應譜特征周期僅略微增大。

3 輸入界面剪切波速值差異的影響

為分析輸入界面剪切波速值差異對場地地震動參數(shù)的影響，本文以中風化巖層輸入界面計算剖面作為新基本模型(即實際基巖輸入面，ZK4取界面5，ZK24取界面9)，在此基礎(chǔ)上將輸入界面的剪切波速值依次設為 500m/s、550m/s、600m/s、650m/s、700m/s、750m/s、800m/s，建立了14個新的土層模型。分別選取調(diào)整后的3組地震波作為輸入地震動，對共168個工況進行土層地震反應分析，得到各地表峰值加速度Amax(gal)及反應譜的特征周期Tg(s)分別如圖5和6所示。從圖中可以看出，輸入界面剪切波速值對地表峰值加速度影響較為顯著，隨著輸入界面剪切波速值的增大，地表峰值加速度也逐漸增大;相較而言，輸入界面剪切波速值的變化對地表加速度反應譜特征周期影響有限，地表加速度反應譜特征周期基本不隨剪切波速值的增加而變化。

圖5 輸入界面不同剪切波速下的地表峰值加速度

圖6 輸入界面不同剪切波速下的地表加速度反應譜特征周期

圖7 輸入界面不同剪切波速變化對地表峰值加速度的影響

為進一步分析輸入界面剪切波速對地表峰值加速度的影響，以安評工作中輸入界面的剪切波速值最低要求500m/s為基準，不同輸入界面剪切波速下的地表峰值加速度相對偏差如表6所示。

從比較結(jié)果可以看出，地表峰值加速度隨著輸入界面剪切波速的增大而增大，且二者的增幅呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系(圖7)。例如ZK4剖面，基巖輸入峰值200gal條件下，當界面波速值增加10%時(即550m/s)，地表峰值加速度增加3.3%，當界面波速值增加40%時(即700m/s)，地表峰值加速度增加13.2%。同時，剖面ZK24輸入界面不同剪切波速下地表峰值加速度的差異比場地相對較硬的剖面ZK4差異小，表明輸入界面的剪切波速變化對場地地表地震動的影響程度也與場地土層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表6 輸入界面不同剪切波速下的地表峰值加速度比較結(jié)果

4 結(jié)語

本文以江淮地區(qū)典型場地資料為原型，采用一維頻域等效線性化波動方法重點分析了土輸入界面位置差異及輸入界面剪切波速值差異對場地地震動參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:

(1)隨著輸入界面埋深的增加，場地地表峰值加速度逐漸增加，且增幅呈逐漸減小的趨勢;但輸入界面深度對地表加速度反應譜特征周期的影響有限，隨著界面埋深的增加，地表反應譜特征周期僅略微增大0.01～0.02s。

(2)當選取輸入界面處的剪切波速超過450m/s時，不同位置輸入界面的計算結(jié)果相對差異基本控制在10%以內(nèi)。這表明對于一些量大面廣的工程，如僅考慮地表加速度峰值、地表加速度反應譜特征周期時，輸人界面的選擇可以適當放寬。

(3)輸入界面剪切波速值的變化對地表加速度反應譜特征周期影響有限，但對地表峰值加速度影響較為顯著，地表峰值加速度隨著輸入界面剪切波速的增大而增大，且兩者的增幅呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。由于基巖輸入界面的厚度與地震反應分析結(jié)果無關(guān)，且實際計算中輸入界面波速值的選取存在隨意性，易使場地地表峰值加速度的取值具有可控性。建議在進一步修訂地震安評規(guī)范過程中充分考慮該因素，針對輸入界面的選取制定更為科學、規(guī)范的標準。