硬夾層埋深對場地地震動參數(shù)的影響

張 海， 李克強， 尤紅兵， 周澤輝

(1.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384； 2.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；3.中國地震災害防御中心,北京 100029)

硬夾層埋深對場地地震動參數(shù)的影響

張 海1,2， 李克強2， 尤紅兵3， 周澤輝2

(1.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384； 2.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；3.中國地震災害防御中心,北京 100029)

選取某重要工程場地A3鉆孔的厚度、剪切波速、密度等實際勘探數(shù)據(jù)，通過改變硬夾層的埋深，分析硬夾層不同埋深、不同地震時程對場地地震動參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：在硬夾層厚度不變和模型總厚度不變的情況下，地表水平向的峰值加速度隨硬夾層埋深的增大而增大，但增幅逐漸減?。挥矈A層埋深到達一定深度時不再影響地表水平峰值加速度；隨著硬夾層埋深的增加，整個反應譜的譜值普遍增大。

埋深； 地震動； 峰值加速度； 反應譜

0 引言

地震動特性受場地局部條件的影響相對較大，近年來場地中硬夾層對地震動特性的影響是地震工程領(lǐng)域研究的熱點之一。范留明等[1]指出目前主要采用數(shù)值模擬和應力波傳播理論方法來分析軟弱夾層；李小軍等[2-3]的計算分析表明場地局部條件對地震動峰值和地震動頻譜特性有較大影響；李恒等[4]對軟夾層和硬夾層場地的地震反應做過計算分析，指出當夾層處于覆蓋層上部時對高頻地震動有較強的放大作用，而處于覆蓋層下部時對高頻地震動有隔震作用；張倩[5]使用一維等效線性化土層地震反應方法對各類場地模型進行計算，認為硬夾層有增大和減少場地地震反應的可能性，但總體影響很小，可不予考慮；金丹丹[6]指出軟夾層埋深達到一定深度有減震作用，且隨其埋深的增加特征周期變大。

本文主要運用時域非線性化方法對某典型含硬夾層的場地進行一維地震反應分析，探究硬夾層埋深對場地地震反應的影響，以期為核電站、地下工程等工程的抗震設(shè)計提供重要的參考。

1 場地概述及計算參數(shù)

某重要工程場地土層分布如圖1所示，地表為較軟的粉質(zhì)黏土及粉砂，中間為厚度不等的玄武巖及火山角礫巖組成的硬夾層。硬夾層厚度為18.5～168.3 m，西北部埋深淺，往東南方向埋深略微有所增大，東北、西南方向差異不明顯。巖石厚度及巖性沿西北方向差異較明顯，西北部玄武巖厚度較大，玄武巖以下為沉火山角礫巖,向東玄武巖逐漸變薄，靠近東南部玄武巖尖滅，僅揭露沉火山角礫巖。

為研究硬夾層對場地地震反應的影響，選擇A3鉆孔建立計算模型進行地震反應分析。其中，場地土體的各種參數(shù)來源于場地鉆孔資料，土的動力參數(shù)則通過動三軸試驗獲取。A3鉆孔計算場地模型資料以及各類土的剪切模量比和阻尼比與剪切應變的關(guān)系見表1，根據(jù)場地模型資料建立的A3鉆孔模型圖見圖2。

圖2 A3鉆孔模型Fig.2 Drilling model A3

2 計算方法和地震動輸入

(1) 本文采用美國學者開發(fā)DEEPSOIL軟件進行一維土層場地地震反應分析，其包括線性、等效線性化和時域非線性等多種分析方法，并可考慮孔隙水壓的影響(Hashash等，2001),其計算精度早已得到證明[7]。

表 1 各類土的剪切模量比和阻尼比與剪切應變的關(guān)系

(2) 輸入地震時程對場地地震動參數(shù)有較大影響，甚至其得出的地震動參數(shù)結(jié)果差別很大。為了最大限度地反映結(jié)構(gòu)遭受的接近于實際的地震作用，利用逐步逼近目標譜的方法，擬合如圖3所示的5個時程樣本(5個時程的峰值加速度、頻譜特性、持續(xù)時間等信息如表2所列)，并以此作為場地地震反應分析的輸入。

圖3 輸入地震時程Fig.3 Time history of input seismic wave

時程要素持續(xù)時間/s峰值加速度/g最大傅里葉幅值譜/(g·s-1)及所對應的頻率/Hz樣本一39．660．20．192430/2．185059樣本二40．160．20．286544/1．757813樣本三38．020．20．180868/2．575684樣本四39．730．20．203350/1．989746樣本五36．770．20．180379/0．781250

3 算例分析

以A3鉆孔計算場地模型為基礎(chǔ)，將硬夾層的總厚度設(shè)定為100 m，夾層動力學參數(shù)取表1中21號基巖的實測值，剪切波速取1 500 m/s，容重取21.12 kN/m3。這樣模型的總厚度變?yōu)?83.8 m(44.3 m+100 m+139.5 m)。為保證模型總厚度不變、剛度遞增的原則，更改硬夾層在模型中的位置，即更改硬夾層的埋深，建立以下4個模型：

(1) 硬夾層埋深不變(44.3 m)。

(2) 將硬夾層位置下調(diào)，埋深更改為98.3 m(44.3 m+54 m)，即將硬夾層放置在序號23土層下方，21～23號土層上調(diào)至硬夾層之上。

(3) 將硬夾層位置下調(diào)，埋深更改為143.3 m(44.3 m+99 m)，即將硬夾層放置在序號26土層下方，21～26號土層上調(diào)至硬夾層之上。

(4) 將硬夾層位置下調(diào)，埋深更改為183.8 m(44.3 m+139.5 m)，即將硬夾層放置在序號30土層下方，21～30號土層上調(diào)至硬夾層之上。

此4個土層模型圖見圖4。

圖4 土層模型圖Fig.4 The soil model diagram

模型建立后，分別輸入地震時程樣本一～五(圖3)進行時域非線性計算。由于篇幅有限，本文僅展示樣本一和樣本二的計算結(jié)果：地表加速度反應譜圖(圖5)、硬夾層表面加速度反應譜圖(圖6)、地表傅里葉譜圖(圖7)、硬夾層表面傅里葉譜圖(圖8)以及地表水平向峰值加速度統(tǒng)計表(表3)。

通過圖5的對比，發(fā)現(xiàn)隨著硬夾層埋深的增加，整個反應譜的譜值都普遍增大，尤其周期在1～2 s范圍內(nèi)此規(guī)律更加明顯,而長周期的加速度反應譜幾乎保持不變。通過對比圖6，發(fā)現(xiàn)在0.2～0.4 s范圍內(nèi)，隨著埋深的增加整個反應譜的譜值也普遍增大，而長周期的加速度反應譜也幾乎保持不變。

通過表3對比可知 ，在硬夾層厚度和模型總厚度不變的情況下，地表的水平向峰值加速度隨埋深的增大而增大；且隨著埋深的不斷增大，水平向峰值加速度增幅逐漸減小，由14.7%降至0.05%，再變?yōu)?.38%，最后趨于不變，增幅作用越來越不明顯，即硬夾層埋深到達一定的深度時不再影響地表水平峰值加速度。

表 3 地表的水平向峰值加速度(單位：gal)(ZK41鉆孔)

圖5 地表加速度反應譜Fig.5 Ground acceleration response spectrum

圖6 硬夾層表面加速度反應譜Fig.6 Acceleration response spectrum of the hard interlayer’s surface

圖7 地表傅里葉譜對比圖Fig.7 Comparison of ground Fourier spectrum

對于地表傅里葉譜圖(圖7)而言：0～0.2 Hz間譜值較小且平緩；然后逐漸增大，在1～1.5 Hz間出現(xiàn)譜峰值；之后譜值又降低了，在1.5～5 Hz出現(xiàn)第二峰值；5 Hz之后譜值降低下來。對于不同埋深所對應的傅里葉譜而言：0～1 Hz范圍內(nèi)譜值的變化不大,1 Hz之后，4種埋深不同的情況下先后出現(xiàn)峰值。以地震時程樣本一為例：硬夾層埋深為44.3 m時，譜峰值出現(xiàn)在1.51 Hz，為0.48g；硬夾層埋深為98.3 m時，譜峰值出現(xiàn)在1.28 Hz，為0.49g；硬夾層埋深為143.3 m時，譜峰值出現(xiàn)在1.15 Hz，為0.51g；硬夾層埋深為183.8 m時，譜峰值出現(xiàn)在1.07 Hz，峰值為0.47g。由此可知，由于硬夾層埋深的不同，地震動最大能量在頻域的分布也有所不同。隨著埋深的增加地表傅里葉譜的譜峰值的位置向左偏移，即自振頻率向左偏移。對于第二峰值而言，也出現(xiàn)了相似的現(xiàn)象,其原因是硬夾層的埋深越深其卓越頻率減小，更加接近地震波的固有頻率，發(fā)生共振，出現(xiàn)峰值。此現(xiàn)象和規(guī)律與反應譜是相符的。

從圖8看，硬夾層的不同埋深的影響頻率主要集中在0.5 Hz左右，埋深越大，譜值反而越小。而對于圖6硬夾層表面加速度反應譜而言，反應譜譜值隨著硬夾層埋深的增加而普遍減小，這一規(guī)律在1～5 s區(qū)段表現(xiàn)得尤為明顯。其原因是硬夾層埋深越大，地震波的反射作用越弱，波的反射過程能量發(fā)生損失，在共振區(qū)域此現(xiàn)象更為明顯。

4 結(jié)語

場地設(shè)計地震動參數(shù)的確定是工程場地地震安全性評價中的一個重要組成部分，參數(shù)的確定是否合理直接關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的安全和經(jīng)濟，而在場地土層地震動反應分析中確定設(shè)計地震動反應譜將直接影響分析結(jié)果的可靠性。

(1) 硬夾層的存在以及其厚度的增加有一定的減震作用。硬夾層由于厚度的不同，對地表地震動影響的頻段也有所不同。根據(jù)土層地震反應分析的計算，硬夾層的厚度對0.25 s和0.7 s附近的譜值有一定的影響。

(2) 場地中硬夾層埋深對地表峰值加速度有一定的影響，埋深越小其影響越大，埋深小使得水平加速度峰值偏小，而隨著埋深的增大，水平峰值加速度趨于一個穩(wěn)定值。建議重要工程中，若其區(qū)域含有硬夾層，應盡量選擇硬夾層埋深較大的場地進行建設(shè)。

References)

[1] 范留明，閆娜，李寧.薄彈性軟弱夾層的動力響應模型[J].巖石力學與工程學報，2006,25(1):88-92. FAN Liu-ming,YAN Na,LI Ning.Dynamic Response Model for Thin Soft Interlayer Considering Interbedded Reflecting Waves[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(1):88-92.(in Chinese)

[2] 李小軍,彭青.劉文忠.設(shè)計地震動參數(shù)確定中的場地影響考慮[J].世界地震工程，2001,17(4)：34-41. LI Xiao-jun，PENG-Qing，LIU Wen-zhong.Consideration of Site Effects for Determination of Design Earthquake Ground Motion Parameters[J].Word Earthquake Engineering,2001,17(4)：34-41.(in Chinese)

[3] 李小軍,彭青.不同類別場地地震動參數(shù)的計算分析[J].地震工程與工程震動，2001，21(1)：29-36. LI Xiao-jun，PENG-Qing.Calculation and Analysis of Earthquake Ground Motion Parameters for Different Site Categories[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2001，21(1)：29-36.(in Chinese)

[4] 李恒,張靜波,吳建超.軟夾層和硬夾層對地表地震動特性的影響[J].地震工程學報，2014,36(3):441-445. LI Heng,ZHANG Jing-bo，WU Jian-chao.Effect of Soft and Hard Interlayers on Ground Motion Characteristics[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):441-445.(in Chinese)

[5] 張倩.場地土層地震反應特征研究[D].中國地震局地球物理研究所，2002. ZHANG Qian.Study on Characteristics of Seismic Response of Soil Layers[D].Beijing:Institute of Geophysics,CEA,2002.(in Chinese)

[6] 金丹丹,陳國興,董菲蕃.軟夾層土對福州盆地地表地震動特性的影響[J].武漢理工大學學報，2012,34(12):83-88. JIN Dan-dan，CHEN Guo-xing,DONG Fei-fan.Effects of Soft Interlayer on Ground Surface Seismic Response of Fuzhou Basin[J].Journal of Wuhan University of Technology,2012,34(12):83-88.(in Chinese)

[7] 張海,王震,周澤輝.基于DEEPSOIL的軟土場地地震反應研究[J].震災防御技術(shù),2015,10(2):291-304. ZHANG Hai,WANG Zhen,ZHOU Ze-hui.The Study of Seismic Response in Soft Soil Site Based on DEEPSOIL[J].Technology for Earthquake Disaster Prevention,2015,10(2):291-304.(in Chinese)

Influence of the Buried Depth of Hard Interlayer on Ground-motion Parameters

ZHANG Hai1, 2, LI Ke-qiang2, YOU Hong-bing3, ZHOU Ze-hui2

(1.TianjinKeyLaboratoryofSoftSoilCharacteristicsandEngineeringEnvironment,Tianjin300384,China; 2.CollegeofCivilEngineeringofTianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China； 3.ChinaEarthquakeDisasterPreventionCenter,Beijing100029,China)

Ground motion characteristics are seriously influenced by local site conditions, and in recent years, one of the hot spots in the field of earthquake engineering has been the impact of a hard site interlayer on ground motion characteristics. This paper selects the thickness, shear-wave velocity, density, and other actual exploration data from borehole A3 in a certain project site by changing the buried depth of the hard interlayer to analyze the influence of depth and different seismic time history data on ground motion parameters. In this paper, a one-dimensional seismic response analysis of a typical site with a hard interlayer was conducted by using the time domain nonlinear method. Research has shown that when the thickness of the hard interlayer and the total thickness of the model remain invariable, the surface horizontal peak-ground acceleration increased with the buried depth of the hard interlayer, but its amplification reduced gradually, until it was no longer affected when the hard interlayer's buried depth reached a certain value. Furthermore, as the buried depth increased, the values of the response spectrum generally increased. From the surface Fourier spectrum diagram, we found the spectrum values were small and flat in the range of 0～0.2 Hz, and then increased gradually to a range of 0.2～1 Hz. Spectrum values peaked and then reduced again in the range of 1～1.5 Hz. Spectrum values hit the second peak in the range of 1.5～5 Hz, and then dropped down after 5 Hz. For the Fourier spectrum at different buried depths, spectrum values didn't change much in the range of 0～1 Hz. These results will provide an important reference for the seismic design of deep foundation pit engineering such as nuclear power station and underground engineering.

buried depth; ground motion; peak acceleration; response spectrum

2015-09-25 基金項目：國家自然科學基金項目(51248004)；天津市應用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃(13JCQNJC07400)；天津市高校中青年骨干創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃；天津市“131”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工程人選

張 海(1977-)男，博士,教授，主要研究領(lǐng)域：工程波動理論、城市綜合防災減災。E-mail:zhanghai@tju.edu.cn。

尤紅兵(1970-)，男，研究員級高工,主要研究領(lǐng)域：地震工程。E-mail: hbyou@126.com。

P315

A

1000-0844(2016)06-0935-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0935