金 喆，李世龍，張大龍，凌 佩

(河北工程大學(xué)河北省資源勘測研究重點實驗室河北邯鄲056038)

場地地震動參數(shù)的合理確定是工程場地地震安全性評價的一個重要組成部分，關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的安全性。陳國興［1］對南京河西地區(qū)軟土場地地震動參數(shù)的確定進行了研究，呂悅軍［2］討論了煙臺海岸軟土場地對地震動參數(shù)的影響。本文采用一維土層等效線性化的方法對西昌市海河沿岸軟土場地進行地震動效應(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，屬軟土場地。而第四紀覆蓋沉積層對地震波起過濾作用，為抗震不利地段。

2 場地地震動參數(shù)的計算

2.1 場地基巖地震動的輸入

該場地的基巖輸入地震動是根據(jù)地震危險性綜合概率方法得到的［3］。設(shè)計基準期為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，采用強度非平穩(wěn)隨機地震動數(shù)學(xué)模型，合成了具有場地地震動特征的基巖輸入地震動。

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特征周期的對比Tab.2 Comparison of characteristic periods

2.2 峰值加速度與峰值速度的計算

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分析方法的基礎(chǔ)上利用等效線性化手段來計算分析土層地震反應(yīng)的方法［4］。當強烈地震波穿過土層時，一般認為土壤具有非線性，盡管土的非線性本構(gòu)問題至今沒有圓滿解決，但理論上可將土層地震反應(yīng)問題采用等效線性化的辦法加以解決［5］。表1為21個鉆孔點在不同超越概率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的橫坐標，反應(yīng)了地震震級、震源機制(包括震源深度)和震中距等方面的影響，同時也反映了場地的特性［6］。在抗震設(shè)計規(guī)范［7］中，設(shè)計特征周期 與場地類別有關(guān)，場地類別越高，越大，地震影響系數(shù)的平臺越寬［8］。

對于特征周期的確定常用方法有中國地震動參數(shù)區(qū)劃編制報告上對特征周期的求法［9］，美國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表2。

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

中國地震動參數(shù)區(qū)劃編制報告上特征周期的求法與概率法(97%)所得數(shù)據(jù)更符合我國的抗震設(shè)計規(guī)范［7］，所以本文的特征周期選取二者的平均值。而平臺值的確定，本文選取各標準反應(yīng)譜在一定范圍內(nèi)，特征周期包含各值的平均值，見表3。

2.4 設(shè)計反應(yīng)譜的計算

該工程場地屬于濱海地區(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。對于大多數(shù)軟土層分布相對不是很厚的鉆孔點(2#、4#、5#)來說，加速度反應(yīng)譜表現(xiàn)出的總體趨勢大體一致;對于個別軟土層厚度相對較大的鉆孔點(3#、16#、17#)，加速度反應(yīng)譜表現(xiàn)出來的形勢與其它點差異很大。

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

式中:β(T)－動力放大系數(shù)，亦稱標準反應(yīng)譜;Sa(T)－地震動加速度反應(yīng)譜;a－地震動峰值加速度。各超越概率下的標準反應(yīng)譜見圖1。

我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011－2001)》給出的設(shè)計反應(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，表達式為［η20.2γ－η1(T－5Tg)］amax。

式中，amax－地震動影響系數(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)計的參考數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 軟土場地對地震動峰值加速度的影響

地震時工程場地的地震動特征與場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)的地震動將會得到增強［12－13］。

由于該工程場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，因為其土層結(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70 m。這些軟土沉積層厚度相對較大，當深部傳來的剪切波速通過它向地面?zhèn)鞑r就會發(fā)生多次反射，波的疊加而增強，使長周期的波尤為卓越［14－15］。當?shù)卣鸩ǖ恼饎又芷谂c地表巖石土體的自振周期相同時，由于共振作用而使地表振動加強［16］，所以有時即使是較小的基巖地震動，在經(jīng)過厚的沉積層到達地面后，也可以使自振周期較長的高層建筑物遭受極大的破壞。

3.2 軟土場地對地震動反應(yīng)譜的影響

反應(yīng)譜的形狀十分重要，其“胖瘦”與特征周期(即拐點周期)有關(guān)。同時地表(或近地表)的地震動又是震源經(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、基巖地震動強度較大時，這是由于該地區(qū)的軟土層分布很廣泛且各控制點都具有一定厚度的軟土層。當超越概率較小，輸入的基巖地震動較大時，可清楚地看出其反應(yīng)譜要比超越概率較大，輸入的基巖地震動較小時的反應(yīng)譜寬。但是不同的厚度對加速度反應(yīng)譜的影響也不同，同一超越概率下，軟土層厚度相對較小的9#，反應(yīng)譜頻帶的寬度明顯小于軟土層厚度相對較大的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，因為特征點的地層都屬于松軟地層，其含水量豐富、壓縮性高、密度相對較小，這些因素都影響土的非線性。

當計算控制點位于富水地區(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;當計算控制點位于相對貧水的地區(qū)如山前地帶，一般土層相對較硬，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)譜頻帶也相對較窄。

4 結(jié)論

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

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