張忠利 齊文浩 袁 媛 羅 云

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廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類場地地震效應(yīng)分析1

張忠利1,2）齊文浩3）袁 媛1,2）羅 云1,2）

1）廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022?2）廣西工程防震研究院，南寧 530022?3）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

針對廣西特殊的覆蓋型巖溶區(qū)的場地地質(zhì)條件，通過收集區(qū)內(nèi)的393個地震工程地質(zhì)鉆孔，利用大量的剪切波速及土工測試資料，建立了土層地震動反應(yīng)分析模型，采用一維波動的等效線性化方法，對Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3三個亞類分別計算得到了地表峰值加速度及相關(guān)反應(yīng)譜，并擬合得到了規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜，定量分析了廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類場地地震動的效應(yīng)。結(jié)果表明，三個亞類場地動力放大系數(shù)均較大，場地對反應(yīng)譜平臺值的放大作用與對峰值的放大作用并不一致；Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3峰值加速度放大倍數(shù)分別為1.17、1.31、1.26，而平臺值的放大倍數(shù)分別為1.49、1.52、1.38；反應(yīng)譜特征周期分別為0.26s、0.33s和0.39s，反應(yīng)譜下降段受控于輸入反應(yīng)譜下降段；同時給出了場地反應(yīng)譜平臺值、特征周期和衰減系數(shù)的推薦值。上述結(jié)果可為確定廣西覆蓋型巖溶區(qū)設(shè)計地震動參數(shù)提供參考。

覆蓋型巖溶區(qū) Ⅱ類場地 地震效應(yīng) 反應(yīng)譜

引言

《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）規(guī)定的平均場地（中硬場地）的地震動峰值加速度是利用地震危險性分析得到的自由基巖峰值加速度與峰值轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積，其中峰值轉(zhuǎn)換系數(shù)反映的是全國一般場地放大效應(yīng)的特征。在實際工程的應(yīng)用中，首先根據(jù)場地的地理位置分別確定峰值加速度和特征周期分區(qū)，然后再根據(jù)場地類別調(diào)整設(shè)計反應(yīng)譜特征周期，而不考慮場地條件對峰值加速度、地震動力系數(shù)最大值和最大影響系數(shù)的影響，即場地地震動峰值不隨場地地震效應(yīng)而變化。然而，場地條件對地震動參數(shù)的影響不僅表現(xiàn)在地震動的頻譜特征上，而且還表現(xiàn)在地震動峰值的變化上。為此，許多學(xué)者開展了關(guān)于土層結(jié)構(gòu)、土層動力學(xué)參數(shù)對地震動幅值及頻譜特性影響的研究（王紹博等，2001；薄景山等，2003a；2003b；劉紅帥，2005；蘭景巖，2006；蘭景巖等，2007；李平等，2011）。研究表明，同一場地類別地表地震動峰值和頻譜特征也存在較大的變化。高孟潭等（2009）、姜慧等（2010）、呂悅軍等（2011）、刁颋（2011）分別對湖南、廣東、北京、山東地區(qū)的場地地震動效應(yīng)進行了研究，結(jié)果表明場地地震動參數(shù)調(diào)整系數(shù)具有明顯的區(qū)域性，若用《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）規(guī)定的調(diào)整系數(shù)可能會高估或低估特定地區(qū)的地震風(fēng)險，不能客觀地反映某一地區(qū)的場地和地震特點。為了反映廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類場地對地震動的放大效應(yīng)，本文收集了廣西覆蓋型巖溶區(qū)195個工程場地（393個鉆孔）地震工程地質(zhì)條件勘測資料，利用一維等效線性化分析方法進行了場地地震反應(yīng)計算，分析了廣西覆蓋型巖溶區(qū)Ⅱ類場地條件對地震動參數(shù)影響的特點，以期為抗震設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 地震工程地質(zhì)條件和場地計算模型

1.1 地震工程地質(zhì)條件

廣西區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，分布廣泛，裸露巖溶區(qū)約占全區(qū)總面積的41%，覆蓋型巖溶區(qū)約占全區(qū)總面積的10%。覆蓋型巖溶區(qū)土層厚度多在15m左右，一般不會超過30m，場地等效剪切波速分布范圍在140—350m/s，土層結(jié)構(gòu)較簡單，土類較單一。總體上看，以粘性土為主；在河漫灘、河流階地、沖積平原等地帶還存在砂性土、卵石等；在坡積群、洪積錐（扇）或平原地帶還存在含礫粘性土、含碎石粘性土等。其中最具代表性的為碳酸巖出露區(qū)的巖石，經(jīng)風(fēng)化形成的棕紅、褐黃等色的紅粘土，它具有高含水量、高飽和度、高塑性指數(shù)、高孔隙比，而且容重大、壓縮性中等偏低、強度高等特點。紅粘土的含水量、孔隙比及壓縮系數(shù)值隨著深度的增加而增大，同時由于表層的紅粘土失水較多具有較高的塑性指數(shù)，使得表層土強度高、含水量少且處于硬塑狀態(tài)。而位于下層的紅粘土，則處于飽和狀態(tài)，故含水量大，表現(xiàn)為可塑或軟塑狀態(tài)。由此可見，含水量是影響紅粘土特征的重要因素之一。地下水類型主要為上層滯水和基巖裂隙水。其中，上層滯水主要賦存于上層表土中，部分存于土體裂隙中，補給來源主要為大氣降水，由于水量不大，不具統(tǒng)一水位且水位不甚穩(wěn)定，明顯受大氣降水影響；而基巖裂隙水主要賦存于白云巖、砂巖基巖裂隙中，受大氣降水入滲補給，水量較豐富。由于上述紅粘土特征及地下水的影響，場地土層常出現(xiàn)“上硬下軟”的現(xiàn)象。圖1為3個典型的工程場地鉆孔柱狀圖。

1.2 場地計算模型

本文收集整理了廣西覆蓋型巖溶區(qū)近幾年的勘測資料，工程場地主要分布于桂東北（桂林）、桂東南（玉林、貴港）、桂中（柳州、來賓）、桂西北（河池市）及桂西南（靖西、崇左）等地區(qū)，具體分布如圖2所示。圖中紅色或為采樣點所在行政區(qū)，括號中數(shù)字為鉆孔數(shù)，地震動峰值加速度為設(shè)計基本地震加速度。場地鉆孔均達到基巖，滿足相關(guān)規(guī)范對輸入界面剪切波速不小于500m/s的要求。根據(jù)土層結(jié)構(gòu)、剪切波速測試和土層非線性試驗情況，共選取了195個工程場地中的393個鉆孔建立土層地震反應(yīng)計算模型，模型參數(shù)主要取場地實測結(jié)果，部分土層非線性參數(shù)采用袁曉銘等（2000）給出的推薦值。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）上述鉆孔資料均來自Ⅱ類場地，為了更好地分析Ⅱ類場地覆蓋土層厚度對場地地震效應(yīng)的影響，對研究區(qū)內(nèi)Ⅱ類場地劃分成3個亞類，分別為Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3，其典型剖面如圖1所示。Ⅱ類場地亞類劃分方法及場地計算模型主要參數(shù)分布情況如表1所示。

表1 場地亞類劃分及場地計算模型主要參數(shù)分布情況

2 場地地震效應(yīng)計算與分析

2.1 輸入地震動

考慮到研究區(qū)無強震記錄的實際情況，本文利用三角級數(shù)迭代方法合成地震動作為地震反應(yīng)分析的輸入地震動。廣西覆蓋型巖溶區(qū)的設(shè)計基本地震加速度分別為50、100、150、200gal，罕遇地震峰值加速度分別為100、200、300、400g，因此輸入地震動峰值加速度分別取50、100、150、200、300、400gal。研究區(qū)設(shè)計地震分組為第一組，因此基巖輸入加速度反應(yīng)譜特征周期選Ⅰ1類場地特征周期，即為0.25s。地震動加速度反應(yīng)譜S()由公式（1）確定。

其中，地震動峰值加速度max分別取50、100、150、200、300、400gal，反應(yīng)譜特征周期T取0.25s，這樣可得到不同強度的目標(biāo)反應(yīng)譜。按照《工程場地地震安全性評價（GB 17741—2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）有關(guān)合成基巖地震動時程的規(guī)定，反應(yīng)譜橫軸在對數(shù)坐標(biāo)0.04—6s范圍內(nèi)等間距選取60個反應(yīng)譜控制點，合成地震動反應(yīng)譜控制點與目標(biāo)反應(yīng)譜的相對誤差小于5%，對不同強度的地震動反應(yīng)譜分別合成具有不同隨機相位的3條基巖地震動時程曲線，其中峰值加速度為50gal的輸入地震動如圖3所示。

2.2 計算結(jié)果

利用一維波動等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法，對上述計算剖面、地震動強度、地震動相位進行組合，形成了7074個計算工況，并分別計算出各亞類地表處地震動峰值加速度及相關(guān)反應(yīng)譜值。同時采用公式（1）并結(jié)合工程場地土層地震反應(yīng)，分析了不同輸入峰值加速度阻尼比為0.05的計算反應(yīng)譜，得到了相應(yīng)的規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜主要參數(shù)，具體如表2—表4所示。表中max為輸入地震動峰值加速度；smax為地表地震動峰值加速度；smax為地表地震影響系數(shù)最大值；1為反應(yīng)譜平臺段起始周期；T為反應(yīng)譜特征周期；為反應(yīng)譜曲線下降系數(shù)。另外，在確定設(shè)計地震動峰值加速度時，取地表地震動峰值加速度的平均值；在確定反應(yīng)譜平臺高度時，綜合考慮加速度反應(yīng)譜在高頻段（0.2s左右）的反應(yīng)譜值。在圖4—圖6中，黑細線為地表加速度反應(yīng)譜；藍色粗實線為自由基巖加速度反應(yīng)譜；紅色粗實線為規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜。

表2 計算剖面地表地震動峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)（3—5m）

表3 計算剖面地表地震動峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)（5—15m）

續(xù)表

amaxasmaxbsmaxαsmaxT1 /sTg /sg 1501982.60.5150.080.321.11 2002612.60.6790.080.321.1 3003852.61.0010.080.341.1 4005052.51.2630.080.371.1 平均值2.60.331.11

表4 計算剖面地表地震動峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)（15—30m）

2.3 結(jié)果分析

為了便于說明場地對地震動的放大作用，本文引入了2個統(tǒng)計量ksmax/max和ksmax/max，（max為輸入地震影響系數(shù)最大值）用于反映場地對地震動峰值加速度和反應(yīng)譜平臺值

表5 場地地表地震動峰值及反應(yīng)譜平臺值放大系數(shù)的統(tǒng)計值

續(xù)表

amax /galⅡ1Ⅱ2Ⅱ3kakαkakαkakα 1001.171.561.331.601.301.44 1501.171.511.321.531.291.43 2001.171.461.311.511.271.35 3001.161.451.281.481.221.30 4001.161.401.261.401.171.25 平均值1.171.491.311.521.261.38

從表5的計算結(jié)果和2個統(tǒng)計量中可以看出：

（1）總體上看，隨著覆蓋土層厚度和地震動強度的增大，反應(yīng)譜平臺值具有減小的趨勢，反應(yīng)譜特征周期具有增加的趨勢；地震動峰值加速度隨地震動強度增加而減小，但隨著土層厚度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。同時，場地對反應(yīng)譜平臺段的放大作用與峰值的放大作用并非一致。從規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線圖中可以看出，利用平臺段標(biāo)定場地的放大作用更合理一些。

（2）Ⅱ1類場地對地震動的峰值加速度放大倍數(shù)值?。ㄆ骄禐?.17倍），而對反應(yīng)譜平臺段具有較大的放大倍數(shù)（平均值為1.49倍），但反應(yīng)譜特征周期較小（平均值為0.26s）。這表明該類場地對自由基巖反應(yīng)譜平臺段有較大的放大作用，而對反應(yīng)譜下降段影響不大。

（3）Ⅱ2類場地與Ⅱ1場地相比，對地震動的峰值加速度放大倍數(shù)值明顯增大（平均值為1.31倍），而對反應(yīng)譜平臺段的放大倍數(shù)略微增大（平均值為1.52倍），反應(yīng)譜特征周期平均值為0.33s。這表明該類場地對自由基巖反應(yīng)譜的平臺段和下降段的首段具有較大的放大作用，導(dǎo)致了反應(yīng)譜特征周期略微增加。

（4）Ⅱ3類場地與Ⅱ2場地相比，對地震動的峰值加速度放大倍數(shù)略微減?。ㄆ骄禐?.26倍），而對反應(yīng)譜平臺段的放大倍數(shù)明顯減小（平均值為1.38倍），反應(yīng)譜特征周期平均值為0.39s。這表明除對自由基巖反應(yīng)譜下降段末段無影響外，對其他段均有較大的放大作用。

（5）三個亞類反應(yīng)譜動力系數(shù)均較大，反應(yīng)譜下降段基本受自由基巖反應(yīng)譜下降段控制。這說明反應(yīng)譜在平臺段有較大的放大作用，對低矮剛性房屋有較大的破壞作用，也為巖溶區(qū)“小震級，高烈度”提供了佐證。

3 結(jié)論與建議

本文收集了廣西覆蓋型巖溶區(qū)的393個實際土層剖面，并將其按覆蓋層厚度劃分為三個亞類，即Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3。采用一維等效線性化波動分析方法，分類計算了每一亞類內(nèi)土層剖面的地震反應(yīng)。分析了不同亞類地表峰值加速度、反應(yīng)譜平臺值及反應(yīng)譜特征周期的變化趨勢。研究表明：

（1）覆蓋型巖溶區(qū)場地土層對反應(yīng)譜的平臺值具有較大的放大作用，且高于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中關(guān)于Ⅱ類場地對地震動參數(shù)的放大作用。建議對Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亞類場地反應(yīng)譜平臺值，可考慮分別取1.49×max、1.52×max、1.38×max。

（2）覆蓋層厚度小于5m時，反應(yīng)譜特征周期小于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中的規(guī)定值；大于5m時，與《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中規(guī)定值基本一致。建議對Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亞類場地特征周期，可考慮分別取0.26、0.33、0.39s。

（3）場地對反應(yīng)譜長周期段影響較小，地表反應(yīng)譜長周期段主要受基巖反應(yīng)譜值控制，反應(yīng)譜衰減系數(shù)可適當(dāng)增加。建議對Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亞類場地反應(yīng)譜衰減系數(shù)，可考慮分別取1.02、1.11、1.16。

薄景山，李秀領(lǐng)，劉德東等，2003a．土層結(jié)構(gòu)對反應(yīng)譜特征周期的影響．地震工程與工程振動，23（5）：42－45．

薄景山，李秀領(lǐng)，劉德東等，2003b．土層結(jié)構(gòu)對反應(yīng)譜平臺值的影響．地震工程與工程振動，23（4）：29－33．

刁颋，2011．山東Ⅱ、Ⅲ類場地地震動峰值加速度放大效應(yīng)分析．中國地震，27（1）：92－98．

高孟潭，陳學(xué)良，肖和平等，2009．湖南中強地震活動地區(qū)Ⅱ類場地放大效應(yīng)研究．中國地震，25（2）：140－150．

姜慧，黃劍濤，盧幫華等，2010．基于地震作用和場地影響確定廣東省設(shè)計地震動參數(shù)．震災(zāi)防御技術(shù)，5（4）：398－408．

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李平，薄景山，孫有為等，2011．場地類型對反應(yīng)譜平臺值的影響．地震工程與工程振動，31（1）：25－29．

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中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001．中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社．

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Seismic Effect of Type ⅡSite in Overlaying Karst Area of Guangxi

Zhang Zhongli1,2）, Qi Wenhao3）, Yuan Yuan1,2）and Luo Yun1,2）

1）Seismological Bureau of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China?2）Guangxi Academy of Engineering Shock Prevention, Nanning 530022, China?3）Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, harbin 150080, China

According to the geological conditions of the Guangxi special karst area, we collected 393 earthquake engineering geological drilling in the region, and established regional seismic dynamic model by using shear wave velocity and soil test data. The peak ground acceleration and response spectrum under site condition sub type Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3were calculated by using one-dimensional equivalent linear method of soil seismic response on the wave motion mode. By fitting the normalized response spectrum, we analyzed the effect of Guangxi covered karst area of ground motion. The results indicate that dynamic amplification coefficients of sub type Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3sites are relatively high, amplification effect on flat section value of response spectrum and the peak ground acceleration are not consistent, the peak ground acceleration magnification is respectively 1.17, 1.31, 1.27, but the flat section value of response spectrum magnification is respectively 1.49, 1.52, 1.38. The characteristic period of response spectrum is respectively 0.26s, 0.33s, 0.39s. The descending segment of response spectrum is basically not affected. At the same time, the recommended values of the flat section value, the characteristic period and the attenuation coefficient of response spectrum are obtained. Our results can be used to provide reference for the determination of design ground motion parameters in overlaying karst area of Guangxi.

Overlaying karst area; Type Ⅱ site; Seismic effect of site; Response spectrum

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻12426001-5）資助

2015-04-08

張忠利，男，生于1977年。碩士。主要從事巖土地震工程研究工作。E-mail：421530917@qq.com