朱冰清 趙黎明 李恩建 徐誠 李穎楠 姜海

摘要

本文為了得到場地波速結(jié)構(gòu)對(duì)地表地震動(dòng)的影響，選取了1個(gè)具有代表性的鉆孔，屬于Ⅱ類場地，選用天然記錄的地震波埃爾森特羅波作為基底入射波，建立一維土層地震危險(xiǎn)性分析的計(jì)算模型，同時(shí)，將兩條天然波的地震動(dòng)水平加速度值調(diào)整為50gal、100gal、150gal、200gal、300gal和500gal，并分別調(diào)整兩次土層順序，最后利用soil程序?qū)x取的Ⅱ類場地鉆孔資料進(jìn)行場地地震危險(xiǎn)性分析，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

【關(guān)鍵詞】工程場地波速結(jié)構(gòu)地震動(dòng)

地震是地球內(nèi)部介質(zhì)局部發(fā)生急劇破裂，產(chǎn)生的地震波，從而在一定范圍內(nèi)引起地面震動(dòng)的現(xiàn)象。地震簡直是無法抗御的。但是經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的地震工程研究工作表明，人類雖然無法阻止地震災(zāi)害的發(fā)生，但是我們可以采取適當(dāng)?shù)拇胧沟卣馂?zāi)害盡可能的減輕。

場地條件作為影響震害的主要因素之一。場地條件一般指局部地質(zhì)條件，如近地表幾十米至幾百米內(nèi)的地基土壤、地下水位等工程地質(zhì)情況、地形及斷層破碎帶等。國內(nèi)外震害經(jīng)驗(yàn)一致表明場地條件是震害或地震烈度的主要影響因素，且早在1906年舊金山大地震中人們己認(rèn)識(shí)到這種影響。

規(guī)范中的場地類別劃分方法為20米內(nèi)場地覆蓋土層厚度以及等效剪切波速。一般都認(rèn)為同一類別土中，在同一地震反應(yīng)下，對(duì)地表地震動(dòng)特性具有相同或相似的影響。但是土層結(jié)構(gòu)改變后，會(huì)對(duì)地表地震動(dòng)有影響。

所以，此論文的主要工作是研究同一場地，在相同的地震反應(yīng)中，土層結(jié)構(gòu)改變后，對(duì)地表地震動(dòng)加速度、速度、位移峰值和反應(yīng)譜加速度最大值有多大的影響。選取天然地震動(dòng)作為基巖輸入地震動(dòng)，選?、蝾悎龅刈鳛樵纪翆臃磻?yīng)模型，改變土層順序，共組合了21種不同工況模型，進(jìn)行了場地地震反應(yīng)分析。

1 一維土層地震反應(yīng)分析方法

一維模型是一種半無限彈性均勻基巖空間上覆蓋水平成層土體的較為理想的場地力學(xué)模型。它是假定土層沿兩個(gè)水平方向均勻無變化，而僅沿豎向分層變化。雖然一維場地模型是一種較為簡單的場地力學(xué)模型，但從工程近似的角度來說，基于這一模型的場地地震反應(yīng)分析方法能夠反應(yīng)局部范圍內(nèi)地面、土層界面及基巖面較平坦的場地對(duì)地震動(dòng)影響的主要特征。因此，對(duì)于大多數(shù)局部場地或大面積場地，如城市區(qū)劃場地，采用簡單的一維場地力學(xué)模型進(jìn)行土層的地震反應(yīng)分析己能滿足工程應(yīng)用要求。

本文的主要目的就是應(yīng)用一維土層地震危險(xiǎn)性分析模型，輸入典型鉆孔地質(zhì)剖面資料和基底入射波，并應(yīng)用這一模型計(jì)算出場地土的動(dòng)力參數(shù)特性、地表加速度、地震反應(yīng)譜等特征進(jìn)行對(duì)比分析，為建筑物的抗震設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)的選取

2.1 輸入地震動(dòng)

本文選用埃爾森特羅地震記錄作為基底入射波，以反映輸入地震動(dòng)特性對(duì)場地地震效應(yīng)的影響。同時(shí)，將埃爾森特羅波地震動(dòng)峰值水平調(diào)整為50gal、100gal、150gal、200gal、300gal、500gal利用程序soil對(duì)Ⅱ和Ⅲ類場地進(jìn)行一維土層地震危險(xiǎn)性分析。

2.2 場地鉆孔資料

本文分別從Ⅱ類中各選取了一個(gè)典型的場地鉆孔資料（如表1）。之后變換土層順序，第一次將原始土層的第1層換到8層，原始土層第8層厚度為2.9m，而第一層為1.85m，因此將原始土層的第8層分為兩小層，上半層為原始土層的第1層，厚度為1.85m;下半層為原始土層的第8層，厚度為1.05m。第二次將原始土層的第1層換到4層，原始土層第4層厚度為2.55m，而第一層為1.85m，因此將原始土層的第4層分為兩小層，上半層為原始土層的第1層，厚度為1.85m，下半層為原始土層的第4層，厚度為0.7m.

2.3 Ⅱ類場地土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比

根據(jù)上述Ⅱ類鉆孔資料，一維土層地震反應(yīng)計(jì)算程序中用到的土的動(dòng)力特性參數(shù)如表2所示，參考田啟文[1]書中的各類土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的表，這些參數(shù)在運(yùn)行程序時(shí)將作為輸入文件data3的數(shù)據(jù)。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 原始土層地表反應(yīng)、第一次變動(dòng)土層地表反應(yīng)及第二次變動(dòng)土層地表反應(yīng)

具體做法：以埃爾森特羅地震波作為基底入射波，原始土層場地鉆孔資料為例。

（1）根據(jù)已知條件建立并修改輸入數(shù)據(jù)文件DATA.dat、DATAl.dat、DATA2.dat、DATA3.dat、DATA4.dat;

（2）運(yùn)行執(zhí)行程序（Rsleibm）得出五個(gè)輸出文件rtell.dat，rtel2.dat，rtel3.dat，rte14.dat，rtel5.dat，經(jīng)過查找文件rtell.dat可以得出Amax，Vmax，Dmax的值;

（3）運(yùn)行ARTELTR程序，得到3個(gè)輸出文件，分別為Aco-1.dat、Acc-2.dat、Acc-3.dat，其中Acc-1.dat是用來做時(shí)程圖的文件;

（4）運(yùn)行RTELTR程序，得到3個(gè)輸出文件，分別為Res-1、Res-2、Res-3，其中Res-1是用來做反應(yīng)譜曲線的文件;

（5）對(duì)soil程序輸出的加速度時(shí)程圖文件，運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行濾波處理，并計(jì)算出速度和位移時(shí)程圖文件。

（6）最后在Excel表中分別畫出各個(gè)埃爾森特羅地震波在土層變換前后的加速度、速度和位移時(shí)程圖以及反應(yīng)譜曲線對(duì)比。

3.2 場地計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算時(shí)，將Ⅲ類場地的軟土層（第一個(gè)土層，波速為100.6m/s的粉砂層）分別變換到第八層（波速為237.6m/s的粉質(zhì)粘土層）和第四層（波速為163.5m/s的粉砂層），即將第一次將軟土層變換的深，第二次將軟土層變換的淺。在七種不同的埃爾森特羅地震動(dòng)的輸入作用下共進(jìn)行了21種工況的工程場地地震危險(xiǎn)性分析。不同輸入加速度水平下的土層變換的反應(yīng)譜曲線如圖1、2所示。

從圖1-2的不同輸入加速度水平下的土層變換的反應(yīng)譜曲線中可以看出，變換土層順序、輸入地震動(dòng)特性以及地震強(qiáng)度的不同，都對(duì)Ⅱ類場地的加速度反應(yīng)峰值A(chǔ)max、特征周期Tg以及反應(yīng)譜最大值Samax有一定的影響，并且存在一定的規(guī)律性：

（1）從圖1-2可知，變換土層前后，反應(yīng)譜曲線形狀相似，大小不一樣。

（2）如圖3所示，在加速度值為100gal的埃爾森特羅地震動(dòng)的輸入作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的加速度反應(yīng)譜最大值小且都比原始土層的加速度反應(yīng)譜最大值小。通過對(duì)比分析，在不同地震動(dòng)輸入作用下土層變換前后反應(yīng)譜加速度最大值對(duì)比，如圖4所示，可以看出在同一輸入地震動(dòng)作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的加速度反應(yīng)譜最大值小，且隨著基底入射波加速度值的增大，加速度反應(yīng)譜最大值也逐漸增大。

（3）在加速度值為50gal的埃爾森特羅地震動(dòng)的輸入作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的特征周期值大且都比原始土層的特征周期值大。通過對(duì)比分析，在不同地震動(dòng)輸入作用下土層變換前后特征周期值對(duì)比，可以看出在同一基底入射波作用下，第一次變換土層順序與第二次變換土層順序相比，軟土層變換的深的比變換的淺的特征周期值大，且都大于原始土層的特征周期值;隨著基底入射波加速度值的增大，特征周期值基本不變。

（4）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，加速度反應(yīng)譜最大值所對(duì)應(yīng)的周期相同。

（5）同一埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，土層順序改變前后，軟土層變換的深的土層比軟土層變換的淺的土層峰值加速度小，且都小于原始土層的峰值加速度。

（6）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，隨著基底入射波加速度值的增大，峰值加速度逐漸增大。

（7）同一埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，土層順序改變前后，軟土層變換的深的土層與軟土層變換的淺的土層峰值速度基本相同，都略小于原始土層的峰值速度。

（8）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，隨著基底入射波加速度值的增大，峰值速度逐漸增大。

（9）同一埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，土層順序改變前后，土層峰值位移基本相同。

（10）同一土層，在不同的埃爾森特羅地震動(dòng)作用下，隨著基底入射波加速度值的增大，峰值位移逐漸增大。

（11）結(jié)構(gòu)變動(dòng)后土層的Samax和未變動(dòng)前土層的Samax，二者之間的比值隨著輸入el波加速度峰值的增加基本不變。

5 結(jié)論

本文以實(shí)際場地鉆孔資料為基礎(chǔ)，挑選了1個(gè)典型的場地剖面，以場地波速結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，分別變換了兩次土層順序，選用埃爾森特羅地震波的加速度記錄作為基底入射波，并考慮輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的影響，調(diào)整輸入地震動(dòng)的加速度值，利用soil程序共進(jìn)行了21種不同工況的數(shù)值計(jì)算，分析了場地波速結(jié)構(gòu)對(duì)地表地震動(dòng)的影響，并歸納了一些規(guī)律。通過上述分析，可得到以下結(jié)論：

（1）同一土層結(jié)構(gòu)，輸入地震動(dòng)強(qiáng)度不同，特征周期值不變。

（2）在同一地震動(dòng)輸入作用下，土層結(jié)構(gòu)改變后，反應(yīng)譜形狀相似，大小改變。

（3）同一土層結(jié)構(gòu)，輸入的地震動(dòng)強(qiáng)度越大，Amax、Vmax、Dmax、Samax越大。

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