楊彥鑫，林大富，馬建林，裴浩翔

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

地震對鐵路路基具有破壞性，震害程度取決于局部場地的地質(zhì)環(huán)境[1-2]。相關學者對場地響應開展了研究，文獻[3]研究了季節(jié)性凍土區(qū)各類場地在不同凍土深度與剪切波速下的地表反應譜。文獻[4]根據(jù)強震臺網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)計算分析覆蓋層厚度對場地放大因子計算方法的影響。文獻[5]根據(jù)余震記錄，對比分析不同的場地非線性響應分析方法。文獻[6]統(tǒng)計得到了場地放大效應與基巖輸入地震波和場地指數(shù)的表達式。場地響應分析可分為線性分析法和非線性分析法。文獻[7]等提出等效線性分析方法，但在強震作用下，土體應力應變關系表現(xiàn)為非線性。文獻[8]用雙曲線模型描述土的非線性關系。文獻[9]等提出黏彈性-塑性本構(gòu)模型，表達土體的剪切模量衰減和滯回阻尼曲線。

鐵路修建會面臨不同場地條件，而對鐵路規(guī)范場地分類條件下的非線性場地響應分析的研究較少。本文在不同地震震級下，利用Deepsoil程序?qū)ΜF(xiàn)行鐵路規(guī)范中的3類場地進行非線性響應分析。

1 場地響應分析

在土體大變形條件下，需利用非線性分析方法分析場地條件對地震動特性的影響[10]。Deepsoil能考慮孔壓消散模型，進行一維非線性分析，采用修正雙曲線本構(gòu)模型描述土體的應力應變關系[11]，采用參數(shù)β，s提高本構(gòu)模型的精度。模型也定義了參考剪切應變，引入?yún)?shù)b，并根據(jù)豎向有效應力確定。Deepsoil程序采用Masing準則來構(gòu)造滯回曲線，采用完全瑞利阻尼方法，該方法不會導致高頻的過阻尼，也適用于大應變時的非線性分析。

2 計算模型及參數(shù)

根據(jù)GB 50111—2006，構(gòu)造25 m厚的砂土類場地S和黏土類場地C，并分別設置3類場地(Ⅰ類場地不作考慮)，主要考慮對中硬土，中軟土及軟弱土進行場地響應分析。

3種不同剪切波速的砂土記為S1，S2，S3。3種不同剪切波速的黏土類場地，記為C1，C2，C3。對2種類型場地，剪切波速Vs分別設置為 150，200，375 m/s。以剪切波速150 m/s時黏土質(zhì)場地為示例，土體動力特性參數(shù)見表1。

表1 Vs＝150 m/s時土層動力特性參數(shù)

3 不同場地條件下的場地響應

采用時程分析法進行地震響應分析時需選擇至少2條實際強震記錄。本文選取了2條Northridge(北嶺地震)地震波作為出露輸入地震波，地震波1的峰值加速度為0.217g，距離斷層距離為26.8 km，地震震級為6.7級。地震波2的峰值加速度為0.098g，距離斷層距離為43.4 km，地震震級為6.7級。分別縮放2條地震波峰值加速度為 0.05g，0.15g，0.3g，0.4g，對應 6，7，8，9 度地震烈度。

4 計算結(jié)果與分析

假設土層在基巖上且均勻成層，在2條所選的地震波作用下，分析3種等效剪切波速Vsc情況下砂土和黏土場地的地震響應。

4.1 不同地表土性對地震動峰值加速度的影響

砂土層、黏土層地表峰值加速度as與輸入加速度ae比見表2、表3?？芍?砂土類場地在強地震動的作用下，as/ae值最小為0.253。黏土場地地表對地表峰值加速度的縮放作用強于砂土場地，在Ⅲ，Ⅳ類場地中這種區(qū)別更為明顯。對同一場地而言，隨著輸入加速度的增大，as/ae值減??；具有不同等效剪切波速Vsc的2類場地地表對地表峰值加速度的影響作用由放大轉(zhuǎn)變?yōu)榭s小。

表2 砂土層地表峰值加速度與輸入加速度比

表3 黏土層地表峰值加速度與輸入加速度比

在不同地震波作用下地震動峰值加速度隨深度變化曲線見圖1?？芍?，類土性的場地地表對地表動峰值加速度的放大作用均是在Vsc＝375 m/s時較為明顯，且該放大作用隨輸入加速度增大而減弱。對于Ⅱ類場地，低烈度地震造成的震害作用不容忽視。

圖1 不同地震波作用下地震動峰值加速度隨深度變化曲線

4.2 最大剪切應變的比較

不同地震波作用下最大剪應變隨深度變化曲線見圖2。可知，各類場地的最大剪應變由基底到地表大體呈減小趨勢，最小值均出現(xiàn)在地表。在同一高烈度地震波作用下，相同等效剪切波速的砂土類場地土層最大剪應變大于黏土類場地。而在低烈度地震作用下，兩者差距不大。隨著地震烈度的增大，土層剪應變由線性趨于非線性。

圖2 不同地震波作用下最大剪應變隨深度變化曲線

4.3 地震反應譜分析

地震波作用下各類場地反應譜見圖3?？芍诘卣鸩?作用下，卓越周期集中在0.15～0.20 s；在地震波2作用下，卓越周期集中在0.40～0.70 s。

圖3 地震波作用下各場地反應譜

表4與表5分別為在地震波作用下砂土場地和黏土場地反應譜的擬加速度反應譜最大值。各類場地在同一類型地震波作用下，擬加速度反應譜值隨輸入地震波地表動峰值加速度增大而增大，且擬加速度反應譜曲線隨時間的走勢相近。黏土質(zhì)場地的擬加速度反應譜值高于同等條件下的砂土質(zhì)場地。

表4 地震波作用下黏土場地反應譜的擬加速度反應譜最大值 g

表5 地震波作用下砂土場地反應譜的擬加速度反應譜最大值 g

5 結(jié)論

本文采用的計算模型較簡單，考慮了基巖上覆蓋土層為多種土性的情況，只適用于均質(zhì)單一場地的分析。同時，采用不同本構(gòu)模型也會對場地響應計算結(jié)果造成影響，而文中只考慮了MKZ模型(Matasovic，1993)。本文只討論了2條地震波的響應規(guī)律，而地震波的頻譜成分相應地對各類場地造成的影響未考慮。根據(jù)計算分析得出以下結(jié)論:

1)在同一地震輸入作用下，黏土場地的地表峰值加速度與輸入地表加速度比較砂土場地大，地震輸入對應為6級烈度時，對于Ⅱ類場地，2種土性場地的放大效應最為明顯。

2)高烈度地震輸入條件下，砂土場地的最大剪應變大于黏土場地，土層剪應變隨著烈度增大，由線性趨于非線性；

3)在同一地震輸入作用下，擬加速度反應譜值隨著地震輸入的增加而增大，黏土場地的擬加速度反應譜高于砂土場地。