昆明盆地粉質(zhì)粘土土動(dòng)力參數(shù)研究1

李建有 太樹剛 林鳳仙 梁 坤 陳小強(qiáng)

（昆明南方地球物理技術(shù)開發(fā)有限公司，昆明 650231）

昆明盆地粉質(zhì)粘土土動(dòng)力參數(shù)研究1

李建有 太樹剛 林鳳仙 梁 坤 陳小強(qiáng)

（昆明南方地球物理技術(shù)開發(fā)有限公司，昆明 650231）

土動(dòng)力參數(shù)是土層地震反應(yīng)分析中重要的參數(shù)之一，且具有較強(qiáng)的區(qū)域性特點(diǎn)。本文收集了昆明盆地區(qū)域內(nèi)68個(gè)場地的137組粉質(zhì)粘土的動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并通過土層地震反應(yīng)分析計(jì)算，與袁曉銘的推薦值和《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)工作規(guī)范（DB001-94）》中給出的規(guī)范值做了對(duì)比，結(jié)果表明：采用本文統(tǒng)計(jì)的土動(dòng)力參數(shù)，所得的地震動(dòng)參數(shù)具有一定的代表性和適用性。在昆明盆地區(qū)域，本文的統(tǒng)計(jì)值在Ⅱ、Ⅲ類工程場地地震安全性評(píng)價(jià)工作中具有一定的借鑒和參考作用。

粉質(zhì)粘土 土動(dòng)力參數(shù) 統(tǒng)計(jì)分析 昆明盆地

李建有，太樹剛，林鳳仙，梁坤，陳小強(qiáng)，2015.昆明盆地粉質(zhì)粘土土動(dòng)力參數(shù)研究.震災(zāi)防御技術(shù)，10（4）：872—883. doi：10.11899/zzfy20150405

引言

土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比是工程場地地震安全性評(píng)價(jià)中土層地震反應(yīng)分析不可或缺的參數(shù)。《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）規(guī)定：I級(jí)工作應(yīng)對(duì)各層土樣進(jìn)行動(dòng)三軸和共振柱試驗(yàn)，II級(jí)工作和地震小區(qū)劃應(yīng)對(duì)有代表性的土樣進(jìn)行動(dòng)三軸或共振柱試驗(yàn)。對(duì)于II級(jí)工作和地震小區(qū)劃中，場地內(nèi)的薄層或透鏡體則可以參考基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的規(guī)范值或推薦值。目前，應(yīng)用較為廣泛的有《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)工作規(guī)范（DB001-94）》（中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1994）中給出的規(guī)范值和袁曉銘等（2000）對(duì)來自北京、上海、天津、南京、大連、太原、沈陽和哈爾濱等全國中東部十幾個(gè)地區(qū)的常規(guī)土類進(jìn)行了大量試驗(yàn)所給出的推薦值。施春花等（2009）、史丙新等（2010）、蔣其峰等（2014）分別對(duì)北京地區(qū)粉質(zhì)粘土、天津?yàn)I海典型土類和渤海海域粉質(zhì)粘土土動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比，并做了適用性論證；呂悅軍等（2003）對(duì)渤海海底的常規(guī)土類動(dòng)剪切模量比和阻尼比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了各類土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變變化關(guān)系及推薦值；王津津等（2014）、蘭景巖等（2012）分別對(duì)山東東營地區(qū)和渤海海域典型土類的土動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。大量的研究表明，土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有很強(qiáng)的區(qū)域性。

昆明盆地是晚新生代以來形成的斷陷盆地，上新世至第四紀(jì)沉積厚達(dá)千米。地層主要為湖積、沖積和沖洪積相為主，多以薄層或透鏡體形態(tài)分布。本文對(duì)昆明盆地典型土層之一，即粉質(zhì)粘土動(dòng)三軸試驗(yàn)所得的動(dòng)剪切模量比和阻尼比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，給出了不同埋深的動(dòng)力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值。通過土層地震反應(yīng)分析，對(duì)比了規(guī)范值和推薦值，論述了本文所得的統(tǒng)計(jì)值對(duì)于該地區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果的適用性和合理性。

1 數(shù)據(jù)來源

本文共收集了昆明盆地區(qū)域范圍內(nèi)68個(gè)場點(diǎn)（圖1）的137組粉質(zhì)粘土的動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)由云南省設(shè)計(jì)院勘察分院、山東同方防震技術(shù)有限公司及山東省地震工程研究院土力學(xué)與年代學(xué)試驗(yàn)室完成。試驗(yàn)儀器均使用了北京市新技術(shù)研究所生產(chǎn)的DDS-70微機(jī)控制電磁式多功能靜動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。收集的137組粉質(zhì)粘土樣品埋深在1—95m之間，并在浸水飽和及固結(jié)完成后，在不排水的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

對(duì)于同一類型的土體，土樣的埋深對(duì)其剪切模量比和阻尼比有重要的影響（袁曉銘等，2005；Zhang等，2005）。地表以下30m深度內(nèi)的地層特性是影響地震效應(yīng)的關(guān)鍵（Anderson 等，1996；薄景山等，2003）。故本文在0—30m之間盡量細(xì)分統(tǒng)計(jì)區(qū)間，綜合考慮統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量，在剔除異常值后，本文按照0—5m、5—10m、10—15m、15—20m、20—30m、30—40m、40—60m、60—80m及＞80m等9個(gè)不同埋深區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。表2給出了不同埋深區(qū)間的統(tǒng)計(jì)平均值及方差最大值。

圖1 工程場點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution map of 68 engineering sites

表1 樣本量統(tǒng)計(jì)Table 1 Total sample numbers at different depth ranges

表2 不同埋深區(qū)間的統(tǒng)計(jì)平均值Table 2 Mean values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio at different depth ranges

續(xù)表

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，隨剪應(yīng)變?cè)龃?，?dòng)剪切模量比和阻尼比試驗(yàn)值離散程度呈先增大后減小的趨勢。以10—15m深度區(qū)間為例，從樣本值和統(tǒng)計(jì)平均值（圖2）以及離差（圖3）可以看出，當(dāng)剪應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，動(dòng)剪切模量比的最大離差絕對(duì)值從0.0025增加至0.1352，而后減小至0.0724；阻尼比的最大離差絕對(duì)值從0.0250增加至0.0784，而后減小至0.0573。在剪應(yīng)變?yōu)?0-3時(shí)，動(dòng)剪切模量比的方差最大；對(duì)于阻尼比，剪應(yīng)變?cè)?0-3—10-2區(qū)間時(shí)，其最大方差均有出現(xiàn)?？傮w上看，阻尼比的離散性相對(duì)動(dòng)剪切模量更大，這可能與粘性土阻尼的離散性較大有關(guān)（蔡輝騰等，2009）。

圖2 10—15m深度區(qū)間動(dòng)剪切模量比（a）和阻尼比（b）統(tǒng)計(jì)平均值Fig. 2 Mean values of dynamic shear modulus ratio （a） and damping ratio （b） at depth from 10m to 15m

圖3 10—15m深度區(qū)間動(dòng)剪切模量比（a）和阻尼比（b）的離差Fig. 3 Deviations of dynamic shear modulus ratio （a） and damping ratio （b） at depth from 10m to 15m

本文的統(tǒng)計(jì)值與規(guī)范值和袁曉銘的推薦值對(duì)比（圖4）表明：就動(dòng)剪切模量比而言，統(tǒng)計(jì)值最高，尤其在大應(yīng)變值范圍內(nèi)明顯高于推薦值和規(guī)范值；剪應(yīng)變?cè)?0×10-4時(shí)，本文不同深度的統(tǒng)計(jì)值均比標(biāo)準(zhǔn)值大一倍多，最大者為標(biāo)準(zhǔn)值的3倍有余；與袁曉銘的推薦值相比，在0—10m區(qū)間，統(tǒng)計(jì)值是推薦值的1.5—1.6倍，在10—20m區(qū)間，二者相差1.4—1.5倍。而阻尼比在剪應(yīng)變小于10×10-4時(shí)，統(tǒng)計(jì)值小于規(guī)范值和袁曉銘的推薦值；在剪應(yīng)變大于10×10-4時(shí)，統(tǒng)計(jì)值大于規(guī)范值和袁曉銘的推薦值，但總體相差不明顯。上述分析結(jié)果說明，本文的統(tǒng)計(jì)值與規(guī)范值和袁曉銘的推薦值存在比較大的差異。

圖4 本文的動(dòng)剪切模量比與阻尼比統(tǒng)計(jì)值與袁曉銘推薦值、規(guī)范值的對(duì)比Fig. 4 Comparison of the values in this paper to those proposed by Yuan Xiaoming and the standard code

3 統(tǒng)計(jì)值的適用性分析

動(dòng)剪切模量比和阻尼比對(duì)土層地震反應(yīng)的影響是顯著的（王紹博等，2001；蘭景巖等，2008），尤其是處于地震活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)（≥0.2g的區(qū)域），等效應(yīng)變10-3附近或更高的值域的土體剪切模量比值往往對(duì)土層地震反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響（李小軍，2006）。昆明盆地為普渡河斷裂控制的斷陷盆地。從盆地新生界等厚線（圖1）看，盆地中西部覆蓋層較厚，場地類型多為Ⅲ類；東部及邊緣地帶覆蓋層較薄，場地類型多為Ⅱ類。為了分析不同土動(dòng)力學(xué)參數(shù)的差異對(duì)土層地震反應(yīng)分析的影響及統(tǒng)計(jì)值的適用性，下面通過實(shí)際的Ⅱ類、Ⅲ類場地各1個(gè)（每個(gè)場地包括2個(gè)實(shí)際鉆孔模型）以及模擬的單一土層的Ⅱ類、Ⅲ類場地各1個(gè)，分別運(yùn)用規(guī)范值、推薦值和統(tǒng)計(jì)值等三種不同的土動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較。

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)的選取

采用的實(shí)際鉆孔模型（表3）均為昆明盆地2個(gè)場地的實(shí)際鉆孔的土層剖面。模型中剪切波速、密度及其余土類的土動(dòng)力學(xué)參數(shù)均采用實(shí)測值，粉質(zhì)粘土的土動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別采用統(tǒng)計(jì)值、推薦值和規(guī)范值。

單一粉質(zhì)粘土層的計(jì)算模型5（即Ⅱ類場地）和計(jì)算模型6（即Ⅲ類場地）中，覆蓋層分別取45m和85m，剪切波速分別采用李存志等（2006）和李建有等（2012）對(duì)昆明盆地粘性土（1）式和粉質(zhì)粘土（2）式的剪切波速V與埋深H的統(tǒng)計(jì)公式所得，密度值均取1.90g/cm3，土體分層厚度均取5m。土動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)值、推薦值和規(guī)范值分別進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，采用人工合成地震動(dòng)，按50年超越概率63%、10%、2%三種概率水準(zhǔn)合成基巖加速度時(shí)程，其中每一種概率水準(zhǔn)合成3條時(shí)程曲線（圖5），進(jìn)行土層地震反應(yīng)計(jì)算。

表3 計(jì)算模型Table 3 Computational models

續(xù)表

3.2 土層反應(yīng)分析計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用一維等效線性化波動(dòng)方法進(jìn)行地震反應(yīng)分析計(jì)算，三種不同的土動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)的50年超越概率63%、10%和2%的地表平均反應(yīng)譜（圖6、圖7）、地震動(dòng)加速度峰值和速度峰值（表4）。反應(yīng)譜特征周期利用雙參數(shù)法（廖振鵬，1989）確定（3）式，結(jié)果列于表5。

式中，Amax為加速度峰值；Vmax為速度峰值。

圖5 輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程Fig.5 Input of acceleration time history curves of ground motion

表4 不同土動(dòng)力學(xué)參數(shù)取值下的平均峰值加速度和峰值速度Table 4 Average peak acceleration and peak velocity from different soil dynamic parameters

圖6 實(shí)際場地不同概率水準(zhǔn)、不同土動(dòng)力學(xué)參數(shù)的平均反應(yīng)譜曲線Fig. 6 Average response spectrum curves at different exceeding probabilities of different soil dynamic parameters in the practical sites

表5 不同土動(dòng)力學(xué)參數(shù)取值下的特征周期Table 5 Characteristic period under different soil dynamic parameters

從圖6、圖7可以看出，50年超越概率為63%的情況下，三種不同土動(dòng)力參數(shù)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜差別不大；而50年超越概率為10%和2%時(shí)，則統(tǒng)計(jì)值和袁曉銘的推薦值與規(guī)范值對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜差別較大，尤其在大震情況下，差別更明顯。這種差別主要表現(xiàn)為：在高、中頻段，譜值由高到低依次為統(tǒng)計(jì)值，推薦值和規(guī)范值；而在低頻段，則反之，即統(tǒng)計(jì)值、推薦值和規(guī)范值分布計(jì)算所得的反應(yīng)譜由高而窄變?yōu)榘鴮?。由?可以得出，在中震情況下，對(duì)于Ⅱ類場地，實(shí)際模型采用統(tǒng)計(jì)值計(jì)算的加速度峰值與推薦值和規(guī)范值分別相差4%和9%，單一土層模型的分別相差7%和37%；對(duì)于Ⅲ類場地，實(shí)際模型和單一土層模型分別相差7%、22%和13%、33%。在大震情況下，對(duì)于Ⅱ類場地，實(shí)際模型采用統(tǒng)計(jì)值計(jì)算的加速度峰值與推薦值和規(guī)范值分別相差7%和22%，單一土層模型的分別相差20%和48%；對(duì)于Ⅲ類場地，實(shí)際模型和單一土層模型分別相差8%、45%和19%、46%。由上述分析可得，模擬的單一土層模型計(jì)算所得加速度峰值的差異較實(shí)際場地的更大，且Ⅲ類場地的差別較Ⅱ類場地更甚。表5表明，特征周期的差異亦體現(xiàn)在中震和大震的情況下，實(shí)際模型和單一土層模型計(jì)算所得的特征周期最大差異分別為0.52s和0.46s。

綜上所述，不同的土動(dòng)力參數(shù)對(duì)在以Ⅱ、Ⅲ類場地為主的昆明盆地的土層地震反應(yīng)分析的結(jié)果影響較大，再次印證了土動(dòng)力參數(shù)具有較強(qiáng)的區(qū)域性。鑒于本文統(tǒng)計(jì)值的數(shù)據(jù)資料來源于昆明盆地，與規(guī)范值和推薦值相比，更能代表昆明盆地區(qū)域場地土的動(dòng)力特性。

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)昆明盆地粉質(zhì)粘土的土動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行了不同深度的統(tǒng)計(jì)分析，并與目前運(yùn)用較為廣泛的袁曉銘的推薦值和規(guī)范值做了分析對(duì)比，經(jīng)土層地震反應(yīng)分析，進(jìn)一步分析了三種土動(dòng)力參數(shù)的差異性，得出了下列結(jié)論：

（1）統(tǒng)計(jì)值的動(dòng)剪切模量比最高，尤其在大應(yīng)變值范圍（0.001—0.01）內(nèi)，明顯高于推薦值和規(guī)范值；其次為推薦值和規(guī)范值。而對(duì)于阻尼比而言，三者總體相差不明顯。

（2）50年超越概率為63%的情況下，三種不同土動(dòng)力參數(shù)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜、地震動(dòng)加速度峰值和特征周期差別不明顯；而50年超越概率為10%和2%時(shí)，則統(tǒng)計(jì)值對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜與規(guī)范值和推薦值對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜差別較為明顯，且Ⅲ類場地的差別較Ⅱ類場地更甚。

（3）在高、中頻段，統(tǒng)計(jì)值和規(guī)范值計(jì)算的反應(yīng)譜高于規(guī)范值計(jì)算的反應(yīng)譜；在低頻段，則反之。

（4）特征周期在不同概率水準(zhǔn)下，統(tǒng)計(jì)值計(jì)算的最小，規(guī)范值計(jì)算的最大，最大差異為0.52s。

經(jīng)對(duì)比分析，采用本文統(tǒng)計(jì)的土動(dòng)力參數(shù)，在昆明盆地更具代表性和適用性。因此，本文的統(tǒng)計(jì)值在Ⅱ、Ⅲ級(jí)工程場地地震安全性評(píng)價(jià)工作中具有一定的借鑒和參考意義，尤其是對(duì)建筑物較矮的情況。由于統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的限制，以及土動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有較大的離散性，對(duì)于特重大工程和超高層建筑不可直接使用本文的統(tǒng)計(jì)值。

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Research on Dynamic Parameters of Silty Clay in the Kunming Basin

Li Jianyou， Tai Shugang， Lin Fengxian， Liang Kun and Chen Xiaoqiang

（Kunming Southern Geophysical Technology Development Co.， Ltd.， Kunming 650231， China）

Soil dynamic parameter， which is strong region-dependent， is one of the important parameters for seismic response analysis of the solid layer. In this paper， dynamic parameters of silty clay are obtained from triaxial tests of 137 samples collected from 68 sites in the Kunming basin. We carry out the soil seismic response calculation， and compare our results from statistical analysis with values recommended by Yuan Xiaoming， and those recommended by the code for seismic safety evaluation of engineering sites. Our result shows that the values of dynamical parameters in this work are representative and applicable. Therefore， these values can be used as reference in the seismic risk assessment of engineering projects of Ⅱ， Ⅲ levels in the Kunming basin.

Silty clay； Soil dynamic parameters； Statistical analysis； Kunming basin

2015-02-02

李建有，男，生于1983年。工程師。主要研究領(lǐng)域：地震安全性評(píng)價(jià)。E-mall：ynwilbur@163.com