楊明杰，郭明珠

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100022)

0 引言

工程場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的確定和對(duì)場地地震效應(yīng)的合理評(píng)價(jià)是預(yù)測工程震害，并采取有效防御措施的重要科學(xué)依據(jù)。土層地震反應(yīng)分析模型中覆蓋土層厚度對(duì)地震動(dòng)參數(shù)有著顯著影響。我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010，2016年版)將場地20m 和覆蓋層厚度較小值以淺的土層等效剪切波速作為場地類別劃分的依據(jù)，美國、歐洲等不考慮覆蓋層厚度，用30m 以潛的加權(quán)平均剪切波速劃分場地類別。Anderson等［1］認(rèn)為地震效應(yīng)的決定因素是地表30m 以淺的土層特性。羅開海等［2］、黃雅虹等［3］、戰(zhàn)吉艷等［4］也提出我國應(yīng)該借鑒美、歐等國經(jīng)驗(yàn)，將30m作為等效剪切波速的計(jì)算深度。

有關(guān)土層地震反應(yīng)分析輸入面選取的研究工作主要圍繞著輸入面剪切波速值變化對(duì)特定場地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響而展開。彭小波等［5］、王沖等［6－10］、朱姣等［11－12］、李建亮等［13］通過國內(nèi)外主流土層反應(yīng)分析方法，研究輸入面對(duì)地表地震動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律，并得出了很多有意義的結(jié)論。

本文在前人研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，計(jì)算Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地在3 種輸入地震動(dòng)強(qiáng)度下的地表峰值加速度，研究不同覆蓋土層厚度(5 ～40m)作為輸入面對(duì)PGA 的影響，為科學(xué)合理的考慮場地的地震作用提供依據(jù)，為今后場地類別劃分的研究提供參考。

1 計(jì)算模型的建立

本文主要研究覆蓋土層由5m 增加到40m 時(shí)地表峰值加速度的變化，依據(jù)我國現(xiàn)行場地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，從我國不同地區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中選出3 個(gè)有代表性的鉆孔，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地各1 個(gè)，深度分別為40m、92m 和130m。采用剪切波速內(nèi)插的方法，以5m 為梯度確定地表以下5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m 的土層頂面作為輸入面，3 個(gè)鉆孔共構(gòu)成24 個(gè)土層剖面。由于Ⅰ類場地覆蓋層小于5m，進(jìn)行深度外推時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大偏差，且較多學(xué)者都得到了Ⅰ類場地對(duì)地震參數(shù)影響較小的結(jié)論，故本文不再對(duì)Ⅰ類場地進(jìn)行計(jì)算研究。鑒于篇幅有限，僅列舉其中一個(gè)Ⅲ類場地鉆孔的詳細(xì)信息(表1)。計(jì)算模型所采用的土層非線性參數(shù)中，雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土取北京工業(yè)大學(xué)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的室內(nèi)土壤動(dòng)力三軸試驗(yàn)的平均值參與計(jì)算，細(xì)砂是根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中柱狀圖密度描述采用密實(shí)砂的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 Ⅲ類場地(92.1m)鉆孔剖面Tab．1 The borehole profile of site Ⅲ(92.1m)

2 計(jì)算方法

本文選用新一代一維土層地震反應(yīng)計(jì)算方法和程序SOILQUAKE［14－16］。該方法與現(xiàn)有方法正確結(jié)果的精度相當(dāng)，可以克服國際主流軟件嚴(yán)重低估場地放大效應(yīng)的缺點(diǎn)，消除反應(yīng)譜矮粗胖現(xiàn)象。本文的地震動(dòng)輸入選取北京飯店波，在SOILQUAKE 軟件中直接調(diào)整地震動(dòng)最大幅值，得到3 條加速度峰值為98gal、196gal、392gal的地震動(dòng)。北京飯店波的加速度時(shí)程如圖1所示。

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 Ⅱ類場地中覆蓋土層的變化對(duì)PGA 的影響

圖2 和圖3 是覆蓋層厚度為40m 的Ⅱ類場地在98gal、196gal 和392gal 3 種地震動(dòng)強(qiáng)度下，PGA 及地表峰值加速度與輸入地震動(dòng)峰值加速度之比(放大倍數(shù))的變化曲線。由圖2、3 可見:

圖1 北京飯店波加速度時(shí)程Fig．1 Acceleration time history of Beijing Hotel wave

圖2 Ⅱ類場地覆蓋土層對(duì)PGA 的影響Fig．2 Effect of overburden with the thickness of 40 m on PGA in site II

圖3 Ⅱ類場地覆蓋土層對(duì)放大倍數(shù)的影響Fig．3 Effect of overburden with the thickness of 40 m on magnification in site II

(1)PGA 與輸入地震動(dòng)強(qiáng)度正相關(guān)，同一覆蓋土層厚度下，輸入地震動(dòng)越大，PGA 越大。

(2)PGA 在覆蓋土層厚度30m 時(shí)達(dá)到最大值。在392gal 輸入下，PGA 在30m 以深隨覆蓋土層厚度變化不大，而在98gal 和196gal 輸入下，PGA 在35m 有一個(gè)明顯的降幅。

(3)放大倍數(shù)與輸入地震動(dòng)強(qiáng)度反相關(guān)，同一覆蓋土層厚度下，輸入地震動(dòng)強(qiáng)度越大，放大倍數(shù)越小。

(4)放大倍數(shù)在25m 和30m 時(shí)達(dá)到較大值，且放大倍數(shù)在該覆蓋土層厚度下隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加而變小的趨勢更加顯著。

3.2 Ⅲ類場地中覆蓋土層的變化對(duì)PGA 的影響

圖4 和圖5 是覆蓋層厚度92.1m 的Ⅲ類場地在3 種地震動(dòng)強(qiáng)度下，PGA 和放大倍數(shù)的變化曲線。除得到3.1 中(1)和(3)的兩個(gè)結(jié)論外，還可以總結(jié)出以下結(jié)論:

圖4 Ⅲ類場地覆蓋土層對(duì)PGA 的影響Fig．4 Effect of overburden with the thickness of 92．1 m on PGA in site III

圖5 Ⅲ類場地覆蓋土層對(duì)放大倍數(shù)的影響Fig．5 Effect of overburden with the thickness of 92．1 m on magnification in site III

(1)PGA 在覆蓋土層厚度為15m 和40m 時(shí)出現(xiàn)兩次明顯峰值，說明較深厚度的覆蓋土層也會(huì)影響場地的地震作用。

(2)在覆蓋土層厚度為40m 時(shí)，放大倍數(shù)在3 種地震動(dòng)輸入強(qiáng)度下均達(dá)到最大值。

(3)隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加，放大倍數(shù)在25m 和30m 時(shí)減小趨勢較為明顯。

3.3 Ⅳ類場地中覆蓋土層的變化對(duì)PGA 的影響

圖6 和圖7 是覆蓋層厚度130m 的Ⅳ類場地在3 種地震動(dòng)強(qiáng)度下，PGA 和放大倍數(shù)的變化曲線。由圖6、7 可見:

圖6 Ⅳ類場地覆蓋土層對(duì)PGA 的影響Fig．6 Effect of overburden with the thickness of 130 m on PGA in site IV

圖7 Ⅳ類場地覆蓋土層對(duì)放大倍數(shù)的影響Fig．7 Effect of overburden with the thickness of 130 m on magnification in site IV

(1)在392gal 地震動(dòng)輸入下，PGA 在覆蓋土層40m 深度時(shí)達(dá)到最大值，在其他兩種地震動(dòng)輸入下，PGA 均在30m 深度達(dá)到最大值。

(2)覆蓋土層厚度為30m 時(shí)，放大系數(shù)在3種輸入地震動(dòng)強(qiáng)度下均達(dá)到最大值。

4 結(jié)論和建議

本文利用SOILQUAKE 程序計(jì)算了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地在3 種輸入地震動(dòng)強(qiáng)度下，覆蓋土層厚度變化對(duì)PGA 和放大倍數(shù)的影響。結(jié)果表明，地表峰值加速度與輸入地震動(dòng)強(qiáng)度正相關(guān)，同一覆蓋土層厚度下，輸入地震動(dòng)強(qiáng)度越大，PGA 越大，Ⅱ、Ⅳ類場地PGA 在覆蓋土層厚度約30m 時(shí)達(dá)到最大值，Ⅲ類場在40m 時(shí)達(dá)到最大值。場地放大倍數(shù)與輸入地震動(dòng)強(qiáng)度反相關(guān)，在覆蓋土層厚度25～30m 時(shí)，放大倍數(shù)在3 種輸入地震動(dòng)強(qiáng)度下均達(dá)到最大值，且不同輸入地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)放大倍數(shù)影響的差異較大。

土層地震反應(yīng)是非常復(fù)雜的土體動(dòng)力學(xué)問題，本文沒有研究輸入地震動(dòng)的頻譜特性、場地的土層結(jié)構(gòu)、Ⅲ、Ⅳ類場地更深覆蓋土層厚度等因素對(duì)PGA 的影響。本文得出的相關(guān)結(jié)論可以為場地分類的研究提供參考，今后將會(huì)基于更多的場地模型、輸入地震動(dòng)等資料對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究。