不均匀土层对场地地震反应的影响分析

不均匀土层对场地地震反应的影响分析

毕明超

云南新创新交通建设股份有限公司，云南昆明 650041

摘要：场地地震反应分析是工程场地地震安全性评价重要组成部分，分析结果受计算模型选取的影响显著。本论文选择一个剖面（含有两个钻孔）做一维计算和二维分析，最终得到地下某个局部土体对场地地震反应的影响。研究发现:在一维计算中，存在不均匀土层时Amax和Tg值变化幅度均超过二维模型计算结果。在相同情况下，一维计算的特征周期明显偏高；在特征周期相同情况下，存在不均匀土层工况中，一维计算的峰值加速度明显偏高，今后工作中应考虑这一影响，土层场地地震反应分析时科学的选用计算模型，给地震安全性评价提供更可靠的数据。

关键词：一维计算；二维计算；不均匀土层；地震反应

[1] 引  言

工程场地地震安全性评价分为地震地质、地震危险性分析、土层地震反应分析三部分[1,2]。现阶段工程场地地震安全性评价工作中，土层地震反应分析是以无限半空间的一维模型为基础[3]，建模时严格按钻孔模型进行，在考虑某不均匀土体对整个场地的贡献时，可能会有偏差。杨笑林等[4]建立了二维分析模型计算地震反应分析，计算结果吻合度较好；金丹丹等[5]提出二维非线性分析能真实地反映场地地震动的传播特征。边界条件是土层地震反应必须考虑的问题之一[6]；陈清军等[7]验证了人工边界取值随机地震反应分析中的有效性。为了确保工程的安全性，就需要给出准确，合理的工程场地地震动参数来应对地震的考验。对于不同类别的场地条件，其与地震动参数变化的经验关系都不尽相同[8]，场地非线性不仅会降低放大作用的峰值[9]，还会显著提高地震响应反应谱的卓越周期[10,11]。

本文选用实际场地进行建模，对比分析一维和二维均匀与不均匀土层的对场地地震反应的计算结果，探索土层场地地震反应分析模型的选用规律，给地震安全性评价提供更可靠的数据。

2 场地概况

2.1  工程地质概况

场地位于昆明晋宁，南临环湖路，北临滇池，处于长腰山山顶及南侧斜坡前缘地带，属低中山剥蚀地貌。据《中国地震动参数区划图 (GB18306-2015)》[12]，场地地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度值为0.2g，特征周期Tg=0.45s。

土层为：①素填土；②粘土；③粘土；④强风化灰岩，如图1所示。

2.2  土层剪切波速测试

由波速测试结果，DZK1、DZK2两个钻孔分别在11m、10m时，剪切波速＞500m/s，等效剪切波速分别为305.6m/s、311.5m/s，覆盖层厚度＞5m，中硬场地土，II类建筑场地。

图1 工程地质剖面图

Fig.1  The Profile of Engineering Geology

2.3  土动力学参数

粘土土动力学参数为实测值，其余为中国地震局行业标准中的推荐值。

1

表1 各类土动力学参数表

Tab.1Table of dynamic parameters of all kinds of soil

1

1

2.4  钻孔模型

钻孔模型包括钻孔深度，各土层厚度、描述、密度等。钻孔如表2所示，表中 DZK1和 DZK2为均匀土层资料，DZK1’和DZK2’为存在不均匀土层（淤泥）资料，DZK1’’和DZK2’’为增加不均匀土层(淤泥)厚度资料。

表2钻孔模型

Tab.2 Drilling models

2.5  地震动输入界面的确定

一般将剪切波速大于500m/s的土层顶面作为假想基岩地震动输入界面[13]。结合实际钻孔情况，本文取VS＞500m/s的层位作为地震动输入界面。

2.6  输入地震动时程及反应谱

本文采用EL centro地震动进行分析。时间间隔0.02秒。地震动时程曲线和反应谱如图2所示。

a.加速度时程曲线

b.加速度反应谱

图2  EL centro地震动特征谱图

Fig. 2 Seismic characteristic spectrum of El centro

3 一维土层地震反应分析

采用一维等效线性波动法（水平成层均匀半无限线弹性空间）求解。平面剪切地震波从基岩半空间内自下而上向覆盖层入射。各层竖直坐标轴z原点设置在该层的顶面，正向向下，如图3所示。

图3  土层地震反应分析的一维力学模型

Fig.3One-dimensional mechanical model of seismic response analysis for soil layers

计算结果如表3所示；对应的加速度反应谱，如图4所示。

表3 钻孔加速度峰值和设计地震动参数值

Tab.3 Acceleration peak value of borehole and design ground motion parameters

a.场地(DZK1、DZK2)加速度反应谱

b.场地(DZK1’、DZK2’)加速度反应谱

c.场地(DZK1’’、DZK2’’)加速度反应谱

图4 一维模型加速度反应谱

Fig.4Acceleration response spectrumof one-dimensional model

由表3及图4可知，Amax、αmax大幅缩小，Tg大幅上升；增加软弱夹层的厚度，影响逐渐增大。说明软弱夹层对地震动有隔震效应，且会加长地震动特征周期，对高频地震动过滤明显。

针对都存在软弱夹层的两种情况，当增加软弱夹层厚度时，Amax继续减小29%， Tg由1.3s增至1.5s。

4 二维土层地震反应分析

4.1有限元模型的建立

本文采用GEO-slope中的QUAKE/W模块对场地钻孔模型进行计算。得出正常情况下土层地震反应结果；再假定存在软弱夹层(淤泥)，计算出土层地震反应结果。不断扩大软夹层的面积，研究其对整个场地地表地震动峰值加速度的影响。

1）边界条件

为了使模型简单，计算速度快，本文采用固定边界。即底部边界（X和 Y方向）的位移均为0；左侧与右侧边界 X方向位移为0，Y方向自由。

2）单元网格尺寸

现实中，土体为半无限空间，当采用有限元方法分析时，需要截取有限范围的土层来进行计算。对土层进行有限元划分，模型单元的尺寸要合适，模型单元的尺寸划分太大，导致计算结果失真；模型单元的尺寸划分太小，导致计算时间较长。

依据《工程场地地震安全性评价宣贯教材(GB17741-2005)》[14]规定，在有限元网格划分时，单元的竖向尺寸一般需满足下述要求：

其中，为单元竖向尺寸; 为有效地震波的最小波长。

4.2  二维土层地震反应分析

为了与一维计算进行对比，所有参数相同。将DZK1（DZK1’、DZK1’’）与DZK2（DZK2’、DZK2’’）分别相连，得到要计算的三种模型，如图5所示。

a. DZK1和DZK2在计算模型

b. DZK1’和DZK2’在计算模型

c. DZK1’’和DZK2’’在计算模型

图5计算模型示意图

Fig.5 Schematic diagram of calculation model

计算结果如表4所示，对应的加速度反应谱，如图4所示。

表4 场地加速度峰值和设计地震动参数值

Tab.4 Peak ground acceleration and design ground motion parameter values

a.场地(DZK1、DZK2)加速度反应谱

b.场地(DZK1’、DZK2’)加速度反应谱

c.场地(DZK1’’、DZK2’’)加速度反应谱

图6 二维模型加速度反应谱

Fig.6

Acceleration response spectrum of two-dimensional model

由表4及图6可知，在二维计算中，不均匀土层计算结果与均匀土层计算结果相比，Amax、αmax有较大变化，Tg变化较小；当继续增大不均匀土层厚度，与均匀土层计算结果相比，Amax、αmax继续减小。

5 总结

本文采用EL centro地震动记录进行计算。通过对一维和二维计算，得出结论：

1 均匀土层地震反应分析中，一维计算和二维计算结果差异很小；

2与均匀土层计算结果相比，随不均匀土层厚度增大，不均匀土层的一维地震反应分析计算时，Amax减小幅度从69%增至78%，Tg增大幅度从0.9s增至1.1s，二维模型地震反应分析计算时，Amax减小幅度从43%增至53%，Tg增加0.05s。总体来说，不均匀土层对一维分析计算结果的影响比二维模型的更大。这充分说明了，存在不均匀土层时一维算法对结果影响大。类似软弱夹层的情况，需要慎重考虑它对场地的影响。

参考文献

[1]袁一凡. 工程地震学[M].北京：地震出版社，2010.

[2]胡聿贤.地震安全性评价技术教程[M].北京：地震出版社，2011.

[3]白建方.场地地震反应分析导论[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[4]杨笑梅, 赖强林. 二维土层地震反应分析的时域等效线性化解法 [J]. 岩土力学 , 2017, 38(3): 847-856

[5]金丹丹, 陈国兴. 福州盆地地震效应特征的一、二维模型对比研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(1): 48-53

[6]刘汉龙,高玉峰,朱伟,费康.边界条件对土层粘弹性地震反应的影响[J].岩土力学,2001.22

(4):408-411.

[7]陈清军,杨永胜.土层随机地震反应分析中侧向边界的影响分析[J]. 岩土力学,2011.32(11):

3442-3447.

[8]李小军, 彭青. 不同类别场地地震动参数的计算分析[J]. 地震工程与工程震动, 2001, 21(1): 29-36

[9]薄景山, 李秀领, 刘德东, 刘红帅. 土层结构对反应谱特征周期的影响[J]. 地震工程与工程振动 , 2003, 23(5): 42-45

[10]刘峥,沈建文等. 软土对基岩峰值加速度的放大作用[J].同济大学学报，2009.37(5):

607-611.

[11]张炳政. 场地中透镜体对地震动的影响[D].天津:天津大学:2009.

[12]中国地震动参数区划图：GB18306-2015 [S] 北京：中国标准出版社，2016.

[13]建筑抗震设计规范:GB50011-2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[14]工程场地地震安全性评价：GB17741-2005 [S].北京：中国标准出版社，2005.

1

作者简介：毕明超（1992—），男，工程师，大学本科。主要从事公路工程勘察、抗震、工程地震等相关工作。

E-mail:1049092421@qq.com

收稿日期：2020-5-10