剪切波速对场地地表地震动参数的影响1

曹均锋 冯伟栋 孟凡月 董双林 翟洪涛

（安徽省地震局，合肥 230031）

引言

在工程场地地震安全性评价工作中，土层剪切波速由于能够反映土体动力特性，一直是评价场地条件的重要指标和土层地震反应分析中不可缺少的基本参数。目前，土层剪切波速主要是通过原位测试得到的，测试方法主要有单孔检层法、跨孔法、瞬态面波法和稳态面波法等。在实际场地剪切波速测试工作中，由于存在钻孔位置选取、施工方法、测试方法、仪器精度、人工操作等方面的差异，使得剪切波速的测试结果存在较大的离散性，而且这种离散性可高达30%—40%，甚至更高，会给科学合理地确定场地地震动参数带来严重的干扰 （高玉峰等，2001；刘红帅等，2005；兰景岩等，2007；陈国兴等，2007；孙锐等，2009）。因此，深入研究土层剪切波速的变异性对场地地表地震动参数的影响，对相应的影响范围和变化趋势进行探讨是一项非常有意义的工作。

本文以江淮地区典型场地资料为原型，将其剪切波速实测值按照一定比例进行增减，重点分析了土层剪切波速的变化对场地地表峰值加速度、加速度反应谱的影响，以期为合理确定安徽及同类地区的重大建设工程抗震设防要求提供参考。

1 分析方法和计算参数

1.1 分析方法

目前，场地土层地震反应分析计算的方法较多，如线弹性波动（及振动）分析方法、等效线性化波动分析方法、直接时域非线性积分分析方法等。工程上广泛采用的方法是一维频域等效线性化波动方法，也是《工程场地地震安全性评价（GB 17741-2005）》（中华人民共和国国家标准，2005）推荐使用的方法（廖振鹏等，1989）。该方法是在总体动力学效应大致相当的意义上，用一个等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同应变幅值下的剪切模量和阻尼比，将非线性问题转化为线性问题，利用频域线性波动方法求解。本文在土层地震反应分析中即运用该种方法。

1.2 基本剖面

在江淮地区某场地资料的基础上，结合一维频域等效线性化波动方法的要求，确定2个典型钻孔ZK4、ZK24作为基本计算剖面。其中，ZK4的覆盖层厚42.3m，主要由填土、粘土、中粗砂和砂岩组成，属于中硬场地土；ZK24的覆盖层厚29.4m，主要由填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、中粗砂、砾石和砂岩等组成，属于中软场地土。基本计算剖面的土层分布情况及实测剪切波速详见图 1。土层非线性动力参数主要是通过现场取典型土样进行动三轴试验得到的，部分土层动力参数采用经典推荐值（袁晓铭等，2000）。

图1 基本剖面钻孔柱状图Fig. 1 The drilling histogram of basic profile

1.3 输入基岩地震动

根据输入地震动的选取原则，本次选取了Taft、E1centro和Kobe三条符合要求的实际强震记录的时程（图2），选取的持时均为40s。然后将强震记录的加速度峰值均分别调整为50gal、100gal、200gal、400gal，并将幅值缩小一半的时程作为基岩的地震动输入。

图2 三条基岩输入强震记录Fig. 2 The three input strong motion records

2 地震反应分析结果

基于对钻孔 ZK4、ZK24基本剖面的分析，对同一剖面将各土层的剪切波速实测值分别按5%、10%、15%、20%比例进行增大或减小建立9种土层反应分析模型，选取调整后的3组地震波作为输入地震动，共对216个工况进行土层地震反应分析，得到各地表峰值加速度Amax(gal) 及地表加速度反应谱的特征周期Tg(s) 如表1、表2所示（注：表中Amax和Tg取同一峰值下3条输入波计算结果的均值）。其中，反应谱的特征周期Tg(s) 取反应谱平台值Amaxβm与反应谱曲线的右相交点的横坐标周期值，根据《中国地震动参数区划图》宣贯教材中的相关统计结果（胡聿贤等，2001），反应谱的放大系数βm统一取2.5。

表1 不同土层剪切波速下的峰值加速度Amax(gal)Table 1 The acceleration peak Amax(gal) under different shear velocity of soil layers

续表

表2 不同土层剪切波速下的反应谱特征周期Tg(s)Table 2 The characteristic period of response spectrum Tg(s) under different shear velocity of soil layers

图3和图4为2个钻孔输入E1centro（1940NS）波时不同土层剪切波速下的地表加速度反应谱。由图中可以看出：

（1）对于剖面ZK4而言，当输入基岩峰值≤100gal时，不同土层剪切波速下的地表加速度反应谱仅在 0—1.0s较短周期范围内呈现略微变化，周期越短，反应谱变化越显著，反应谱在1.0s以后受土层剪切波速的影响基本可以忽略。当输入基岩峰值超过200gal时（即大震作用下），地表加速度反应谱的形状在0—6.0s范围内均受到土层剪切波速不同程度的影响，当土层剪切波速减小时，反应谱的长周期部分右移，短周期谱值减小，长周期部分谱值普遍增大；当土层剪切波速增大时，短周期谱值增大，反应谱中、短周期部分影响较大，反应谱曲线向左移动。

图3 ZK4不同土层剪切波速下的地表加速度反应谱Fig. 3 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK4

图4 ZK24不同土层剪切波速下的地表加速度反应谱Fig. 4 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK24

（2）由于剖面ZK24包含淤泥质软弱土层，而软弱层表现出强烈的非线性，因此输入基岩峰值的大小对其地表加速度反应谱差异影响有限。当输入基岩峰值为50gal时，不同土层剪切波速下的地表加速度反应谱在 0—6.0s范围即开始呈现较大差异，随着输入基岩峰值的增加，反应谱的形状差异呈扩大趋势，总体表现为与ZK4大震作用下呈现的趋势基本一致。

3 剪切波速变异性影响分析

为分析土层剪切波速变异性对场地地震动参数的影响，将调整后的剪切波速计算结果与实测值计算结果进行对比分析。为直观表示差异，以实测值计算结果为基准，表 3、表 4、图5和图6分别给出了8种缩放的剪切波速计算结果与波速实测值计算结果的相对偏差。

表3 地表峰值加速度比较结果Table 3 The comparison results of peak ground acceleration

表4 反应谱特征周期比较结果Table 4 The comparison results of characteristic period of response spectrum

从以上结果可以看出：

（1）在同一基本剖面下，将实测土层剪切波速值在20%范围内增加或减小，得到的计算结果与实测剪切波速的计算结果存在较大差异，剪切波速差异性越大，其地表峰值加速度和地表加速度反应谱特征周期的变化也越大。对于剖面ZK4而言，地表峰值加速度的变化幅度为-16.7%—7.3%，反应谱特征周期的变化幅度为-16.7%—27.5%；对于剖面ZK24而言，地表峰值加速度的变化幅度为-34.5%—24.7%，反应谱特征周期的变化幅度为-16.8%—23.6%。

（2）地表地震动峰值加速度与土层剪切波速值呈正相关，土层剪切波速减小，地震动峰值加速度也逐渐减小；土层剪切波速增大，地震动峰值加速度也逐渐增大。如剖面ZK24在基岩输入峰值200gal条件下，当土层剪切波速从减小5%依次减小20%时，与实测剪切波速计算的地震动峰值加速度相比，其地震动峰值加速度的差异也从-6.5%逐渐减小为-34.5%，反之亦然。

（3）地表加速度反应谱特征周期与土层剪切波速值呈负相关，当土层剪切波速减小时，反应谱特征周期反而会相应增加；当土层剪切波速增大时，反应谱特征周期会相应减小。如剖面ZK4在基岩输入峰值100gal条件下，当土层剪切波速从减小5%依次减小20%时，与实测剪切波速计算的反应谱特征周期相比，其反应谱特征周期的差异也从 2.1%逐渐增大为12.0%，反之亦然。

（4）相比较而言，土层剪切波速减小对地表地震动峰值加速度、反应谱特征周期的影响比土层剪切波速增大时影响程度要略微大一些。

（5）土层剪切波速的变异性对场地地表地震动的影响程度受输入基岩地震动的幅值的制约。总体上表现为随着输入基岩地震动峰值的增大，不同的土层剪切波速下的地表峰值加速度、反应谱特征周期的差异也逐渐增大。

（6）同一基岩地震动输入下，场地相对较软的剖面ZK24的土层剪切波速变化对地震动峰值加速度、反应谱特征周期的影响程度比剖面ZK4大，表明土层剪切波速的变异性对场地地表地震动的影响程度与场地的土层结构有关，土层剪切波速的大小直接反映了场地土层的“软”、“硬”程度，场地越软，影响越大。

图5 土层剪切波速变化对地表峰值加速度的影响Fig. 5 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on peak ground acceleration

图6 土层剪切波速变化对反应谱特征周期的影响Fig. 6 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on characteristic period of response spectrum

4 结语

本文以江淮地区典型场地资料为原型，采用一维频域等效线性化波动方法重点分析了土层剪切波速的变化对场地地表峰值加速度、加速度反应谱的影响。研究结果表明：

（1）当土层剪切波速减小时，地表地震动峰值加速度也逐渐减小，地表加速度反应谱的长周期部分右移，长周期部分谱值普遍增大，反应谱特征周期会相应增加。

（2）当土层剪切波速增大时，地表地震动峰值加速度也逐渐增加，地表加速度反应谱的长周期部分右移，对反应谱中、短周期部分影响较大，反应谱曲线向左移动，反应谱特征周期会相应减小。

（3）相比较而言，土层剪切波速减小对地表地震动参数的影响比土层剪切波速增大对地表地震动参数的影响程度要略微大一些。

（4）土层剪切波速的差异对场地地表地震动的影响程度与输入基岩地震动的频谱特性、幅值及场地土层结构等因素有关。

由此可见，土层剪切波速的变化对场地地表地震动有着显著影响，因此，获取客观的土层剪切波速资料对土层地震反应分析来说至关重要。

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