不同类别黄土场地覆盖层厚度对地表加速度反应谱的影响研究

万秀红，石玉成，卢育霞，屠泓为，邓津

(1.青海省地震局,青海西宁　810001； 2.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州　730000)



不同类别黄土场地覆盖层厚度对地表加速度反应谱的影响研究

万秀红1，石玉成2，卢育霞2，屠泓为1，邓津2

(1.青海省地震局,青海西宁810001； 2.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州730000)

摘要：为研究不同类别黄土场地覆盖层厚度对地表加速度反应谱的影响，对收集的近百余个黄土场地实际钻孔资料进行了详细研究，选取和构建了若干个计算剖面，利用一维等效线性化方法计算出不同类别场地(Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类)的地表加速度反应谱，讨论了各类场地覆盖层厚度对地表加速度反应谱的影响，并对不同场地类别的加速度反应谱进行了对比分析。研究表明，黄土地区各类场地的特征周期均明显大于建筑抗震设计规范所给值，不同区域需要深入研究。

关键词：黄土场地；场地类别；加速度反应谱；覆盖层厚度

0引言

反应谱在本质上反映的是地震动强度与频谱特性，是确定设计反应谱的基础，已成为地震工程领域中的研究热点[1-4]。周锡元等[5]指出覆盖层厚度增大，将改变反应谱的形状，土层越厚，长周期的频谱成分越显著，反应谱曲线越向右移。李小军等[6]认为场地条件对地震动的影响不仅表现在对地震动幅值的变化上，而且还表现在对地震动频谱特性的变化上。对于黄土地区而言，黄土地区特有的地形地貌、物质组成等因素决定了其地震时地面运动具有自身的特性。近年来，人们开始重视对黄土地区的相关研究，并开展了诸多研究工作[7-10]。然而，对于黄土场地不同类别覆盖层厚度对地震动影响的研究尚少，因此，研究不同类别黄土场地覆盖层厚度对地表加速反应谱的影响具有重要理论和实践意义。基于此，本文拟合成多条不同强度的地震波，在收集的百余个实际钻孔资料基础上，结合这些资料构建出了研究所需的3类场地(Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类)的计算模型，通过一维土层地震反应方法，研究不同类别黄土场地覆盖层厚度对反应谱的影响，并对比分析不同场地类别情况下相同厚度反应谱的变化及影响等。

1计算剖面和计算参数的选取

由于在西北地区黄土场地很难见到Ⅳ类场地，Ⅰ类场地也很少，Ⅲ类其次，Ⅱ类场地最多。鉴于此，本文只研究Ⅰ类场地、Ⅱ类场地和Ⅲ类场地。文中在详细研究近百余个实际黄土场地(陕西、甘肃、青海)钻孔资料的基础上，结合抗震设计规范对黄土地区的相关规定及黄土场地的地质工程特征，3类场地共选取和构建56个计算剖面，并假定计算剖面为水平成层的平坦场地。按覆盖层厚度和等效剪切波速的划分范围，Ⅰ类场地在1 m～5 m范围选取5个剖面，Ⅱ类场地选取34个剖面(Vse≤150 m/s范围取6个；250 m/s≥Vse>150 m/s范围取13个；500 m/s≥Vse>250 m/s范围取15个)，Ⅲ类场地选取17个剖面(Vse≤150 m/s范围取12个；250 m/s≥Vse>150 m/s范围取5个)。

文中计算所需的基岩输入地震动为人工合成的地震动时程，为更加详细的研究输入强度从小慢慢变大对地表加速度反应谱的影响，合成了6种强度(50 gal、100 gal、150 gal、200 gal、300 gal、400 gal)的地震动时程，每种强度的地震动时程分别随机合成3条样本时程，每种强度的3条时程都参与计算，计算结果选取3条时程计算的平均值。

在进行计算时，所需的土层剪切波速为实际钻孔资料波速测试结果，但剪切波速可能会受到技术的差异性及其孔径等因素的影响而存在一定的不确定性。各类土相应剪应变对应的切模量和阻尼比结合土动力试验结果和经验值[11]给出，取值如表1所示。

表1　　　　　　　　　各类土相应剪应变对应的剪切模量比和阻尼比值

2计算方法及计算方案的确定

在研究场地条件对地震动特性的影响方面已有多种方法，本文采用的是建立场地土层计算模型进行理论分析的方法。黄土场地类别的划分是按建筑抗震设计规范[12](GB50011-2010)中表4.1.3和表4.1.6的规定进行划分的，构建的计算模型均为场地条件较均匀简单的成层土，故采用一维计算方法进行地震反应计算。目前场地土层地震反应分析方法中最常用的是一维等效线性化土层地震反应分析方法[13-14]，该方法也是地震安全性评价工作中常用的土层地震反应分析方法，文中就采用本方法进行分析研究。

文中将分3类场地研究不同类别场地地表加速度反应谱随覆盖层厚度变化的特征，除Ⅰ类场地外，Ⅱ类场地和Ⅲ类场地还按不同的等效剪切波速范围进行了详细研究，采用6种强度的基底输入波，计算地表加速度反应谱值，最后对各类场地计算结果进行对比分析。

3计算结果及分析

众所周知，覆盖层厚度是影响地表加速度反应谱(文中地表加速度反应谱均简称为加速度反应谱)众多因素之一。文中对各类场地的计算模型分别输入6种不同强度的地震波，通过一维地震反应计算，得到相应的加速度反应谱，并对各类场地覆盖层厚度相同的加速度反应谱进行对比分析。

3.1覆盖层厚度对Ⅰ类场地加速度反应谱的影响

Ⅰ类场地选取的5个计算模型的覆盖层厚度分别为1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m、4.9 m，为清楚地展现不同强度下加速度反应谱随覆盖层厚度的变化，选取6种强度的地震动时程作为基岩输入波，不同强度加速度反应谱随覆盖层厚度的变化如图1所示。

从图1中可以看出：①1.5 m时加速度反应谱峰值最小，4.9 m时加速度反应谱峰值最大，但变化较小；②地震动强度变大时，加速度反应谱有向长周期偏移的趋势，但偏移量小；③覆盖层厚度对特征周期没有明显的影响，特征周期约在0.35 s～0.5 s之间；说明Ⅰ类场地随覆盖层对加速度反应谱峰值和特征周期的影响都较小，地震动强度对特征周期有一定的影响，但影响较小，而特征周期与建筑抗震设计规范中Ⅰ类场地给出的值(0.2 s～0.35 s)相比偏大。

3.2覆盖层厚度对Ⅱ类场地加速度反应谱的影响

Ⅱ类场地按覆盖层厚度和等效剪切波速再细划为3类：第一类为Vse≤150 m/s，厚度在3 m～15 m范围，选取3.5 m、4.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m，共6个剖面(图2)；第二类为250 m/s≥Vse>150 m/s，厚度在3 m～50 m范围，选取3.5 m、4.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m及50 m，共13个剖面(图3)；第三类为500 m/s≥Vse>250 m/s，厚度大于5 m的范围，选取6 m、9 m、12 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、65 m及70 m，共15个剖面(图4)。

从图2～图4可以看出：①在Vse≤150 m/s的范围，特征周期约在0.3 s～0.6 s之间，覆盖层厚度小于4.5m时，特征周期较小，加速度反应谱谱峰没有明显向长周期偏移，当厚度大于4.5 m时，谱峰明显向长周期偏移。②在250 m/s≥Vse>150 m/s的范围，特征周期约在0.35 s～0.7 s之间，覆盖层厚度大于6 m时，加速度反应谱谱峰开始明显向长周期偏移，加速度反应谱在20 m开始出现2个谱峰；当地震动强度由小变大时，加速度反应谱的形状在发生变化，2个谱峰之间逐渐向一个平台发展，尤其是在强度大、覆盖层厚的情况下(如50 m，强度为400 gal时)。③500 m/s≥Vse>250 m/s的范围与在250 m/s≥Vse>150 m/s的范围加速度反应谱形状相似，只是偏移的分量相对更大些，特征周期约在0.35 s～0.9 s之间，加速度反应谱是在25 m开始出现2个明显的谱峰。综上分析可以说明：Ⅱ类场地等效剪切波速对加速度反应谱影响明显，尽管是同一类场地，在不同的等效剪切波范围内加速度反应谱的变化明显不同；加速度反应谱峰值随覆盖层厚度的增大向长周期偏移，谱峰先随覆盖层厚度的增大而增大，在某一厚度达到最大值后随覆盖层厚度的增大而减小(除在Vse≤150 m/s范围，地震动强度为50 gal的情况)；当地震动强度由小变大时，同一覆盖层厚度的特征周期向长周期偏移，厚土层相对于薄土层的谱峰在下降；特征周期与建筑抗震设计规范中Ⅱ类场地给出的值(0.35 s～0.45 s)相比偏大，并且特征周期随着等效剪切波速和输入强度的增大而增大。

图1　Ⅰ类场地不同强度的地表加速度反应谱

图2　Ⅱ类场地不同强度的地表加速度反应谱(Vse≤150 m/s)

3.3覆盖层厚度对Ⅲ类场地加速度反应谱的影响

Ⅲ类场地按覆盖层厚度和等效剪切波速分2类：第一类为Vse≤150 m/s，厚度在15 m～80 m范围，选取16 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、65 m及70 m，共12个剖面(图5)；第二类为250 m/s≥Vse>150 m/s，厚度在大于50 m范围，选取51 m、55 m、60 m、65 m、70 m，共5个剖面(图6)。

从图5～图6可以看出：①在Vse≤150 m/s的范围，加速度反应谱特征周期随覆盖层厚度的变大向长周期偏移，特征周期约在0.5 s～1.5 s

图3　Ⅱ类场地不同强度的地表加速度反应谱(250 m/s≥Vse>150 m/s)

之间，反应谱由“瘦”变“胖”。②在250 m/s≥Vse>150 m/s的范围，覆盖层厚度对加速度反应谱的影响不是很明显，本来就比较“胖”的加速度反应谱随着强度的增大变的更“胖”，特征周期约在0.7 s～1.3 s之间。由此说明Ⅲ类场地的加速度反应谱特征周期随覆盖层厚度的增大而增大；加速度反应谱谱峰随地震动强度的增大而增大，地震动强度对特征周期也有一定的影响；不同等效剪切波速范围的加速度反应谱的变化明显不同；特征周期与建筑抗震设计规范中Ⅲ类场地给出的值(0.45 s～0.65 s)相比偏大。

图4　Ⅱ类场地地表加速度反应谱(500 m/s≥Vse>250 m/s)

图5　Ⅲ类场地地表加速度反应谱(Vse≤150 m/s)

4各类场地加速度反应谱的对比分析

为更加详细研究不同类别场地之间存在的差异，分别选取各类场地中共同拥有的覆盖层厚度进行对比分析，但因篇幅所限，部分内容只对其结果进行描述，而未展示图片。

4.1Ⅰ类场地与Ⅱ类场地对比分析

为了对Ⅰ类场地与Ⅱ类场地进行对比，选取覆盖层厚度分别为3.5 m和4.5 m的2个剖面。因篇幅所限，只取强度最大(400 gal)和最小(50 gal)的2种情况。

从图7可以看出：由于Ⅰ类场地覆盖层厚度较薄，Ⅰ、Ⅱ类场地共有的剖面相对少，只选取了3.5 m与4.5 m两个剖面进行对比。从覆盖层厚度和强度来看，加速度反应谱除了峰值大小的变化外，反应谱的形状变化不明显；从场地类别来看，就会发现存在明显差别，不同类别场地同等厚度剖面的加速度反应谱形状明显不同，Ⅰ类场地加速度反应谱相对平缓，而Ⅱ类场地存在一个明显的谱峰。

图6　Ⅲ类场地地表加速度反应谱(250 m/s≥Vse>150 m/s)

4.2Ⅱ类场地与Ⅲ类场地对比分析

由于Ⅱ、Ⅲ类场地共同拥有的覆盖层厚度较多，可选范围较大，2类场地分别选取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m及70 m，共12个剖面。对Ⅱ、Ⅲ类场地的加速度反应谱从以下几方面进行对比分析：地震动强度由小变大时，2类场地同一厚度的加速度反应谱随强度的变化(分土层较薄和较厚2种情况)如图8所示；地震动强度不变时，加速度反应谱随覆盖层厚度增大的变化(分50 gal和400 gal两种情况)。

从对比结果可以看出：①当2类场地覆盖层厚度相同，厚度较薄(20 m)时，Ⅲ类场地特征周期大于Ⅱ类场地，地震动强度较小时，Ⅲ类场地的加速度反应谱谱峰大于Ⅱ类场地的谱峰，随着地震动强度的增大，Ⅲ类场地的加速度反应谱谱峰慢慢小于Ⅱ类场地，加速度反应谱属于“瘦高”型；厚度较厚(70 m)时，Ⅱ类场地的加速度反应谱谱峰大于Ⅲ类场地，加速度反应谱属于“矮胖”型。②当2类场地地震动强度不变(50 gal)时，随着覆盖层厚度的增大，Ⅱ类场地与Ⅲ类场地的加速度反应谱变化明显，谱峰明显向长周期偏移，反应谱由“瘦”变“胖”；20 m时，Ⅲ类场地谱峰大于Ⅱ类场地；30 m之后，Ⅲ类场地谱峰小于Ⅱ类场地谱峰，并且开始出现2个谱峰。地震动强度较高(400 gal)时，Ⅱ类场地的谱峰总是大于Ⅲ类场地的谱峰，并在Ⅲ类场地的左边，30 m之后Ⅲ类场地开始出现2个谱峰，随着覆盖层厚度的增大，第二个谱峰逐渐消失。

图7　Ⅰ、Ⅱ类场地相同厚度地表加速度

5结论

本文运用一维土层地震反应分析计算的方法，通过输入不同强度的地震动，计算了不同类别黄土场地的地表加速度反应谱，并对其进行了详细的研究，结果显示：①Ⅰ类场地由于土层较薄，覆盖层厚度对加速度反应谱峰值和特征周期没有明显的影响，输入地震动强度对特征周期的影响也很小；②从Ⅱ类场地3个不同等效剪切波速范围的加速度反应谱谱型可以看出等效剪切波速对加速度反应谱影响明显，加速度反应谱峰值随覆盖层厚度的增大明显向长周期偏移，地震动强度对谱型和特征周期影响明显。③Ⅲ类场地不同等效剪切波速范围的加速度反应谱谱型差异明显，特征周期随覆盖层厚度的增大而增大，地震动强度对特征周期和加速度反应谱均存在一定的影响。④通过不同场地类别的对比分析看出，不同类别黄土场地的地表加速度反应谱存在明显差异。

综上所述，黄土场地覆盖层厚度和场地类别对地表加速度反应谱存在明显的影响，各类场地的特征周期明显大于建筑抗震设计规范给出的取值范围，表明了黄土场地的特殊性。影响土层反应的因素很多，文中仅考虑了覆盖层厚度、密度、波速等的影响，对剪切模量和阻尼比进行了简化，可能会导致计算结果存在一定的局限性。但随着各类场地资料的逐步完善和试验数据的积累，今后将会得到更加客观合理的分析结果。因此，本文仅对所计算的剖面进行了特征分析，在后续的研究工作中，将进一步探讨其普适性。

参考文献：

图8　Ⅱ、Ⅲ类场地同一厚度的加速度反应谱随强度增大的变化

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STUDY ON THE INFLUENCE OF THE GROUND COVER LAYER THICKNESS OF DIFFERENT CATEGORIES LOESS SITE ON THE GROUND SURFACE ACCELERATION RESPONSE SPECTRUM

WAN Xiuhong1，SHI Yucheng2，LU Yuxia2，TU Hongwei1，DENG Jin2

(1.Earthquake Administration Of Qinghai Province，Xining 810001，China;2.Lanzhou Institute Of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，China)

Abstract:In order to study the influence of the ground cover layer thickness of different categories loess site on the ground surface acceleration response spectrum，in this paper，the collected actual data of more than one hundred drilling were detail in loess site，several calculation section were selected and built，the ground surface acceleration response spectrum of different categories loess site(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ class) was calculated by the method of one-dimensional equivalent linearization，the influence of the ground cover layer thickness of different categories site on the ground surface acceleration response spectrum is discussed，and the acceleration response spectrum of different categories site were analyzed in comparison. The research show that in the loess area，the value of characteristics cycle are significantly longer than the value of the code of buildings seismic design, that it need to studied deeply in different loess areas.

Key words:Site category；Loess Site；Acceleration response spectrum；Cover layer thickness

收稿日期：2015-11-12

基金项目：青海省地震科学基金(项目编号：2015B06)；国家自然科学基金项目(项目编号：51578518)资助。

作者简介：万秀红(1983—)，女，陕西汉中人，硕士，助理工程师，主要从事工程地震及地震活动性研究工作。E-mail:xhwan666666@163.com。通讯作者：石玉成(1966—)，男，博士，研究员，主要从事岩土工程地震与工程地震研究工作。E-mail: shiyc@gssb.gov.cn。

中图分类号：P315.91

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)02-0034-08