呈贡新区场地土对地震动放大作用及特征周期的影响

申鹏翔，费维水*，田卫群

(1. 昆明理工大学建筑工程学院，昆明　650500；2.云南省公路科学技术研究院，昆明　650500)

呈贡新区场地土对地震动放大作用及特征周期的影响

申鹏翔1，费维水1*，田卫群2

(1. 昆明理工大学建筑工程学院，昆明650500；2.云南省公路科学技术研究院，昆明650500)

摘要：在呈贡新区不同工程场地岩土工程勘察报告的基础上，建立一维水平成层土层模型，分析该区域场地地震响应，研究该地区场地对地震动的放大作用及对设计地震动反应谱特征周期的影响，给出了不同地震作用时特征周期的变化范围，为建筑结构动力分析时合理地选取地震动参数提供参考。

关键词：呈贡新区；特征周期；频谱特性

0引言

场地条件、地震动强度、震中距等因素，都会给地震动参数的取值产生较大的影响，然而合理的地震动参数的取值是进行地震波选择、建筑物地震模拟的重要保证。虽然，建筑工程抗震规范给出了统计意义上的参数取值，但不同地区具体场地的地震动参数与规范规定值稍有差异，为更好地进行建筑物的抗震研究，本文基于《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定取值的基础上，对呈贡新区场地在不同地震影响作用下进行地震反应计算，采用双参数标定原则，给出该区域设计地震动反应谱特性周期建议值。

由于土的非线性特性，对于场地的地震反应分析研究是一个复杂的问题。众多学者也对此进行了大量的研究[1-3]，邢海灵[4]通过对400条地震记录的研究，以等效线性化方法求得地震波的传递函数，根据传递函数及输入地震动功率谱直接计算地表反应谱；李小军等[5-6]采用等效线性化方法，建立大量的一维场地模型，给出不同峰值加速度、各类场地放大系数及特征周期的参考值。廖振鹏、郭晓云等[7-8]采用地表峰值加速度、峰值速度标定设计反应谱特征周期的方法。本文将采用shake程序[9]进行场地地震反应分析，研究场地土对地震动的放大作用、地表反应谱，采用双参数标定原则计算场地特征周期。

1场地条件

通过对呈贡新区建筑工程场地岩土工程勘察报告的搜集，选取雨花片区具有代表性的15个钻孔进行场地地震反应分析。其中7个III类场地，8个II类场地(这8个钻孔中，有的是该钻孔直接揭露，有的是由旁边钻孔揭露的基岩埋深)。此处列出不同类型场地土土层物理力学参数(表1)。各土层动力学参数剪切模量比(G/Gmax)、阻尼比(ζ)与剪应变(γ)的关系取值见表2，取值依据为《建筑工程场地地震安全性评价》(GB17741—2005)。

2地震波的选取

若根据该场地的实测场地特征周期等参数选取地震波强震记录，直接用于基岩层进行场地地震反应分析，再次通过场地土的“过滤”作用，重复改变地震波固有的频谱特性，此法显然是不合适的。因此，本文将依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定的I类场地土的地震动参数，生成设计反应谱，依据反应谱选取3条人工波，且在不同地震影响(多遇地震、设防地震、罕遇地震)作用下分别进行场地地震反应计算，共计9条人工波，对计算结果取平均值作为该区域地震动参数建议值。地震动参数见表3，因篇幅所限，此处仅列举设防地震的一条人工波(图1)。

表1　ZK1-1、ZK1-2土层物理力学参数

表2　土层剪切模量比(G/Gmax)、阻尼比(ζ)与剪应变(γ)关系值

表3　基岩地震动参数取值

图1　设防地震时地震波加速度时程曲线

3较基岩地震动峰值加速度放大作用

通过研究放大系数，即地表峰值加速度与输入地震动峰值加速度的比值，可以了解该区域在不同地震影响作用时地震动强度的变化情况，以便在建筑结构设计时能够更好地进行结构体系、配筋计算及结构的动力反应分析，使结构具有更好的经济适用性。本文还对同一钻孔中不同土层对输入峰值加速度放大作用进行了研究，目的在于分析该场地土层最不利位置(即土层中峰值加速度突变处)，以便在地基处理时对该层土进行加固，提高场地的地基承载力。由于篇幅所限，此处仅列出ZK1-1、ZK1-2钻孔资料及部分计算结果。

图2　各土层峰值加速度(ZK1-1)

图3　各土层峰值加速度(ZK1-2)

根据岩土工程勘察报告对土层的分层情况及图2～图3可知，在基岩层上层粘土处会出现较大突变，至地表各土层峰值加速度将逐渐增大。由此可知：当上下土层土性差异较大时，上层土峰值加速度较下层土将发生突变。ZK1-1、ZK1-2最下层土等效剪切波速分别为259.86 m/s、268.10 m/s，但ZK1-2最下层土层厚度为ZK1-1最下层土层的3.43倍。经大量研究表明，在一定范围内，放大系数随土层厚度的增大而变大。因此，当剪切波速相差不大的情况下，土层厚度占据了较大因素，使得ZK1-1最小土层峰值加速度出现了跳跃式变化。对于同一块工程场地，同时含有III类场地及II类场地，且土质情况相似时，II类场地地表峰值加速度大于III类场地，即II类场地放大作用更加明显，且在罕遇地震作用时表现更明显。

注：沿X轴方向是土层编号由小至大的顺序图4　ZK1-1各土层加速度放大系数

注：沿X轴方向是土层编号由小至大的顺序图5　ZK1-2各土层加速度放大系数

由图4～图5可知：地表处的放大系数随着地震动强度的增大而变大，中间层在多遇地震和设防地震作用下的放大系数较为接近，但在罕遇地震作用下的放大系数明显大于其他2种地震影响作用，表明土体的非线性受地震动强度的影响较大，尤其在大震作用下；当受中、小震作用时，接近地表土层的放大系数呈现规律性变化。

4对设计反应谱特征周期影响的研究

(1)

式中：Vmax、Amax分别代表地表峰值速度、峰值加速度。

地表峰值加速度由shake程序计算直接给出，通过地表加速度时程曲线，采用SeismoSignal程序拟合出速度反应谱，按式(1)计算出反应谱特征周期Tg。该场地15个钻孔土层深度范围为0～60m，本文将此范围划为0～10m、10～20m、20～30m、30～40m、40～50m、大于50m进行设计地震动特征周期统计(表4)。

表4　不同土层深度特征周期参考取值

通过对该场地15个钻孔资料的场地地震反应计算分析可知：在同一地震影响下，该场地设计地震动反应谱特征周期随着土层深度的增大而变大；但对于同一厚度范围内场地反应谱特征周期没有规律性变化，这与各个厚度范围内的钻孔数量的不均匀及地震波的选取有关。本文的地震波选取与地震动峰值加速度、特征周期及地震影响系数均有关，并非仅仅采用改变地震动峰值加速度进行计算。

5结论

本文通过对呈贡新区15个钻孔资料进行地震反应分析计算，得到以下结论：

1)当相邻土层性质差异较大时(即剪切波速、土层深度位置、地震影响作用)，上层土较下层土的峰值加速度产生较大突变(发生跳跃变动)，在钻孔资料中剪切波速并不呈规律性变化，各土层峰值加速度变化出现跳跃也属合理。土层峰值加速度受以上3个因素影响较大，故实际工程中应着重研究土层差异较大处。

2)由于土体的非线性地表峰值加速度受地震动强度的影响较大，特别是在大震作用下。当场地受中小震作用时，接近地表土层的放大系数呈规律性变化。II类场地钻孔土层地表峰值加速度大于III类场地，即II类场地放大作用更加明显，且放大作用在罕遇地震作用时表现更明显。

3)通过双参数标定原则，计算该区域场地设计反应谱特征周期，在多遇地震作用时特征周期变化范围在0.34～0.76 s，在设防地震作用时变化范围在0.35～0.70 s，在罕遇地震作用下变化范围在0.38～0.74 s。在同一种地震影响作用下，反应谱特征周期随着土层厚度的增大而变大。

参考文献：

[1]吕悦军, 彭艳菊, 兰景岩, 等. 场地条件对地震动参数影响的关键问题[J]. 震灾防御技术, 2008, 3(2): 126-135.

[2]Foti D. Local ground effects in near-field and far-field areas on seismically protected buildings[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2015, 74: 14-24.

[3]曹均锋, 冯伟栋, 原贺军, 等. 震源深度对基岩地震动参数的影响[J]. 华北地震科学, 2015, 33(1): 25-29.

[4]王旭, 杨清, 李怡青. 山地地形对地震动放大作用的机理探讨[J]. 华北地震科学, 2014, 32(3): 15-18.

[5]邢海灵, 蒋通, 姚东生, 等. 成层场地由基岩反应谱直接计算地表反应谱的等效线性化方法[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(12): 2337-2344.

[6]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.

[7]廖振鹏, 李大华. 设计地震反应谱的双参数标定模型[M]//廖振鹏. 地震小区划——理论与实践. 北京: 地震出版社, 1989: 196-207.

[8]郭晓云, 薄景山, 张宇东, 等. 抗震设计反应谱的标定方法[J]. 世界地震工程, 2011, 27(1): 66-71.

[9]Idriss I M, Seed H B. Seismic response of horizontal soil layers[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1968, 94(4): 1003-1034.

Effection of Chenggong Site Soil on Amplification and Characteristic Period of Ground Motion

SHEN Peng-xiang1, FEI Wei-shui1, TIAN Wei-qun2

(1.Faculty of Architectural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Yunnan Institute of Science and Technology of Highway, Kunming 650500, China)

Abstract:On the basis of geotechnical investigation report of different projects in Chenggong, Kunming, we establish a one-dimensional horizontal soil layer modal. Using the modal, we analyze the region site seismic response and study the amplification of the site to ground motion and seismic design response spectrum characteristic, and then give the range of the characteristic period under different earthquake respectively. The result may provide reference on selecting reasonable ground motion parameter for architecture structure dynamic analysis.

Key words:Chenggong; characteristic period; spectrum characteristic

收稿日期:2015-10-26

基金项目：云南省教育厅科学研究基金(2014J019)

作者简介：申鹏翔(1991—)，男，河南平顶山人，硕士，研究方向：工程抗震.E-mail：spx9101@163.com *通讯作者：费维水(1964—)，男，安徽合肥人，教授，主要从事土木工程研究.E-mail：fws6407@163.com

中图分类号:P315.9

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)02-0032-04

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.006

申鹏翔，费维水，田卫群．呈贡新区场地土对地震动放大作用及特征周期的影响[J]．华北地震科学，2016，34(2):32-35.