覆盖土层厚度对地表峰值加速度的影响研究

杨明杰，郭明珠

(北京工业大学 建筑工程学院，北京 100022)

0 引言

工程场地设计地震动参数的确定和对场地地震效应的合理评价是预测工程震害，并采取有效防御措施的重要科学依据。土层地震反应分析模型中覆盖土层厚度对地震动参数有着显著影响。我国现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010，2016年版)将场地20m 和覆盖层厚度较小值以浅的土层等效剪切波速作为场地类别划分的依据，美国、欧洲等不考虑覆盖层厚度，用30m 以潜的加权平均剪切波速划分场地类别。Anderson等［1］认为地震效应的决定因素是地表30m 以浅的土层特性。罗开海等［2］、黄雅虹等［3］、战吉艳等［4］也提出我国应该借鉴美、欧等国经验，将30m作为等效剪切波速的计算深度。

有关土层地震反应分析输入面选取的研究工作主要围绕着输入面剪切波速值变化对特定场地地表地震动参数的影响而展开。彭小波等［5］、王冲等［6－10］、朱姣等［11－12］、李建亮等［13］通过国内外主流土层反应分析方法，研究输入面对地表地震动参数的影响规律，并得出了很多有意义的结论。

本文在前人研究结论的基础上，计算Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地在3 种输入地震动强度下的地表峰值加速度，研究不同覆盖土层厚度(5 ～40m)作为输入面对PGA 的影响，为科学合理的考虑场地的地震作用提供依据，为今后场地类别划分的研究提供参考。

1 计算模型的建立

本文主要研究覆盖土层由5m 增加到40m 时地表峰值加速度的变化，依据我国现行场地类别划分标准，从我国不同地区地震安全性评价报告中选出3 个有代表性的钻孔，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地各1 个，深度分别为40m、92m 和130m。采用剪切波速内插的方法，以5m 为梯度确定地表以下5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m 的土层顶面作为输入面，3 个钻孔共构成24 个土层剖面。由于Ⅰ类场地覆盖层小于5m，进行深度外推时会产生较大偏差，且较多学者都得到了Ⅰ类场地对地震参数影响较小的结论，故本文不再对Ⅰ类场地进行计算研究。鉴于篇幅有限，仅列举其中一个Ⅲ类场地钻孔的详细信息(表1)。计算模型所采用的土层非线性参数中，杂填土、粉土、粉质粘土取北京工业大学土力学实验室完成的室内土壤动力三轴试验的平均值参与计算，细砂是根据地震安全性评价报告中柱状图密度描述采用密实砂的经验数据。

表1 Ⅲ类场地(92.1m)钻孔剖面Tab．1 The borehole profile of site Ⅲ(92.1m)

2 计算方法

本文选用新一代一维土层地震反应计算方法和程序SOILQUAKE［14－16］。该方法与现有方法正确结果的精度相当，可以克服国际主流软件严重低估场地放大效应的缺点，消除反应谱矮粗胖现象。本文的地震动输入选取北京饭店波，在SOILQUAKE 软件中直接调整地震动最大幅值，得到3 条加速度峰值为98gal、196gal、392gal的地震动。北京饭店波的加速度时程如图1所示。

3 计算结果和分析

3.1 Ⅱ类场地中覆盖土层的变化对PGA 的影响

图2 和图3 是覆盖层厚度为40m 的Ⅱ类场地在98gal、196gal 和392gal 3 种地震动强度下，PGA 及地表峰值加速度与输入地震动峰值加速度之比(放大倍数)的变化曲线。由图2、3 可见:

图1 北京饭店波加速度时程Fig．1 Acceleration time history of Beijing Hotel wave

图2 Ⅱ类场地覆盖土层对PGA 的影响Fig．2 Effect of overburden with the thickness of 40 m on PGA in site II

图3 Ⅱ类场地覆盖土层对放大倍数的影响Fig．3 Effect of overburden with the thickness of 40 m on magnification in site II

(1)PGA 与输入地震动强度正相关，同一覆盖土层厚度下，输入地震动越大，PGA 越大。

(2)PGA 在覆盖土层厚度30m 时达到最大值。在392gal 输入下，PGA 在30m 以深随覆盖土层厚度变化不大，而在98gal 和196gal 输入下，PGA 在35m 有一个明显的降幅。

(3)放大倍数与输入地震动强度反相关，同一覆盖土层厚度下，输入地震动强度越大，放大倍数越小。

(4)放大倍数在25m 和30m 时达到较大值，且放大倍数在该覆盖土层厚度下随着输入地震动强度的增加而变小的趋势更加显著。

3.2 Ⅲ类场地中覆盖土层的变化对PGA 的影响

图4 和图5 是覆盖层厚度92.1m 的Ⅲ类场地在3 种地震动强度下，PGA 和放大倍数的变化曲线。除得到3.1 中(1)和(3)的两个结论外，还可以总结出以下结论:

图4 Ⅲ类场地覆盖土层对PGA 的影响Fig．4 Effect of overburden with the thickness of 92．1 m on PGA in site III

图5 Ⅲ类场地覆盖土层对放大倍数的影响Fig．5 Effect of overburden with the thickness of 92．1 m on magnification in site III

(1)PGA 在覆盖土层厚度为15m 和40m 时出现两次明显峰值，说明较深厚度的覆盖土层也会影响场地的地震作用。

(2)在覆盖土层厚度为40m 时，放大倍数在3 种地震动输入强度下均达到最大值。

(3)随着输入地震动强度的增加，放大倍数在25m 和30m 时减小趋势较为明显。

3.3 Ⅳ类场地中覆盖土层的变化对PGA 的影响

图6 和图7 是覆盖层厚度130m 的Ⅳ类场地在3 种地震动强度下，PGA 和放大倍数的变化曲线。由图6、7 可见:

图6 Ⅳ类场地覆盖土层对PGA 的影响Fig．6 Effect of overburden with the thickness of 130 m on PGA in site IV

图7 Ⅳ类场地覆盖土层对放大倍数的影响Fig．7 Effect of overburden with the thickness of 130 m on magnification in site IV

(1)在392gal 地震动输入下，PGA 在覆盖土层40m 深度时达到最大值，在其他两种地震动输入下，PGA 均在30m 深度达到最大值。

(2)覆盖土层厚度为30m 时，放大系数在3种输入地震动强度下均达到最大值。

4 结论和建议

本文利用SOILQUAKE 程序计算了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地在3 种输入地震动强度下，覆盖土层厚度变化对PGA 和放大倍数的影响。结果表明，地表峰值加速度与输入地震动强度正相关，同一覆盖土层厚度下，输入地震动强度越大，PGA 越大，Ⅱ、Ⅳ类场地PGA 在覆盖土层厚度约30m 时达到最大值，Ⅲ类场在40m 时达到最大值。场地放大倍数与输入地震动强度反相关，在覆盖土层厚度25～30m 时，放大倍数在3 种输入地震动强度下均达到最大值，且不同输入地震动强度对放大倍数影响的差异较大。

土层地震反应是非常复杂的土体动力学问题，本文没有研究输入地震动的频谱特性、场地的土层结构、Ⅲ、Ⅳ类场地更深覆盖土层厚度等因素对PGA 的影响。本文得出的相关结论可以为场地分类的研究提供参考，今后将会基于更多的场地模型、输入地震动等资料对该领域进行深入的研究。