基于SOILQUAKE软件方法的厚层淤泥场地设防地震动参数确定探讨

夏 峰

(中国地震局第一监测中心, 天津 300180)

0 引言

土层地震反应分析是场地条件对地震动影响研究中一个重要研究内容,是场地工程地震安全性评价工作中关键技术手段之一,其合理性和可靠性对工程结构抗震设计影响很大[1-2]。

目前,国际上考虑场地条件对设计地震动影响主要的还是一维土层地震反应计算方法,其中最具有代表性的是SHAKE2000计算程序方法[3]和时域非线性DEEPSOIL5.0计算程序方法[4]。我国《工程场地地震安全性评价》规范中推荐使用的方法是由廖振鹏和李小军提出的等效线性化法[5],该方法在我国地震安全性评价工作中被广泛采用。以上国内外三个土层计算程序在一定程度上满足了以往工程设防要求,但随着应用的深入和不断的工程经验积累,也发现存在不少问题。由于等效线性化方法是以线弹性分析为基础,是一种对土体非线性的近似处理方法,通过数值迭代方法来近似考虑土体非线性动力特征的,并没有真正地反映土体的非线性,在计算中存在过度的算法共振效应现象,尤其是厚层软土场地在强震作用下尤为明显,计算反应谱明显呈现峰值低,反应谱矮、宽[6-7]的现象,不能很好地反映出场地条件真实的地震响应,为后继的设防参数确定带来较大的不确定性,进而留下工程隐患。

为此,袁晓铭等[8-9]采用频率一致方法(FCM,Frequency-Consistent Method),提出了新一代土层地震反应分析方法:SOILQUAKE软件方法,在有限工况的初步检验表明该程序表现良好。另外,李兆焱等[10]用该软件检验了巨厚场地计算结果,对比结果表明新一代土层地震反应分析SOILQUAKE软件方法结果与记录结果吻合程度最高。本次工作以天津某厚层淤泥场地资料为基础,同时采用新一代土层地震反应分析SOILQUAKE软件方法和等效线性化方法进行计算,对比分析计算结果,为该地区类似厚层淤泥场地设防参数确定提供参考,进而探索新一代土层地震反应分析SOILQUAKE软件方法对特定场地条件影响、特定地震影响环境和与当前抗震规范衔接应用问题。

1 场地地震构造环境及场地条件概述

1.1 场地地震构造环境

场地地震构造环境是影响场地建、构筑物设防的关键因素,它通常是客观存在的,但又是随着时间和认知水平变化的,地震工作者的任务是在给定风险水准条件下预估未来一段时间内(通常与建构、筑物设计基准期有关)设防水准。地震构造环境在目前设防地震动确定过程中最直接的体现就是潜在震源区分布图及相关参数,它代表了当前对某地区地震及构造工程应用处理的认知水平。图1是新版区划图[11]给出的对工程场区有影响范围的潜源分布图。

由图1可知,场址区域范围潜源多数呈北东和北西向分布,表明该区域活动构造也多呈北东向和北西向展布。场址位于北西向构造控制26号大沽7.0级潜源上。此外,19号天津7.0潜在震源区和18号唐山8.0级潜在区离场址较近,对场址地震环境影响明显。

图1 工程场址区域潜源分布图Fig.1 Potential source distribution map of the project site area

1.2 场地条件概述

2 计算模型建立

等效线性化方法所需的场地模型土层钻孔剖面参数和土动力学参数完全引用文献[12],这里不再详述。为了与等效线性化方法有可比性,SOILQUAKE软件方法建模完全参照等效线性化方法分层建模,只是按照SOILQUAKE软件方法输入略作变换,见表1。其中土动力学参数也完全参照文献[12]中表2的动三轴实验测试数据。

表1 SOILQUAKE软件方法场地模型土层钻孔剖面参数

表2 两种方法计算的场地地表峰值加速度结果Table 2 Calculation results of peak acceleration of ground surface by two methods

3 输入地震动参数确定

考虑最新版区划图[11]研究成果,本次工作采用新版区划图地震统计区、潜源参数和地震动衰减关系,对场地进行了场地地震危险性概率分析计算。考虑到新版区划图给出了极罕遇地震动参数,故本次分别计算了场地100年超越概率1%和50年超越概率63%、10%、2%的基岩5%阻尼比的结果,分别对应的场地设防水准是极罕遇地震动、罕遇地震动、基本地震动和多遇地震动水平,如图2所示,其对应的基岩加速度峰值分别为554.8 gal、369.2 gal、186.1 gal和48.2 gal。

图2 场地基岩不同超越概率反应谱Fig.2 Response spectra of site bedrock for different exceedance probabilities

基岩加速度的工程特性,主要由加速度峰值、频谱和振动持续时间这三个要素决定。将地震危险性分析得到的基岩峰值加速度和反应谱作为合成的目标函数,结合适应本场址地区地震活动特征的强度包络函数,采用拟合目标函数的三角级数迭加法合成基岩地震加速度时程,作为场地地震动反应分析的输入基岩地震动加速度的时程。给出三个以上相互独立的随机样本时程,反应谱拟合周期控制点数不得少于50个,周期控制点应大体均匀地分布于周期的对数坐标上,控制点谱的相对误差应小于5%。本次工作在满足上述技术要求前提下,以场地地震危险性分析得到50年超越概率2%、10%、63%和100年超越概率1%的基岩反应谱为目标谱各合成三个相互独立样本时程,作为土层地震反应分析的输入(图3)。

图3 场地基岩不同超越概率人造地震动时程Fig.3 Artificial ground motion time histories of site bedrock for different exceedance probabilities

4 地震反应分析

4.1 峰值加速度计算分析

在上述人造地震动时程输入条件下分别采用等效线性化方法和SOILQUAKE软件方法进行了土层反应计算,分别得到了地表峰值加速度值(表2)和加速度反应谱(图4,黑实线为不同相位计算地表反应谱,红粗线为标定的设计谱)。

图4 土层反应计算地表反应谱及标定设计谱Fig.4 Surface response spectrum and calibration design spectrum calculated by soil response

从表2计算结果来看,等效线性化方法(LSSRLI-1程序)计算的峰值加速度除了场地多遇地震(50 a-63%)条件下有所放大外,其他场地概率水准条件输入下峰值加速度均有所减小,且输入地震动强度越大峰值加速度减小幅度越大,这与以往等效线性化计算认识一样;新一代土层地震反应分析SOILQUAKE软件方法计算的峰值加速度则较输入值均有不同程度增幅,且增幅随输入地震动强度减小峰值加速度增加幅度越大,在场地极罕遇地震动(100 a-1%)输入下仍是放大的,这与以往等效线性化方法计算认识相左,但这一趋势与美国国家减轻地震灾害计划[13]认识相一致。

4.2 设计反应谱计算分析

为了与当前抗震设计规范相协调,本次工作按建筑规范[14]给出的地震影响系数形式进行设计谱标定,其表达式为:

式中:α(T)为地震影响系数,αmax为地震影响系数最大值;Tg为特征周期;γ为衰减指数;η1为直线下降段的斜率调整系数,取为0.02;η2为阻尼调整系数,取为1.0。

为了与新版区划图[11]结果有一定可比性,本次计算的设计谱标定动力放大系数βmax均取为2.5,标定时先确定设计谱平台段高度,然后反算出设计谱峰值加速度。表3列出了不同方法确定的设计地震动参数结果。为了对不同方法不同概率水准设计谱更直观的比较,将表3的参数绘制成图5所示。由于新版区划图结果仅给出设计谱峰值加速度,未给出设计谱特征周期值,图5中新版区划图确定的极罕遇地震动设计谱特征周期值参照罕遇地震动设计

表3 不同方法确定的场地地表设计地震动参数Table 3 The design ground motion parameters of the ground surface determined by different methods

图5 不同方法确定的场地地表设计地震动设计谱Fig.5 The design ground motion spectrum of the ground surface determined by different methods

谱特征周期值的结果给出。

从表3和图5中不同方法确定的厚层淤泥场地不同概率水准的设计地震动参数来看,不同方法差别较大。与新版区划图结果相比,等效线性化方法在多遇地震作用下明显偏低;在基本地震作用下等效线性化方法设计谱在特征周期大于0.9 s时与新版区划图结果基本吻合,但在小于0.9 s时与新版区划图结果差别较大,且可能会低估场地设防烈度;在罕遇地震作用下等效线性化方法设计谱在特征周期约大于0.9 s时大于新版区划图结果,但在小于0.9 s时略小于新版区划图结果;在极罕遇地震作用下等效线性化方法设计谱在特征周期约大于1.3 s时大于新版区划图结果,但在小于1.3 s时与新版区划图结果差别较大;相较新版区划图方法和等效线性化方法确定的设计谱,新一代土层地震反应分析方法确定的设计谱明显偏高,地震动输入强度越弱越明显,克服了文献[6]提到的等效线性化方法在软弱场地计算时出现的设计谱明显矮、宽现象,尤其是在强地震动(极罕遇地震)输入条件下与新版区划图结果较为接近,也与当下美国最新版NEHRP 2015(简称NEHRP)认识相一致。

5 结论

本文以天津滨海某厚层淤泥场地为例,采用新一代土层反应方法和等效线性化方法进行了分析计算,并与新版区划图结果进行了比较,得到以下结论:

(1) 新一代土层反应SOILQUAKE软件方法在软弱场地设计地震动参数确定时能体现一定的放大作用,尤其是强地震动作用下,克服了等效线性化方法在软弱场地计算时出现的设计谱明显矮、宽现象,与当前认识相一致,为软弱场地重大工程设防参数确定提供了参考。

(2) 新一代土层反应SOILQUAKE软件方法在软弱场地设计地震动参数确定较新版区划图结果设防标准有大幅度提高,考虑到相关抗震设防规范的协调性,还需进一步对软弱场地进行大量强震记录检验,以便在工程中更好地应用。

(3) 本次分析结果仅以某厚层淤泥场地为例进行不同水准设防参数确定探讨,对其他类型软弱场地还需进一步分析不同强度地震作用及其相关因素对设防参数确定的影响。

致谢:本文计算所采用的新一代土层反应方法SOILQUAKE程序由中国地震局工程力学研究所袁晓铭课题组免费提供,在程序使用过程中得到了李瑞山博士悉心指导,在此一一致谢。