基于理想场地模型的不同位置软夹层对场地地震反应的影响研究

王 竞， 王世元， 潘勇杰， 宴金旭

(四川省地震局， 四川 成都 610041)

0 引言

场地地震反应受地震动输入强度、传播方式、传播土地介质等多种因素的影响，历次震害表明，局部场地会严重影响地震震害程度的分布情况。我国目前所采用的建筑抗震设计规范是GB 50011-2010[1](简称《10规范》)，规范中的场地分类方法仅适合场地剪切波速随埋深递增的场地，但是实际工程场地往往复杂多变，含有软、硬夹层。在众多的地震安全性评价工作和中国地震试验场规划过程中发现四川西昌地区场地类别丰富，I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地齐备，在该地区尤其是安宁河河谷及周边地区，发现较多的深厚软弱夹层，并且受多条断裂带的影响。牛洁[2]、韩昕[3]等对设计反应谱的特征参数研究表明，场地条件是影响特征周期和平台值的重要因素之一，数值随场地类别分组提高而逐渐增大，田兆阳[4]指出断裂破碎带场地会增大场地地震动，因此在这种情况下，采用《10规范》所给出的场地分类情况、设计地震动参数是不完全准确的。规范中对覆盖土层厚度明确规定其剪切波速要大于500m/s，在一定程度上该规定变相地考虑了硬夹层对场地的影响，但未对软土层作相关规定，因此有必要对软土所产生的场地影响作一定的研究。因此，本文针对四类场地土中不同位置软夹层的场地地震反应影响开展相关研究，为后续对西昌地区场地的土层情况和土层地震反应研究储备理论基础。

薄景山、陈国兴、曹均锋、李恒、王冲、王亚红等[5-12]针对软弱土层作了不同程度的研究。研究表明软弱土层的存在对场地反应有一定影响：软土位于场地表层产生放大作用，位于场地底部可以滤波减震； 对相同强度的地震动输入，软弱土层的埋藏深度和土层厚度与地表加速度峰值、土层放大系数、反应谱平台值及特征周期与软弱层的埋深和厚度呈反比。但以上研究均未考虑不同场地类别下软土层的影响，因此本文选取四类典型场地研究不同软土层位置对场地地震反应的影响，并对采用走时等效原则给出的各场地剖面的场地剪切波速值进行简要的对比分析，以期对后期软夹层土的地震反应研究，尤其是对中国地震科学实验场内的深厚软弱土层地震动的实际效应研究提供一定的参考。

图 1 地震动加速度时程Fig.1 Ground motion acceleration time histories

1 资料来源

1.1 人工地震动输入

为考虑不同大小、远近震的地震动对场地地震反应的影响，现人工合成27条地震动。这些地震动是以随机数为1516、8917、60000，加速度峰值为0.05g、0.2g、0.6g，特征周期为0.2s、0.4s、0.9s组合构造得到，强度包线均采用周宝峰推荐值：t1=3s、 t2=8s、 c=0.1，他认为以此造出的加速度时程曲线较符合地震动在短时间内发生时的持续时间和缓慢衰减过程[13]，图 1为随机数为1516时的9条地震动。计算时将各地震动加速度时程的幅值缩小一半作为本文的地震动输入。

1.2 场地计算模型

为探究不同位置软弱夹层的影响，构造各剪切波速呈线性分布的不含软土层的四类理想场地。冯伟栋[14]对土层模型参数变异性影响进行了相关研究，结果表明土层模型的分层厚度对土层反应计算结果有影响，应尽可能细分土层，充分考虑此因素并且尽可能使场地不受除软夹层位置变化之外的因素影响，构造了本文研究所用的各类场地典型剖面模型，相关参数见表 1～ 4，剖面如图 2～ 5所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地中所指软弱夹层是文献[15]中所指的剪切波速值最小且小于140m/s的土层，而Ⅳ类场地本身土体较软，构造不含上述所指软夹层的理想场地较困难，因此此处所指软夹层参考文献[8]中以相邻波速值来衡量，将夹层土的剪切波速与相邻顶层土的剪切波速的差值大于相邻顶层土波速的35%作为判断标准，各类土所取软夹层土类情况见表 5。分析时仅考虑波速变化的夹层所产生的影响，控制其他因素不变，保持除剪切波速值以外各参数值的一致性，各土层岩土类别除基岩层外均为粉质黏土，基岩密度为定值取 2g/cm3， 其余非线性参数采用袁晓铭推荐值[16]，见表 6。

图 2 理想场地剖面模型Fig.2 Models of the profiles in four types of sites

图 3 四类理想场地地表加速度峰值Fig.3 Peak ground acceleration of four types of sites in different depth of the soft interlayer

图 4 四类理想场地放大系数关系Fig.4 Amplification factor variation of four types of sites in different depth of the soft interlayer

图 5 四类场地剪切波速变化Fig.5 Shear wave velocity variation of four types of sites in different depth of the soft interlayer

表 1 Ⅰ类理想场地Tab.1 The model of type Ⅰ site

表 2 Ⅱ类理想场地Tab.2 The model of type Ⅱ site

表 3 Ⅲ类理想场地Tab.3 The model of type Ⅲ site

2 不同位置软弱夹层的影响

软夹层所产生的放大效应以及滤波减震作用已被大家所熟知，本文对其具体位于土层剖面什么位置，从而产生这两种相互矛盾的传播作用进行计算分析。所采用的做法是，将以上所述四类理想剖面第一层土层替换为软土层，随后将该软土层逐层下移共形成101个场地模型，进行土层地震反应分析，并与理想场地进行对比，分析不同位置软夹层对各类场地所产生的影响。替换原则：不对层厚及岩土类别作改变，并保持替换后场地类别不变。各类场地替换层的密度及相关参数见表 6，剪切波速分别为： Ⅰ类场地138m/s、Ⅱ类场地123m/s、Ⅲ类场地105m/s、Ⅳ类场地65m/s。

2.1 对加速度峰值的影响

将各特征周期、强度下三种不同相位地震动输入的结果进行平均，作为该组合下的计算结果，按不同强度、特征周期进行分组，对场地进行土层地震反应分析，求出各种情况下的加速度峰值。从数据上来看特征周期的增大会使加速度峰值小幅度增加，远不及不同地震动强度所产生的影响，因此对同一强度下不同特征周期值进行平均作为该强度下的反应结果。随后绘制出各类别场地不同强度下地表加速度峰值随软夹层位置变化的结果柱状图，由于Ⅲ、Ⅳ类场地土层较厚，在不影响分析结果的前提下仅画出部分剖面变化情况如图 3所示，与理想剖面相比，软弱夹层的存在改变了场地地震反应情况，随着软弱夹层位置从上到下逐层变化可以发现，加速度峰值随软夹层层低埋深先变大后减小，变化程度与地震动输入强度成正比。为进一步研究软弱夹层对场地传播效应的影响，绘制其放大系数关系曲线，如图 4所示，横坐标0～n表示不含软夹层、软件层所在土层位置各场地剖面的编号，纵坐标为不同剖面与理想剖面的加速度峰值的比值，大于1表示放大效应，小于1表示缩小效应。

通过上述分析可得到以下结论：

(1)场地的加速度峰值与特征周期、地震动强度呈正比。

(2)软弱夹层对Ⅰ类场地主要表现为放大，对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地主要表现为减震作用； 当软夹层位于土层底层即地震动输入所在岩土层时，场地减震作用显著。

表 5 场地计算模型的非线性资料Tab.5 Nonlinear data of site calculation model

表 6 四类场地软夹层参数Tab.6 Parameters of the soft interlayer in four types of sites

(3)不同强度下，软夹层的存在使各类场地首先表现为放大效应，并随着软夹层的逐层移动呈先增大后减小的趋势，随后逐渐变为缩小效应，于底部最为显著。其中， Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地当软夹层层底埋深小于5m时对场地产生放大作用，大于5m则表现为缩小效应； Ⅳ类场地在小、中强度地震动输入下，当软夹层层底埋深小于10m时为放大作用，大于10m为缩小效应，在强地震动输入下，当软夹层层底埋深小于15m时场地表现为放大效应，大于15m有减震的作用。

(4)各强度下各类场地的最大放大系数均在0.1～1.3，也就是说软夹层对场地地震反应的传播效应具有一定的局限性。

2.2 对等效剪切波速的影响

虽然将各类场地的第一层土层替换后场地类别保持不变，但从以上研究可看出随着软弱土层的下移地表加速度峰值有相应变化，这意味着变化后的场地动力学特性与理想场地有所差异。等效剪切波速作为场地类别划分的重要指标，有必要对该参数的变化情况进行分析，如图 5所示。

分析统计结果表明，软夹层的存在使各类场地的等效剪切波速值减小，而软夹层的移动仅针对计算深度界限上下土层变化的场地产生影响，这表明作为场地代表的等效剪切波速与实际场地的传播效应不能很好地保持一致，不能反映场地土层结构变化的影响。

3 结论

软夹层是场地土层的一种特殊结构，含有软夹层的场地其土层结构主要表现为剪切波速变化不呈传统意义上的递增型，在中间土层位置可能夹杂着波速较小的场地土，而软夹层的存在会在一定程度上改变场地的动力学特性，进而对地震动的传播效应产生较大的影响。通过上述研究表明，不同位置的软夹层对场地地震反应的影响不同，但是我们实际应用中划分场地类别所依靠的覆盖土层厚度、等效剪切波速两个指标并不能够反映这一因素的影响，造成对于工程场地认识不清晰，判断不准确。本文针对采用走时等效剪切波速和周期等效剪切波速两种指标对反映不同土层结构变化的情况及灵敏度[17]，表明周期等效剪切波速能比较灵敏地反映出场地土振动特性，并给出了基于这一指标的场地分类界限值，在后续的研究工作中可进一步对比两种指标的差异性及优势性，开展更为详细的讨论与研究。

通过本文计算分析，可得到如下结论：

(1)场地的加速度峰值与特征周期、地震动强度呈正比，随之增大而增大。

(2)软弱夹层对Ⅰ类场地主要是放大传递，对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地则为滤波减震作用。不同强度下，软夹层使各类场地首先表现为放大效应，并随着软夹层的逐层移动呈先增大后减小的趋势，随后逐渐变为缩小效应，于底部最为显著。

(3)软弱夹层对场地地震反应的传播能力在某一特定范围，具有一定的局限性。

(4)软弱夹层使不同类型场地的等效剪切波速值减小，但其位置的变化对等效剪切波速计算值不产生影响，即等效剪切波速不能反映土层结构的不同。