龙头山集镇局部场地地震动效应分析＊

陈 珍 周 游郝 冰李远东周正华※ 沈欣茹魏 鑫

1)南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京 210009

2)中国地质调查局国土资源实物地质资料中心，河北三河 065201

3)黑龙江中医药大学附属第一医院，黑龙江哈尔滨 150040

引言

2014年鲁甸MS6.5地震是我国继2013年芦山MS7.0地震之后的又一次破坏性浅源地震，震中烈度为Ⅸ，造成的地表破坏、房屋损毁及人员伤亡比国内其他同震级地震造成的都要严重，尤其是本文重点分析的龙头山集镇6个场点（图1）均位于极震区，影响烈度为Ⅸ。

图1 6个场点的钻孔位置Fig.1 Borehole position of 6 sites

据震害现场调查发现，震害较重的区域多处于具有一定覆盖层厚度的洪积扇上，覆盖土层主要为第四系人工堆积的填土，冲洪积的粉质粘土、含砾粉质粘土、粘土、圆砾、砾砂、碎石、角砾、漂石，少量残积形成的粉质粘土。定性分析后认为，场地近地表覆盖土层对地震动的显著影响造成了震害加重。为此，云南省防灾研究所针对极震区的鲁甸县龙头山镇典型场地进行了岩土工程勘察，为进行近地表覆盖土层对地震动的影响分析提供了基础。

场地近地表覆盖土层属于典型的局部场地条件之一，有关近地表覆盖土层对地震震害的影响早已为人们所熟知[1]。近年来，场地近地表覆盖土层对地震动的影响，已引起了人们的高度重视，并在此方面进行了诸多研究。大量研究表明，局部场地覆盖土层的形成年代[2-3]、成因类型[2-3]、厚度差异[4-6]、土层结构[5,7-11]、土体动力特性[12]、以及输入地震动特性差异[8]等因素都对场地地震效应有显著放大作用。因此，本文基于鲁甸县龙头山镇6个典型场地上的钻孔资料及实验数据，建立一维土层地震反应分析模型，采用一维等效线性化方法，来分析近地表覆盖土层对地震动的影响，继而对不同场地上的震害特征进行讨论。

1 场地地震工程地质条件勘测

1.1 钻探与剪切波速测试

为了查明工程场地范围内的工程地质条件，在6个工程场地内各布置了1个钻孔（图1），以揭示场地土层的分布及其随深度的变化情况。

由勘探资料可知，勘探深度内的主要岩土层为：第四系人工堆积（ml）的填土，冲洪积（al+pl）的粉质粘土、含砾粉质粘土、粘土、圆砾、砾砂、碎石、角砾、漂石，少量残积（el）形成的粉质粘土，二迭下统栖霞组（P 1 q）的白云质灰岩、奥陶下统下巧家组（O 1 h）的石英砂岩，以及断层角砾岩、断层泥等。

针对6个钻孔进行了现场原位剪切波速测试，各钻孔分层土剪切波速测试结果见表1。依据6个钻孔的波速实测数据及钻探资料，判断DZK1—DZK6孔所在工程场地均为Ⅱ类建筑场地。其中，DZK1—DZK5为中硬场地土，DZK6为中软场地土。

1.2 场地典型土样动力动三轴试验

在钻探中对典型岩土层进行了取样，共计23件，针对23件土样进行了动三轴试验，对应8个应变水平的剪切模量比及阻尼比详见表2，模量比、阻尼比与剪应变的变化曲线见图2。

表1 6个钻孔的分析模型及土体力学特性参数值Table 1 Analysis model and parameters of soil mechanical properties of six boreholes

续表1

2 一维场地地震反应分析模型

一维场地地震反应分析模型是依据场地土层剖面的土层分层厚度和土层土体性状描述资料，以及场地土层土体的力学特性资料（土体的剪切波速、密度及动力非线性特性参数）而建立的。本文依据鲁甸县龙头山集镇6个典型场地上的工程地震条件钻探资料及土体的力学特性与动力非线性特性试验数据，建立了6个场地地震反应的分析模型，分析模型剖面与力学特性参数见表1。依据《工程场地地震安全性评价》（GB 17741-2005）中12.2.2条规定确定了计算模型计算基底，模型中各类土的动力非线性特性参数值见表2。

图2 场地土体非线性参数Fig.2 Nonlinear parametersof site soil

3 场地地震反应分析

场地地震反应分析采用一维土层剪切动力反应分析的等效线性化方法[13-14]。

鲁甸MS6.5地震中，位于DZK1钻孔旁的龙头山镇财政所院内强震动观测台站（53LLT）记录到的三分量加速度记录为此次地震中获取的最大加速度峰值记录，其中东西向、南北向、竖向峰值加速度分别为949 cm/s2、706 cm/s2、504 cm/s2，台站震中距不足10 km[15]。在进行土层地震反应分析时，将以这组东西向加速度记录按幅值缩小一半（474.5 cm/s2）作为一维土层地震分析模型的计算基底入射波。入射波加速度时程及加速度反应谱如图3、图4所示。

图3 基底入射波加速度时程Fig.3 The acceleration time history of the baseincident wave

由图4可以看出，入射波具有较宽的频带，其在0.1—0.7 s的周期范围内能量成分丰富，在大于0.7 s的较长周期段能量迅速衰减，特征周期约为0.7 s，长周期成分亦丰富。

对每个计算模型分别进行水平向地震反应计算，将得到各钻孔所在场地地表水平向地震反应的地震动加速度时程和反应谱值。表3是各钻孔所在场地地表水平向地震反应的水平向地震动峰值加速度的计算值，表中亦给出了其与强震动台站加速度峰值（949 cm/s2）的比值。图5是各钻孔所在场地地表水平向地震动加速度反应谱（阻尼比：5%）。

图4 基底入射波加速度反应谱Fig.4 The acceleration response spectrum of the base incident wave

表3 地表水平向地震动峰值加速度及记录峰值加速度比Table 3 Peak acceleration of horizontal ground motion and recorded peak acceleration ratio

图5 地表水平向地震动加速度反应谱Fig.5 Horizontal ground motion acceleration response spectrum

由表3可以看出，不同场点的地表地震反应加速度峰值差异明显，DZK6孔所在场点峰值加速度最大，为53LLT强震动台站峰值加速度的1.81倍；DZK1、DZK3、DZK5孔对应场点加速度峰值相近，与DZK1孔附近的53LLT强震动台站峰值加速度相当，峰值加速度比值分别为1.11、1.16和1.12；DZK2与DZK4孔所在场点的峰值加速度较其他场点低，与53LLT强震动台站的峰值加速度比值分别为0.78和0.47，DZK4孔对应场点最低，与入射加速度峰值相当。以上结果表明，DZK1、DZK2、DZK3、DZK5、DZK6孔场点场地地震动放大作用明显，尤其是DZK6孔场点最为显著。尽管6个钻孔均被划分为Ⅱ类场地，但局部场地的近地表覆盖土层的厚度、组合特征及土动力特性等关键物理因素对地震动的场地放大效应有显著影响。

如图5所示，不同场点的反应谱幅值特征亦差异明显。DZK1、DZK3、DZK5孔对应场点的反应谱幅值相近，在0.11—0.5 s周期段内及长周期段（0.8—20 s）与53LLT接近，0.04—0.1 s周期段较53LLT低，而0.5—0.8 s周期段较53LLT高。DZK2、DZK4、DZK6孔所在场点加速度反应谱幅值差异较明显；对于DZK2场点，在0.6 s以下周期段的反应谱幅值较53LLT低，其余周期上相近；DZK4孔场点在1.2 s以下周期段的反应谱较53LLT低，其余周期上相近；DZK6孔场点在0.9 s以下周期段的反应谱较53LLT高，其余周期上相近。由此可知，近地表覆盖土层对0.3—20 s周期范围内的加速度反应谱具有重要影响，特别是在小于1 s短周期段影响尤为显著。这与地表地震动的短周期成分主要受近地表场地条件特性的影响相符。

4 场地效应与震害对比分析

依据地震现场灾害调查资料（图1）可知，DZK1、DZK3、DZK5和DZK6孔对应场点（分别对应53LLT、老行政机关办公区西侧、老街区、骡马口村区）震害较重；DZK2、DZK4孔对应场点（分别对应老中学区、老街区镇幼儿园）震害相对较轻。而场地地震反应分析结果表明，DZK1、DZK3、DZK5和DZK 6孔对应场点对地震动具有显著放大作用，DZK2孔场点的场地放大效应相对较小，DZK4孔场点对输入地震动具有衰减作用。场地地震动效应分析结果与震害对比说明，局部场地效应对震害具有显著的影响，场地地震动放大作用会加重震害，反之，则减轻地震震害。

5 小结

本文基于鲁甸县龙头山集镇6个典型场地上的钻孔资料及实验数据，建立了一维土层地震反应分析模型，采用一维等效线性化方法计算分析了土层地震反应，并讨论了土层地震反应特征及近地表覆盖土层对地震动的影响，最后结合不同场地上的震害，分析了场地地震动效应对震害的影响，研究获得的主要结论如下：

（1）不同场点的地表地震反应加速度峰值差异明显。DZK1、DZK3、DZK5、DZK6孔场点场地地震动放大作用明显，尤其是DZK6孔场点最为显著，与实际观测记录的比值达到1.81。

（2）不同场点的地表地震反应加速度反应谱亦差异明显。DZK1、DZK3、DZK5孔对应场点的反应谱相近，在0.11—0.5 s周期段内及长周期段（0.8—20 s）与53LLT强震动台站反应谱接近，0.04—0.1 s周期段较台站反应谱低，而0.5—0.8 s周期段较台站反应谱高。DZK2、DZK4、DZK6孔所在场点加速度反应谱差异较明显，对于DZK2场点，在0.6 s以下的周期反应谱较台站反应谱低，其余周期上相近；DZK4孔场点在1.2 s以下的周期反应谱较台站反应谱低，其余周期上相近；DZK6孔场点在0.9 s以下的周期反应谱较台站反应谱高，其余周期上相近。由此可知，近地表覆盖土层对加速度反应谱具有重要的影响，且与周期相关。

（3）场地地震动效应分析结果与震害对比说明，局部场地地震动效应是地震震害的主要影响因素，场地地震动放大效应会加重地震震害。