軟弱夾層對特征周期取值的影響

毛天爾， 曾雙雙， 馮程程， 欒 極

(1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070;2.深圳市華正建筑設計有限公司，廣東 深圳 518109;3.華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

地震是一種隨機現象，具有不可重復性，本身復雜多變。影響地震動的因素大致分三類:震源特性、途徑和局部場地條件與傳播介質。工程地震研究表明［1］:場地條件對地震動反應有重大影響，具體表現為對地震波的放大。如何根據場地條件準確地確定地震作用，場地土層中的軟土問題則是工程界研究內容的重中之重。在強震中，軟弱土層表現出強烈的非線性，導致動力分析擬合反應譜曲線時，很難得到真實的結果［2］。

對于特征周期的取值，我國《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)［3］中設計反應譜理論僅考慮震級、震中距以及場地條件的影響，沒有考慮軟弱夾層的影響。本文針對此問題，結合強震數據采用一維等效線性化軟件SHAKE91，分析土層剖面含軟弱夾層這一特殊土層的地震動響應，采用雙參數法計算特征周期取值，通過比較含軟弱土夾層和不含軟弱土夾層的同一場地特征周期取值規律，得出土層結構中軟弱夾層對特征周期取值的影響。

1 土層地震反應分析方法簡介

1.1 土層地震反應分析步驟

土層地震反應分析直接計算方法步驟為:

第一步地震動輸入。輸入方法主要有:(1)直接在基巖輸入;(2)根據所獲地面加速度紀錄，計算反演到基巖，做場點地震輸入;(3)采用滿足條件的人工地震波輸入。

第二步選擇土體動力本構模型。動力本構模型分為線性模型和非線性模型，線性模型又分為完全線性模型和等效線性化模型。本文采用等效線性化模型。

第三步數值分析處理。處理方法分為:解析法、有限元法及無限元法。本文采用Shake系列軟件，該軟件運用等效線性化程序，屬于一維頻域求解波動方程的方法。

1.2 一維等效線性化波動法

土體是由固、液、氣三種介質組成的三相體系，是一種復雜體系。土層地震反應分析應該是三維動力反應問題。工程研究時常將其簡化成二維或一維。三維分析方法是理論研究上的新方向，一般通過ANSYS進行建模，將無限土層邊界改為人工邊界，然后進行多點透射計算，目前很少應用到工程中。工程中應用最廣的是一維土層地震反應分析方法。將土體介質簡化成一維水平成層的土層結構模型，采用等效的剪切模量和阻尼比代替在卸載過程中，所有不同應變幅值下的剪切模量和阻尼比。這樣計算過程中將非線性的問題轉換成了線性的問題，迭代計算變得便捷。該方法簡化了土體動力本構模型，且反映了土體的非線性特性，只是計算過程中將土體非線性應力——應變滯回關系近似的用線性關系表示，概念明確。本文使用等效線性化模型，對同一場地的不同土層模型進行動力分析。

2 軟弱土層對特征周期影響研究

本文在參考文獻［4］中的工程場地鉆孔資料的基礎上，構造了10個基本場地土層剖面，共包括四種模型:軟弱夾層在剖面頂部、中部和底部以及不含軟弱夾層的剖面。依實測資料，給出各土層子層的剪切波速值和密度值，其非線性資料按文獻［4］推薦值給出。為了消除不同輸入地震動特性對特征周期的影響，輸入地震動峰值加速度分別取為 100 cm/s2、200 cm/s2、300 cm/s2和 400 cm/s2的強震記錄，結合抗震設計規范［3］，本文所稱的軟弱土層定義為在計算剖面中剪切波速取值小于140 m/s的土層。

2.1 土層模型介紹

圖1軟弱土層位于土層結構上部的模型，該模型所采用的土層剖面資料參數見表1，非線性參數取值等效剪切模量和阻尼比見表2，重點研究的軟弱土層為6層，按抗震設計規范［3］的規定屬于Ⅲ類場地。模型二為軟土層位于粉砂和粉粘土之間;模型三為軟土層位于粉粘土層與基巖之間。

圖1 土層剖面柱狀圖

表1 土層剖面資料

表2 土層非線性參數取值表

2.2 軟弱夾層對特征周期影響分析

用含軟弱夾層剖面的加速度反應譜的特征周期的平均值與無軟弱夾層剖面的反應譜的特征周期之比，反映軟弱夾層對地表加速度反應譜特征周期的影響，三種具有軟弱夾層的土層結構對地表加速度反應譜特征周期的影響系數分別用下式表示:

其中βu、βm和βb分別表示軟夾層在計算剖面底部、中部和頂部的影響系數;Tgu、Tgm、Tgb和 Tg分別表示同一場地，軟弱夾層在底部、中部、頂部和無軟弱夾層剖面，在同一地震動峰值的各種不同地震動加速度時程的輸入下得到的所有加速度反應譜特征周期的平均值［5］。將計算結果列于表3，繪制趨勢圖見圖2。

表3 不同土層結構對反應譜特征周期影響系數表

分析表3軟弱夾層對反應譜特征周期影響系數表和趨勢圖2，可見:

圖2 軟弱夾層影響系數趨勢圖

①Ⅲ類場地，在軟弱夾層剖面上部輸入地震動強度較小時，軟弱夾層的影響系數大于1，在小震情況下軟弱夾層對特征周期取值有放大作用。

②當軟弱夾層在土層上部時，影響系數接近1，軟弱夾層對特征周期的取值沒有很大影響;當軟弱夾層在底部和中部時，影響系數均大于1，軟弱夾層位于土層結構的中部和底部時，對特征周期取值Tg起放大的作用。

③當軟弱夾層在土層結構的下部時，系數值β隨地震動峰值加速度最大值的增大而減小，說明當軟弱夾層位于土層剖面的下部時，地震強度愈大軟弱夾層對反應譜特征周期的取值影響越小。

綜上所述，建議我國抗震規范對于Ⅲ類場地特征周期取值，補充若有軟弱夾層，應對特征周期值進行修正的規定，以客觀反應軟弱夾層對地震作用的影響。

3 結語

本文就土層結構中軟弱夾層對特征周期取值的影響做了探索性研究。參照實測資料選取和構造了基本場地剖面，包括四個模型:軟弱夾層在剖面頂部、中部、底部以及不含軟弱夾層剖面。采用了專門研究土非線性的軟件SHAKE91，計算不同場地剖面的地表加速度峰值和速度峰值，分別計算了含軟弱土層的各土層模型與不含軟弱土層模型的特征周期比值系數，通過對系數的分析得出了:對于Ⅲ類場地，當軟弱夾層在土層上部時，軟弱夾層對特征周期的取值沒有很大影響;當軟弱夾層在土層中部、底部時，對特征周期取值有放大作用。

［1］錢勝國.軟土夾層地基場地土層地震反應特性的研究［J］. 工程抗震，1994，(1):15-18.

［2］齊文浩，薄景山.土層地震反應等效線性化方法綜述［J］.世界地震工程，2007，23(4):221-226.

［3］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［4］袁曉銘，孫 銳，孫 靜，等.常規土類動剪切模量比和阻尼比實驗研究［J］.地震工程與工程振動，2000，20(4):133-139.

［5］薄景山，翟慶生，吳兆營，等.三種土層結構反應譜特征周期的統計分析［J］.地震工程與工程振動，2004，24(3):124-129.

［6］薄景山，李秀領，劉德東，等.土層結構對反應譜特征周期的影響［J］.地震工程與工程振動，2003，23(5):42-45.

［7］翟慶生.基于土層結構的場地分類方法的研究［D］.哈爾濱:國家地震局工程力學研究所，2003.

［8］齊文浩，薄景山.土層地震反應等效線性化方法綜述［J］.世界地震工程，2007，23(4):221-227.

［9］陳繼華，賈學民，王 偉.軟弱夾層土對軟土場地地震效應的影響［J］.燕山大學學報，2006，30(5):451-455.

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