軟弱夾層土對軟土地基地震效應的影響分析

【摘 要】本文為了得到軟弱夾層土的深度與埋深對于地表的震動參數的作用，基于天津某工程的一場地為研究對象，通過軟夾層的厚度與埋深對于軟土地層的地震效應的影響進行了詳盡的分析。其中采取了一系列的變量處理：將軟弱夾層的厚度從2m增加到10m，分為5個剖面；軟弱夾層的厚度從2m變化到62m，形成了16個剖面；然后選用Taft、Elcentro和Northridg作為地震記錄的輸入地震動，最后使用SHAKE9程序對不同的峰值加速水平、各個剖面以及輸入地震波進行地震的反應測試。

【關鍵詞】軟弱夾層；輸入地震動；軟土場地；加速度放大系數

軟弱夾層土對于地震地面的運動有著重要的影響作用。特別是在沿海地區與江河的下游地區存在著厚度較大的軟弱土沉積層，而且由于形成的時間與類型不同，從而導致了不同的動力學特征。近年來許多的工程地震研究者在很多的方面進行了關于軟弱土夾層的厚度與深度對于地表地震動的影響。本文就以某工程為例，通過實驗構造不同的剖面，對比研究各因素對于結果的影響。

1 軟弱土定義與特性

廣義的軟弱土指具有高壓縮性的土質，一般包括淤泥、部分沖填土、淤泥質土、雜填土等，而由以上軟弱土構成的地基就是軟弱土地基。

軟弱土所具有的特殊的工程力學性質是由于其自身的特殊物理性質決定的。軟土特殊的物理及工程性質主要的體現在：天然孔隙比大、抗剪強度低、天然含水量高、壓縮系數高、滲透系數小。如果這種土在受到較大的外在壓力作用時就會產生巨大的不均勻的形變，而且具有較長的變形穩定時間。

2 場地條件與輸入地震動的特性

選用天津某一覆蓋層達到100m的場地進行分析，將3條地震波的峰值設定為0.35m/s2，0.70 m/s2，與0.98 m/s2，條件簡稱為T1，T2，T3;E1，E2，E3;N1，N2，N3。使用Taft、Elcentro和Northridg作為地震記錄的輸入地震動。

3 軟弱夾層對場地地震放大效應的影晌

試驗中選用軟粘土作為軟夾層土，剪切波速與重度分別為100m/s，19.3KN/m3，然后通過構造不同的剖面來研究地震的效應受到哪些因素的影響。

3.1軟弱夾層土的埋深對場地地震效應的影響

試驗中將2m厚的軟夾層土依次場地的不同剖面深度，埋深由2m增加到62m，選取其中的16個剖面，并使用Taft、Elcentro和Northridg作為地震記錄的輸入地震動，總共形成了144種對比分析，其結果分別如下圖1、2、3：其縱坐標與橫坐標分別代表地表加速峰值Amax或者放大系數與埋深Drj。

由上圖可以見：

3.1.1 在輸入地震波震動與峰值固定的情況下，逐漸的增加軟弱土層的埋深可以有效的減小放大系數與地表峰值加速度Amax。但是當埋深Drj增加到30m后，這時候再增加埋深已經不能明顯的影響放大系數與地表峰值加速度Amax。

3.1.2 無論對于Taft、Elcentro或者Northridg作為地震記錄的輸入地震動，當軟弱土層的埋深增加到大于30m時已經不能明顯的影響放大系數與地表峰值加速度Amax。

3.1.3 當加速度水平與輸入地震一定的情況下，存在一個臨界的埋深，在埋深超過臨界值時放大系數就小于1，相應的減震效果較為明顯。有時的地表峰值的加速度甚至可以減少80%，但是這個臨界深度并非一成不變的，而是會隨著輸入的地震動以及強度有關。

3.1.4 輸入的地震動的強度越大，軟弱夾層土對場地的加速度表現出的削弱作用也就越明顯。

上圖2為峰值0.35的Taft波時不同的埋深對于地表加速度的作用。其中僅僅以每八米為間隔，從2m一直增加到62m，從上述實驗的結果可見：

（1）在埋深不斷增加的情況下，地表加速度的譜線從單峰逐漸的向雙峰過度。這一結果與前人的研究一致。

（2）反應譜的卓越周期有隨著埋深的增加而加大的趨勢，尤其是在埋深大于38米后：埋深38米時為0.4s與1.45s；當埋深到46m時為0.43s和1.45m；增加到62米時卓越周期為0.5s和1.45s。

（3）由圖可見，當軟夾層的埋深為2m時，對應的譜值為283.4cm/s2，隨著埋深增加到最大值62米，譜值僅為120cm/s2。

如果二維的圖譜還不夠明顯的話，可以用實驗數據生成關于埋深、地表加速度放大系數以及加速度峰值的三維立體圖。也可以得到類似的結論，只是可以更為明顯的看出各因素之間的關聯。

3.2 軟夾層的厚度對場地地震效應的影響

上面的所有討論是基于相同厚度的軟弱夾層土而進行的研究，下面以軟夾層的厚度對場地地震效應進行探討。試驗中取地下9米與22米處計算軟弱土夾層厚度對于地表峰值加速度的影響，而且這兩個深度的夾層厚度從2米過度到10米，構成了5個新的剖面進行研究。本實驗使用的輸入地震動為Taft，共計做了60種不同條件下的地震效應分析，實驗的結果如下圖5，其中縱坐標與橫坐標分別代表地表加速峰值Amax或者放大系數與軟弱夾層土厚度Hrj。

由上圖可見，不同的軟弱土夾層埋深對于地地表峰值加速度及放大系數有著明顯的不同作用。當埋深較淺時，如果以一定的峰值加速水平與輸入地震動進行試驗，那么地表峰值加速度及放大系數都會同步的減小；當軟夾層所處的位置較深時，如果地震動不同，則地表峰值加速度及放大系數的變化趨勢有較大的區別。具體來說就是當輸入峰值水平在0.35時，對于不同的地震波，地表峰值加速度及放大系數都會隨著軟弱夾層土的厚度的增加而出現減小的趨勢；當輸入的峰值較高時則沒有這一規律性的結果。

4.減小地震效應的工程選址原則

有上述的論述可見，軟弱地基對于減弱地震的危害具有一定的減弱作用，但是也存在著不均勻變形的危險，于是結合我國建筑的施工選址經驗，特總結出以下的場地的選址原則：

（1）選擇土質堅實的堅硬場地。因為松軟的土地很容易在地震的作用下發生地基失效，例如河道、山坡、山谷河邊等軟土地址環境。

（2）對于某些特殊的原因而不得不在較差的場地施工時，要采取抗震的處理，即使已經落成的項目也要進行后期的加固。

（3）由于較弱的地基具有不均勻的形變，在使用中要注意保持地基的整體性，防止發生永久性的或者動態的不均勻形變。

總之，選址必須處于地震發生率小、地震反應較小的地段。

5.結論

以上的論述中主要通過構造不同的變量，通過多種條件下結果的比對來研究各因素對于地表加速度峰值和放大系數的影響。其結論可以簡單的概括為：特定的條件下隨著軟弱夾層土埋深增加，放大系數λ與地表加速峰值都明顯的減小，但是當埋深增加到一定值后，地表的加速放大值在1.0之下，且軟弱夾層土的厚度也會影響加速峰值。

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