軟弱土層對場地地震反應的影響分析

田守岐

中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010

軟弱土層對場地地震反應的影響分析

田守岐

中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010

目的 研究軟弱土層不同排列方式、在土層結構中的位置及其厚度變化對地表加速度反應譜的影響.方法 應用一維波動理論等效線性化分析方法。結果 求出了含軟弱土層的不同土層結構在地震作用下地表加速度反應譜，分析了反應譜加速度峰值及特征周期Tg的變化趨勢。結論 同樣都是Ⅲ類場地情況下，軟弱土層的存在使地表地震動參數值與不含軟土層的場地得到的值相比有很大變化，軟弱土層在土層結構中的位置不同地震動參數值的差異也很大。

軟弱土層；土層結構；反應譜；特征周期

引言

現有的土層地震反應分析方法有波動法、集中質量法等。本文計算所使用的是目前我國地震安全性評價和地震小區劃研究工作中廣泛采用的一位波動理論等效線性化解法。多數情況下，工程場地土層的力學性質在橫向的變化較之沿深度的變化為小，在估算土層地震反應時通常先予考慮土體和巖石力學性質沿深度的變化；同時，通常在計算地震反應時假定地震輸入是豎直向上的剪切波，因此，土層地震反映問題通常簡化為一維波動問題。

1 輸入地震波的選擇

圖1 天津波加速度時程曲線

選真實地震記錄天津波104.3gal（圖1）作為由基巖向上入射的地震波，選擇Ⅲ類場地作為研究對象。所有計算土層結構均為13層，場地覆蓋層厚度取110m。文中軟弱土層指剪切波速小于140m/s的土層。土層結構按軟弱土層的不同位置劃分為在底部、頂部和中部三種情況，其確定方法為：底部為倒數第二、三層，頂部為第一、二層，中部為底部和頂部之間的其他各層。構造不含軟弱土層的正常剖面時，只將其中軟弱土層換為非軟弱土層。調整軟土夾層埋深及其厚度的同時保證場地的類別不變。

對于彈性均勻介質半無限空間問題，地震動場在自由表面處的值為入射波場值的二倍，基于這一理論結果對實際問題進行近似處理，規定地震輸入界面處的地震波應按自由基巖地震動時程幅值的50%輸入。

2 數值計算分析

依據《工程場地地震安全性評價工作規范》（DB 001-94），取各土層動剪切模量比G/Gmax與阻尼比 隨剪應變 的變化關系。

利用一維等效線性化波動理論方法計算了不同場地剖面在不同地震動輸入下地表加速度峰值和速度峰值，并采用雙參數標定設計反應譜的方法確定了加速度反應譜擬合譜的特征周期。

2.1 軟弱土層埋深對反應譜的影響

選取厚度為2.1m、6.6m及8.1m的軟土層，剪切波速值為97.5m/s，密度值為1.63t/m3，并分別計算三種厚度軟土層居于土層結構的不同位置時的地表加速度反應，分析其對地表峰值加速度及特征周期的影響。圖中D表示軟弱土層的埋置深度，hr表示軟弱土層的厚度。

圖2 Tg隨軟弱土層埋深的變化曲線

圖3 隨軟弱土層埋深的變化曲線

由圖2、圖3可知：

(1) Tg值隨著軟弱土層埋置深度的增加變化比較復雜，總體隨著埋深增加Tg值有所增大。當埋深小于8m的時候增大的趨勢較明顯，隨后有一個逐漸減小的過程，埋深達到60m 的時候又開始逐漸增加，8.1m厚的軟夾層Tg值變化比其他兩種明顯；

(2) 地表峰值加速度amax隨著軟夾層的埋深有著明顯的減小趨勢，只有在8m～15m之間有微小的增加，形成一個臺階轉折。埋深小于8m的時候減小趨勢最明顯，大于15m時減小趨勢相對較小。

2.2 軟弱表層對反應譜的影響

軟弱表層取剪切波速為97.5m/s，密度值為1.63t/m3，厚度由0.1m～10.1m變化，按照淤泥質土計算。與其對應的正常土層剪切波速為187.5m/s，密度值為1.85t/m3，按照表土計算，其他土層結構及參數保持一致。

圖4 Tg隨軟表土層厚度變化曲線

圖5 隨軟表土層厚度變化曲線

由圖4、圖5可以得出以下結論：

(1) 含軟表土層的反應譜特征周期Tg值與不含軟表層的Tg相比有明顯減小，軟弱表層厚度1.6m～2.6m之間時Tg達到最低，約0.375s，之后隨著厚度增加Tg值逐漸增大，當達到7.6m時Tg值趨于平衡約0.625s。

(2) 含軟表土層的地表峰值加速度amax與不含軟表層的場地地表峰值加速度相比有明顯增大，增大倍數約為1.6～1.8，由此可見軟弱表層會對地震地面作用產生放大的影響；hr小于2.6m時amax隨著軟表土層厚度的增加而增大，0.1m～1.6m之間增大明顯，1.6m～2.6m為最大區域；hr在2.6m～6.0m時amax隨著hr的增加而減小，之后趨于平緩約135gal。

3 結語

雖然場地類別一致，但由于軟弱夾層的存在，地震作用及地震動參數都可能有很大的變化，因而在場地類別劃分時考慮軟弱土層的影響是很必要的，本文研究得到的初步成果能夠對場地類別劃分的方法及地震動參數的確定方法起到一些借鑒作用。

本文著重研究了不同情況下軟弱土層對地震反應的影響，得到主要結論有以下幾點：

(1) 對反應譜特征周期Tg的影響

同樣厚度的軟弱土層的埋深對Tg影響不是很大，總體有隨埋深增加的趨勢。同樣都是Ⅲ類場地情況下，軟弱土層的存在使Tg值與不含軟土層的場地得到的值相比有很大變化，軟弱土層在土層結構中的位置不同Tg值的差異也很大。處于場地表面時Tg值與正常相比明顯減小，最大差達到0.3s；處于土層結構20m時，Tg值隨著軟弱土層厚度的增加而增大；處于基巖表面時，Tg值明顯大于正常場地剖面計算的結果。

(2) 對地表峰值加速度的影響

軟弱土層埋置深度越深，地表峰值加速度越大。同樣都是Ⅲ類場地情況下，當軟弱土層處于地表和埋深20m處時，地表峰值加速度都比正常場地計算結果大，對地震影響起到放大的作用；軟弱土層處于基巖頂面時，地表峰值加速度與正常場地計算結果相比要小，能夠使地震作用削弱，當厚度達到一定值時可以起到隔震的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.16.006