剪切波速對場地地表地震動參數的影響1

曹均鋒 馮偉棟 孟凡月 董雙林 翟洪濤

（安徽省地震局，合肥 230031）

引言

在工程場地地震安全性評價工作中，土層剪切波速由于能夠反映土體動力特性，一直是評價場地條件的重要指標和土層地震反應分析中不可缺少的基本參數。目前，土層剪切波速主要是通過原位測試得到的，測試方法主要有單孔檢層法、跨孔法、瞬態面波法和穩態面波法等。在實際場地剪切波速測試工作中，由于存在鉆孔位置選取、施工方法、測試方法、儀器精度、人工操作等方面的差異，使得剪切波速的測試結果存在較大的離散性，而且這種離散性可高達30%—40%，甚至更高，會給科學合理地確定場地地震動參數帶來嚴重的干擾 （高玉峰等，2001；劉紅帥等，2005；蘭景巖等，2007；陳國興等，2007；孫銳等，2009）。因此，深入研究土層剪切波速的變異性對場地地表地震動參數的影響，對相應的影響范圍和變化趨勢進行探討是一項非常有意義的工作。

本文以江淮地區典型場地資料為原型，將其剪切波速實測值按照一定比例進行增減，重點分析了土層剪切波速的變化對場地地表峰值加速度、加速度反應譜的影響，以期為合理確定安徽及同類地區的重大建設工程抗震設防要求提供參考。

1 分析方法和計算參數

1.1 分析方法

目前，場地土層地震反應分析計算的方法較多，如線彈性波動（及振動）分析方法、等效線性化波動分析方法、直接時域非線性積分分析方法等。工程上廣泛采用的方法是一維頻域等效線性化波動方法，也是《工程場地地震安全性評價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標準，2005）推薦使用的方法（廖振鵬等，1989）。該方法是在總體動力學效應大致相當的意義上，用一個等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同應變幅值下的剪切模量和阻尼比，將非線性問題轉化為線性問題，利用頻域線性波動方法求解。本文在土層地震反應分析中即運用該種方法。

1.2 基本剖面

在江淮地區某場地資料的基礎上，結合一維頻域等效線性化波動方法的要求，確定2個典型鉆孔ZK4、ZK24作為基本計算剖面。其中，ZK4的覆蓋層厚42.3m，主要由填土、粘土、中粗砂和砂巖組成，屬于中硬場地土；ZK24的覆蓋層厚29.4m，主要由填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、中粗砂、礫石和砂巖等組成，屬于中軟場地土。基本計算剖面的土層分布情況及實測剪切波速詳見圖 1。土層非線性動力參數主要是通過現場取典型土樣進行動三軸試驗得到的，部分土層動力參數采用經典推薦值（袁曉銘等，2000）。

圖1 基本剖面鉆孔柱狀圖Fig. 1 The drilling histogram of basic profile

1.3 輸入基巖地震動

根據輸入地震動的選取原則，本次選取了Taft、E1centro和Kobe三條符合要求的實際強震記錄的時程（圖2），選取的持時均為40s。然后將強震記錄的加速度峰值均分別調整為50gal、100gal、200gal、400gal，并將幅值縮小一半的時程作為基巖的地震動輸入。

圖2 三條基巖輸入強震記錄Fig. 2 The three input strong motion records

2 地震反應分析結果

基于對鉆孔 ZK4、ZK24基本剖面的分析，對同一剖面將各土層的剪切波速實測值分別按5%、10%、15%、20%比例進行增大或減小建立9種土層反應分析模型，選取調整后的3組地震波作為輸入地震動，共對216個工況進行土層地震反應分析，得到各地表峰值加速度Amax(gal) 及地表加速度反應譜的特征周期Tg(s) 如表1、表2所示（注：表中Amax和Tg取同一峰值下3條輸入波計算結果的均值）。其中，反應譜的特征周期Tg(s) 取反應譜平臺值Amaxβm與反應譜曲線的右相交點的橫坐標周期值，根據《中國地震動參數區劃圖》宣貫教材中的相關統計結果（胡聿賢等，2001），反應譜的放大系數βm統一取2.5。

表1 不同土層剪切波速下的峰值加速度Amax(gal)Table 1 The acceleration peak Amax(gal) under different shear velocity of soil layers

續表

表2 不同土層剪切波速下的反應譜特征周期Tg(s)Table 2 The characteristic period of response spectrum Tg(s) under different shear velocity of soil layers

圖3和圖4為2個鉆孔輸入E1centro（1940NS）波時不同土層剪切波速下的地表加速度反應譜。由圖中可以看出：

（1）對于剖面ZK4而言，當輸入基巖峰值≤100gal時，不同土層剪切波速下的地表加速度反應譜僅在 0—1.0s較短周期范圍內呈現略微變化，周期越短，反應譜變化越顯著，反應譜在1.0s以后受土層剪切波速的影響基本可以忽略。當輸入基巖峰值超過200gal時（即大震作用下），地表加速度反應譜的形狀在0—6.0s范圍內均受到土層剪切波速不同程度的影響，當土層剪切波速減小時，反應譜的長周期部分右移，短周期譜值減小，長周期部分譜值普遍增大；當土層剪切波速增大時，短周期譜值增大，反應譜中、短周期部分影響較大，反應譜曲線向左移動。

圖3 ZK4不同土層剪切波速下的地表加速度反應譜Fig. 3 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK4

圖4 ZK24不同土層剪切波速下的地表加速度反應譜Fig. 4 The response spectrum under different shear velocity of soil layers for basic profile ZK24

（2）由于剖面ZK24包含淤泥質軟弱土層，而軟弱層表現出強烈的非線性，因此輸入基巖峰值的大小對其地表加速度反應譜差異影響有限。當輸入基巖峰值為50gal時，不同土層剪切波速下的地表加速度反應譜在 0—6.0s范圍即開始呈現較大差異，隨著輸入基巖峰值的增加，反應譜的形狀差異呈擴大趨勢，總體表現為與ZK4大震作用下呈現的趨勢基本一致。

3 剪切波速變異性影響分析

為分析土層剪切波速變異性對場地地震動參數的影響，將調整后的剪切波速計算結果與實測值計算結果進行對比分析。為直觀表示差異，以實測值計算結果為基準，表 3、表 4、圖5和圖6分別給出了8種縮放的剪切波速計算結果與波速實測值計算結果的相對偏差。

表3 地表峰值加速度比較結果Table 3 The comparison results of peak ground acceleration

表4 反應譜特征周期比較結果Table 4 The comparison results of characteristic period of response spectrum

從以上結果可以看出：

（1）在同一基本剖面下，將實測土層剪切波速值在20%范圍內增加或減小，得到的計算結果與實測剪切波速的計算結果存在較大差異，剪切波速差異性越大，其地表峰值加速度和地表加速度反應譜特征周期的變化也越大。對于剖面ZK4而言，地表峰值加速度的變化幅度為-16.7%—7.3%，反應譜特征周期的變化幅度為-16.7%—27.5%；對于剖面ZK24而言，地表峰值加速度的變化幅度為-34.5%—24.7%，反應譜特征周期的變化幅度為-16.8%—23.6%。

（2）地表地震動峰值加速度與土層剪切波速值呈正相關，土層剪切波速減小，地震動峰值加速度也逐漸減小；土層剪切波速增大，地震動峰值加速度也逐漸增大。如剖面ZK24在基巖輸入峰值200gal條件下，當土層剪切波速從減小5%依次減小20%時，與實測剪切波速計算的地震動峰值加速度相比，其地震動峰值加速度的差異也從-6.5%逐漸減小為-34.5%，反之亦然。

（3）地表加速度反應譜特征周期與土層剪切波速值呈負相關，當土層剪切波速減小時，反應譜特征周期反而會相應增加；當土層剪切波速增大時，反應譜特征周期會相應減小。如剖面ZK4在基巖輸入峰值100gal條件下，當土層剪切波速從減小5%依次減小20%時，與實測剪切波速計算的反應譜特征周期相比，其反應譜特征周期的差異也從 2.1%逐漸增大為12.0%，反之亦然。

（4）相比較而言，土層剪切波速減小對地表地震動峰值加速度、反應譜特征周期的影響比土層剪切波速增大時影響程度要略微大一些。

（5）土層剪切波速的變異性對場地地表地震動的影響程度受輸入基巖地震動的幅值的制約。總體上表現為隨著輸入基巖地震動峰值的增大，不同的土層剪切波速下的地表峰值加速度、反應譜特征周期的差異也逐漸增大。

（6）同一基巖地震動輸入下，場地相對較軟的剖面ZK24的土層剪切波速變化對地震動峰值加速度、反應譜特征周期的影響程度比剖面ZK4大，表明土層剪切波速的變異性對場地地表地震動的影響程度與場地的土層結構有關，土層剪切波速的大小直接反映了場地土層的“軟”、“硬”程度，場地越軟，影響越大。

圖5 土層剪切波速變化對地表峰值加速度的影響Fig. 5 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on peak ground acceleration

圖6 土層剪切波速變化對反應譜特征周期的影響Fig. 6 Effects of variability of the shear velocity of soil layers on characteristic period of response spectrum

4 結語

本文以江淮地區典型場地資料為原型，采用一維頻域等效線性化波動方法重點分析了土層剪切波速的變化對場地地表峰值加速度、加速度反應譜的影響。研究結果表明：

（1）當土層剪切波速減小時，地表地震動峰值加速度也逐漸減小，地表加速度反應譜的長周期部分右移，長周期部分譜值普遍增大，反應譜特征周期會相應增加。

（2）當土層剪切波速增大時，地表地震動峰值加速度也逐漸增加，地表加速度反應譜的長周期部分右移，對反應譜中、短周期部分影響較大，反應譜曲線向左移動，反應譜特征周期會相應減小。

（3）相比較而言，土層剪切波速減小對地表地震動參數的影響比土層剪切波速增大對地表地震動參數的影響程度要略微大一些。

（4）土層剪切波速的差異對場地地表地震動的影響程度與輸入基巖地震動的頻譜特性、幅值及場地土層結構等因素有關。

由此可見，土層剪切波速的變化對場地地表地震動有著顯著影響，因此，獲取客觀的土層剪切波速資料對土層地震反應分析來說至關重要。

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