地層結構對地表地震響應的影響研究

蔣建平，閆澤豐

（上海海事大學海洋環(huán)境與工程學院，上海 201306）

地震會對地表的各類工程造成嚴重危害[1～3]。相關調查結果表明，地震所造成的建（構）筑物破壞，除了與地震烈度和結構物特性有關外，還與建筑物所在場地的地質條件有密切關系[4～10]。

早在1908年Wood在分析1906年舊金山大地震時，就已認識到場地條件對地震震害的重要影響。在這次地震中，市內軟弱地基上的震害更為顯著；1967年委內瑞拉地震時，場地覆蓋層厚度不同，震害存在明顯差異；1968年和1970年菲律賓馬尼拉地震中，不同高度建筑物破壞程度隨沉積土層厚度變化而明顯不同。

地震波由震源向地表面?zhèn)鞑ィ诮涍^不同地層時，因各地層對地震波的透射、反射、阻尼等性質不同，會造成地表各點的地震反應不一致。有時由于地層變化大，相鄰場地的烈度可以相差1～2度，或在區(qū)域內出現小范圍的震害異常區(qū)。

地層結構是場地地質條件的重要內容之一。地層結構是地層的疊覆、堆積或空間組合狀態(tài)，地層的結構效應是工程地層學的重要研究內容[11]。目前有關地層結構對地震響應影響方面的研究很少[12～14]，相關技術規(guī)程也只是將不同地層按剪切波速作等效化處理[15]。

地層地震反應分析是當前工程場地地震安全性評價工作中的重要組成部分，直接為上部結構提供地震動參數，為建筑物的抗震設防提供必不可少的技術支持；地層地震反應分析也是地震工程中的重要研究領域，是結構抗震設計的基礎。因此，本研究具有一定的理論價值和實際意義。

1 地層結構與地震波設定

本文采用三層地層結構并按5種結構類型模擬計算地震響應。選擇軟土地區(qū)常見的淤泥質粘土、粉質粘土、粉質粘土夾粉砂三種土性地層，分別代表土層強度的軟、中、硬三類，并概化組合成不同地層結構形式。同時對三種地層的剪切波速進行等效化處理，作為均質土層，用于比較分析。為利于在理論上分析地層結構的影響，各土層設為同等厚度(2m)。地層基本特性及結構類型組合見表1、表2。

表1 地層基本特性Table 1 The basic characteristics of strata

表2 地層結構組合類型Table 2 The compositional type of strata structure

地震動是在地層下部的基巖面輸入水平地震波，選用頻譜差異較大的El-Centro地震波和Concrete地震波，其加速度時程曲線如圖1所示。從圖2的F譜曲線上可發(fā)現兩地震波的頻譜特性有較大差異，El-Centro地震波的頻率范圍較寬，而Concrete地震波的頻率范圍較窄，主要集中在4Hz以內。本文計算中抗震設防烈度采用8度，因此兩地震波的加速度峰值都調整到0.30g。

具體計算時是采用ABAQUS軟件中的動力模塊，土體采用摩爾庫倫模型，動力邊界采用吸收邊界。

圖1 地震波加速度時程曲線Fig.1 The acceleration time history curves of seismic waves

圖2 地震波Fourier譜曲線Fig.2 The Fourier spectrum of seismic waves

2 模擬結果及其分析

通過計算得到地面點有關位移、加速度、速度的時程曲線、峰值曲線及Fourier譜、能量譜、反應譜曲線如圖3～圖13所示。

圖3 地面點水平位移時程曲線Fig.3 The displacement-time curves of point on the ground

圖4 地面點水平位移峰值Fig.4 The displacement peak value curves of point on the ground

圖5 地面點水平位移殘余值比較Fig.5 The displacement residual value curves of point on the ground

圖6 地面點加速度時程曲線Fig.6 The acceleration time history curves of point A on the ground

圖7 地面點加速度峰值Fig.7 The acceleration peak value curves of point on the ground

圖8 地面點速度時程曲線Fig.8 The velocity time history curves of point on the ground

圖9 地面點速度峰值比較Fig.9 The velocity peak value curves of point on the ground

圖10 地面點Fourier譜曲線Fig.10 The Fourier spectrum of point on the ground

圖11 地面點能量譜曲線比較Fig.11 The Power spectrum of point on the ground

圖12 地面點反應譜(頻率)曲線比較Fig.12 The Response spectrum (frequency)of point on the ground

圖13 地表A點的反應譜(周期)曲線比較Fig.13 The Response spectrum (Period)of point on the ground

由圖3的地面點水平位移時程曲線比較圖中可發(fā)現，在地震波作用下，雖然同一地震動作用下波形類似，但都顯示出不同的地層結構可導致地面點位移時程的差異。在El-Centro地震波作用下，ΙΙ、ΙΙΙ地層結構類型的曲線位于等效均質土層結構V曲線上方，Ι、ΙV地層結構類型曲線則位于V曲線下方。說明淤泥質粘土的C1地層與粉質粘土夾粉砂的C3地層位于粉質粘土的C2地層上時，其地面點的位移大于地基為均質層C0時的位移；而當C1、C2地層位于C3地層上時，地面點位移小于C0時的位移。在Concrete地震波作用下，代表均質層的V曲線基本上與ΙΙΙ曲線在大部分時段幾乎重合，ΙΙ曲線位于V曲線上方，Ι、ΙV曲線位于V曲線下方。說明從上往下C3、C1、C2排列的地層結構情形下地面點的位移大于地基為均質層C0時的位移；而當地層C1、C2位于地層C3上時，則小于C0狀態(tài)下位移。

圖4顯示，各地層結構情形下地面點的水平位移峰值也各不相同，特別是El-Centro地震波作用條件下。具體來說，El-Centro地震波作用下，C1、C2、C3排列的地層結構的水平位移峰值最大；C2、C1、C3排列，C1、C3、C2排列，C3、C1、C2排列地層結構的位移峰值都小于均質層C0的位移峰值。在Concrete地震波作用下，C1、C3、C2地層結構的水平位移峰值最大；C1、C2、C3地層結構與C0均質層的水平位移峰值相等；C3、C1、C2結構類型則與C2、C1、C3排列的水平位移峰值相等。

從圖5上可看出，兩種地震波作用下地面點的水平位移殘余值的形態(tài)類似，都顯示C1C2C3、C2C1C3地層結構的位移殘余值大，C3C1C2、C1C3C2地層結構的位移殘余值小，而C0均質層的位移殘余值處于中間層次。

從圖6可發(fā)現，地面點的各加速度時程曲線與原輸入波的波形類似；對兩種地震波，C0均質層的波形幅度處在中間層次，C1C2C3與C1C3C2地層結構的波形幅度處在較大層次，而C3C1C2與C2C1C3的地層結構處在較小層次。圖7的加速度峰值曲線也顯示出這一特點。圖8、圖9所示的地面點速度時程曲線、速度峰值，也顯示了與加速度類似的結果。

圖10反映El-Centro及Concrete地震波作用下地面點的Fourier譜曲線簇，兩種地震波的作用效應有相似規(guī)律。圖示表明，El-Centro地震波作用下，C0均質層的波形高度處在中間層次，C1C2C3、C1C3C2排列的地層結構的波形幅度處在較高層次，而C3C1C2、C2C1C3排列的地層結構的波形大小處在較低層次；Concrete地震波作用下，C1C2C3、C1C3C2排列的地層結構的主頻率集中在2.5Hz左右，C3C1C2、C2C1C3排列地層結構的主頻率集中在2.0Hz左右，而C0均質層的主頻率集中在2.25Hz左右。

同樣，從圖11的地面點能量譜曲線簇，也可得出與之類似的結論。

圖12為兩地震波作用下以頻率為橫坐標的地面點反應譜曲線簇，且其中還加進了輸入波的反應譜曲線。從圖上可看出：C0均質層的譜高度處在中間層次，C1C2C3、C1C3C2排列的地層結構的譜高度處在較高層次，而C3C1C2、C2C1C3地層結構的譜高度處在較低層次；各情形的主頻值與圖10、圖11一致；輸入波的譜高處于較低層次，其主頻值也偏小。

圖13為兩地震波作用下以周期為橫坐標的地面點反應譜曲線簇，同樣可得出與圖12類似的結論，只是主頻率較大的其主周期變成了較小。

3 結論

本文利用軟土地區(qū)常見的三種巖性土層，通過不同的地層結構組合，模擬分析了地震波作用下地面點的響應，得出如下認識：

（1）其它條件相同而地層結構不同，則地表的地震響應也不同。所以，工程場地地震反應分析，應考慮作為地質條件重要內容之一的地層結構的影響，不可忽視。

（2）在基巖面輸入頻譜特性有較大差異的El-Centro及Concrete地震波時，地表的地震響應雖不相同但規(guī)律性類似，說明地震作用下地層結構的影響普遍存在。

（3）地震波作用下，地表的加速度時程與峰值、速度時程與峰值、位移時程與峰值、位移殘余值，以及Fourier譜、能量譜、反應譜，基本上都存在均質地層的值處在中間層次，軟-中-硬地層結構、軟-硬-中地層結構的值較大，而硬-軟-中地層結構、中-軟-硬地層結構的值較小。說明從上往下，土層彈性模量依次為高-低-中及中-低-高的地層組合結構的抗震效果較好。

References)

[1]林宇亮,楊果林,趙煉恒. 地震條件下擋墻后粘性土主動土壓力研究[J]. 巖土力學,2011,32(8):2479-2487.

Lin Y L, Yang G L, Zhao L H. Effect of foundation stiffness and anisotropy on the seismic response of concrete dams[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(8):2479-2487.

[2]Kalkan E, Luco N. Special issue on earthquake ground-motion selection and modification for nonlinear dynamic analysis of structures[J]. Journal of Structural Engineering, 2011,137(3):277-286. doi:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000355.

[3]Huang Y N, Whittaker A S, Luco N, et al. Scaling earthquake ground motions for performance-based assessment of buildings[J].Journal of Structural Engineering, 2011,137(3):311-320.doi:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000155.

[4]劉昌森,呂美麗. 上海地區(qū)地震放大效應的初步探討[J]. 上海地質,1998,19(1):7-13.

Liu C S, Lu M L. Preliminary analysis of the seismic amplif i cation effect in Shanghai[J]. Shanghai Geology, 1998,19(1):7-13.

[5]高廣運,陳青生,何俊鋒,等. 地下水位上升對上海軟土場地地震反應的影響[J]. 巖土工程學報, 2011,33(7):989-996.

Gao G Y, Chen Q S, He J F, et al. Effect of rise of groundwater table on seismic ground response of soft soil in Shanghai[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(7):989-996.

[6]蔣建清,楊果林,李麗民. 基于SΙMULΙNK 的高填方加筋路堤地震反應分析[J]. 中南大學學報(自然科學版),2011,42(1):227-233.

Jiang J Q, Yang G L, Li L M. Seismic response of high-filled reinforced embankment based on SΙMULΙNK[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011,42(1): 227-233.

[7]陳可洋. 多尺度隨機孔洞介質地震波正演及其逆時成像[J]. 上海國土資源,2011,32(1):84-88.

Chen K Y. Seismic wave forward simulation and reverse-time migration with multi-scale random carve medium[J]. Shanghai Land & Resources, 2011,32(1):84-88.

[8]Takahashi H, Kitazume M, Noguchi T, et al. Seismic-resistant effect of cement-treated soil for quay wall[J]. Ground Improvement,2011,164(13):151-160. doi:10.1680/grim.2011.164.3.151.

[9]Hwang G S, Chen C H. Analysis of cases of gravity quaywall movement during earthquakes[J]. Geotechnique,2011, 61(3):199-210. doi:10.1680/geot.3625.

[10]杜建國,林皋. 地基剛度和不均勻性對混凝土大壩地震響應的影響[J]. 巖土工程學報,2005,27(7):819-824.

Du J G, Lin G. Effect of foundation stiffness and anisotropy on the seismic response of concrete dams[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(7):819-824.

[11]蔣建平,劉文白. 巖土工程地層結構效應與層組參數[M]. 北京:人民交通出版社,2011.

Jiang J P, Liu W B. The strata structure effect in geotechnical engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2011.

[12]張嘎,張建民. 地震作用下成層地基中結構物的動力響應[J]. 清華大學學報(自然科學版),2004,44(12):1642-1645.

Zhang G, Zhang J M. Effect of foundation stiffness and anisotropy on the seismic response of concrete dams[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2004,44(12):1642-1645.

[13]陳之毅,沈昊. 軟土地下工程抗震數值模擬的若干關鍵問題[J].上海國土資源,2011,32(4):83-87.

Chen Z Y, Shen H. Key issues for seismic analysis of underground structures in soft soils[J]. Shanghai Land & Resources,2011,32(4):83-87.

[14]Okamura M, Tamamura S. Seismic stability of embankment on soft soil deposit[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, 2011,11(2):50-57. doi:10.1680/ijpmg.2011.11.2.50.

[15]GB50011-2010, 中華人民共和國國家標準:建筑抗震設計規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

National Standard of PRC: Code for seismic design of buildings(GB50011-2010)[S]. Beijing: China Architecture &Building Press, 2011.