成都平原粘性土動力學參數統計分析1

史丙新 周榮軍 呂悅軍 李建亮 亢川川 孔 軍

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成都平原粘性土動力學參數統計分析1

史丙新1，3）周榮軍1，3）呂悅軍2）李建亮1，3）亢川川1，3）孔 軍1，3）

1）四川省地震局，成都610041?2）中國地震局地殼應力研究所，北京100085?3）四川賽思特科技有限公司，成都610041

成都平原地震構造環境主要受近場中強地震和外圍大地震的影響。成都平原內的第四系分布廣泛，主要為河流相的砂卵石層夾粘土、粉土層。這種地層在土層地震反應計算時往往會產生一個峰值，具有顯著的放大作用。本文共收集了107組土動力學參數的實驗資料，統計分析了粉質粘土和粘土兩種粘性土的實測土動力學參數，給出了它們在不同深度的動剪切模量比和阻尼比的統計值。然后，選取1個典型鉆孔，建立了土層地震反應分析模型，分別運用本文“統計值”、“十五結果”、“規范值”、“推薦值”進行地震土層反應計算，從反應譜形狀、地表峰值加速度和反應譜特征周期等方面，驗證了本文“統計值”的適用性和針對性，結果表明在盆地內使用“規范值”和“推薦值”時應謹慎，不然可能會對工程的抗震設防產生不利的影響。本文的“統計值”比“規范值”和“推薦值”更適用于成都平原地區，對各類工程建設的場地地震安全性評價具有一定的借鑒和參考價值。

粉質粘土 粘土 土動力學參數 成都平原 動剪切模量比 阻尼比

引言

土動力學參數（動剪切模量比和阻尼比）是土體本構關系的一種反映，也是土層地震反應計算的基礎數據。參數的選取對計算結果有重要影響。陳國興等（1995）研究發現，在1985年的墨西哥地震中，只有采用該地特殊的高塑形軟土的動力學參數才能得到與實際震害一致的結果。臺灣羅東核電廠的盲測結果也表明，等效線性化土層地震反應分析方法的關鍵條件之一便是土動力學參數的選擇（蔡袁強等，2003）。

然而，土動力學參數的影響因素眾多，其與試驗儀器、土的地質年代、膠結程度、孔隙比、塑性指數、初始有效固結應力以及荷載往返作用次數等都有很大關系（陳國興等，1995；孫靜等，2004）。為避免試驗結果的離散性過大以及工程應用的方便，往往對一定區域內的試驗結果進行統計，以便于工程上的運用（蘭青龍等，1997；袁曉銘等，2000；呂悅軍等，2003；陳國興等，2005；張力方等，2012），并要求統計區域內應具有大致類似的構造背景和沉積環境。

成都平原是由龍門山構造帶和龍泉山構造帶相互對沖作用形成的一個比較典型的壓性盆地，地貌景觀表現為沖洪積平原并廣泛分布一套第四系沖積砂礫石層，主要包括河流相的砂卵石層夾粘土、粉土層等。在實際調查中發現，呈現一定規模的粘性土的層狀主要分布在成都平原的龍泉驛地區。

由于成都平原受龍門山構造帶的影響，其地震活動頻繁，如2008年汶川8.0級地震和2013年的蘆山7.0級地震都發生在這一地區。該地區的場地類別大多為Ⅱ類，第四紀以來沉積的地層在土層地震反應計算中往往會產生一個峰值，具有顯著的放大作用（黃興建等，1994；薄景山等，2003）。本文收集了成都地區0—30m內36個鉆孔共107組實測的粘性土的土動力學參數實驗數據（圖1），按不同埋深進行了統計分析，給出了該區各類土的動力學參數統計值。

1 資料與數據

本文收集的107組粘性土的動三軸試驗數據，來自于本地區的重大工程項目的實測數據，按照其性質的不同又分為粉質粘土和粘土兩類。對這兩類土樣的樣本量按其埋深進行了分組統計，結果如表1所示。其中，粉質粘土和粘土的樣本量相對較多，其他土類樣本量較少，這也是四川盆地內第四系地層的真實反映。

表1 各土類樣本量統計

2 各類土的動力學參數統計值

各類土的動力學參數統計采取數理統計的方法，用標準差來保證數據不過于離散，每組數據的標準差最大值小于0.09，舍棄異常點。土類的動剪切模量和阻尼比與剪應變的關系擬合的曲線模型主要有雙曲線、分段雙曲線和Davidenkov模型（Hardin等，1972；Martin等，1982；陳國興等，1995；李永強等，2010）。其中雙曲線模型是應用最早、最簡便的模型，因此本文在試驗數據的分析和處理中采用雙曲線模型。

表2給出了兩類粘性土的土動力學參數統計值。圖2和圖3為粘性土的動剪切模量與阻尼比擬合的曲線。

表2 各類土在不同深度區間的平均統計值

從圖2和圖3可以看出：不同深度的原始數據在大應變時較離散，應分組統計；粉質粘土的動剪切模量和阻尼比隨著深度的增加而增加；阻尼比也有隨著深度增加的趨勢，但在大應變時表現較復雜一些。

3 統計結果的對比分析

目前，可以用于成都平原的土動力學參數值主要有四種：①中國地震局1994年頒布的《工程場地地震安全性評價工作規范（DB001-94）》（中華人民共和國行業規范，1994）中給出的常規土類剪切模量比和阻尼比的典型值（以下簡稱“規范值”）；②袁曉銘等（2000）利用改進的共振柱儀，對北京、上海等全國十幾個地區的常規土類進行大量試驗而得出的推薦值（以下簡稱“推薦值”）；③“十五”期間進行“四川數字強震動觀測網絡建設”時，在成都平原土工試驗中得到的結果（以下簡稱“十五結果”）；④本文的統計值（以下也稱“統計值”）。上述四者是存在差異的，圖4和圖5是“統計值”、“推薦值”、“規范值”、“十五結果”之間的比較。

從圖4和圖5可以看出：①不同深度的動剪切模量曲線沒有交叉，對同一剪應變，不管是粉質粘土或粘土，動剪切模量比隨著深度的增加而增加。②粉質粘土的阻尼比總體上隨著深度的增加而增加。在大應變時，不同深度的阻尼比增加幅度不同，阻尼比曲線開始交叉。阻尼比隨深度的變化關系較復雜。③不管是動剪切模量比還是阻尼比，“統計值”一般大于“推薦值”、“94規范值”和“十五結果”，其中“94規范”值最小。而粘土的阻尼比“統計值”在大應變時，開始小于“規范值”和“推薦值”。阻尼比越大，“統計值”對地震動的衰減越明顯，對地震動的能量吸收也越多，所以土層反應計算的結果就會偏于不安全。這也進一步說明了土動力學參數的重要性，在使用“規范值”和“推薦值”時應謹慎，不然可能會對工程的抗震設防產生不利的影響。

4 統計值的適用性分析

為了進一步比較“統計值”、“規范值”和“推薦值”的差異，在粘性土成層較好的成都龍泉地區進行了鉆孔測試，并對單個鉆孔按每米取樣進行了動三軸試驗，分別運用實測值、“規范值”、“推薦值”、“統計值”和“十五結果”五種不同的數值進行了土層反應分析比較。其中，剪切波速和密度采用實測值，土動力學參數分別采用實測值、“統計值”、“推薦值”、“規范值”和“十五結果”。用以構建土層反應計算模型，并采用一維等效線性化波動方法進行了地震反應分析計算。試圖通過計算結果進一步驗證本文統計結果的合理性和適用性。

4.1 鉆孔模型和計算參數的選取

選取的鉆孔位于成都龍泉驛區，鉆孔深度均為32.5m，場地類別為Ⅱ類。鉆孔覆蓋層為30.4m，其揭示的地層主要是雜填土、粘土、粉質粘土和泥巖。其中，對全部鉆孔的每米均進行了取樣，直至中風化泥巖，所有土樣均由同一單位進行了動三軸試驗。圖6給出了鉆孔A的柱狀圖。

基巖輸入地震動采用地震危險性分析計算結果（見圖7），按照50年超越概率63%、10%、2%（下文分別用50a63、50a10、50a2表示）三種概率水準合成基巖加速度時程，其中每一種概率水準合成6條時程曲線，時程離散步長為0.02s，離散點數2048，選用78個周期作為擬合目標譜的控制點。控制點周期從0.04—6.00s按照對數等間距分布，目標譜與擬合譜之間相對誤差小于5%。

4.2 土層反應分析計算的結果分析

為了比較不同土動力學參數值對反應譜的影響，求6條輸入地震動的土層反應譜的平均值，并進行平均反應譜的對比（圖8）；然后比較不同土動力學參數下的峰值速度、峰值加速度和反應譜特征周期值（見表3和表4）以及它們的偏差（見表5和表6）。反應譜特征周期g采用雙參數法確定，其計算公式為：

式中，max為峰值速度；max為峰值加速度。

從圖8可以看出，當超越概率較大時（即小震時），不同的土動力學參數計算的反應譜差別不大；在超越概率小時（即大震時），這種差別才顯現出來。而用“統計值”和實測值計算的反應譜更偏向短周期方向；其它數值計算的反應譜均向長周期移動；使用“規范值”計算的反應譜更矮更寬。總體上看，不同土動力學參數對反應譜的影響集中在高頻部分，在2—3s以后不同土動力學參數對反應譜的影響逐漸減小，反應譜趨向一致。而不管超越概率是大還是小，“統計值”與實測值的計算結果在譜的形狀上最接近，差別也最小。

表3 取不同土動力學參數時的峰值加速度和峰值速度

表4 取不同土動力學參數時的特征周期

為了更好地顯示不同的土動力學參數值的適用性，本文還采用了其它值與實測值的偏差和偏差率（對應的偏差與實測值的比值）進行了對比，結果如表5和表6所示。

表5 取四種不同的土動力學參數時與實測值所得地震動參數的偏差

表6 取四種不同的土動力學參數時與實測值所得地震動參數的偏差率（%）

從表6看使用四種不同的土動力學參數，對峰值加速度影響的最大偏差率為19.9%；對峰值速度影響的最大偏差率為12.1%；而對特征周期的最大偏差率為33.3%。從峰值加速度結果看，“規范值”和“推薦值”產生的偏差率均有兩個概率大于10%，“統計值”計算的峰值加速度、峰值速度和反應譜特征周期偏差和偏差率均較小，而且“統計值”的計算結果更穩定。對特征周期來說，其他數值的結果均有一個概率會產生10%的偏差率，而“統計值”的計算結果較小而且穩定。從不同超越概率的計算結果看，“統計值”計算的峰值加速度、峰值速度和特征周期的偏差率最大值分別為7.7%、3.2%、和5.6%，均不大于10%，而且“統計值”的偏差率平均值也是最小的。由此可以驗證，采用“統計值”計算的結果是最優的，最適于成都平原地區應用。

5 結論

本文利用收集到的107組土動力學實測數據，給出了成都平原地區粘性土土動力學參數的統計值，并且與可以用于成都平原地區的“規范值”、“推薦值”和“十五結果”進行了比較，得到了以下主要結論。

（1）粉質粘土的不同深度擬合曲線驗證了土動力學參數與深度的關系。動剪切模量比隨著深度的增加而增加，阻尼比隨深度的變化關系較復雜。

（2）粘土的阻尼比在大應變時開始小于“規范值”和“推薦值”，這表明在盆地內使用“規范值”或“推薦值”均有可能會低估地震動參數的影響；在盆地內使用“規范值”和“推薦值”時應謹慎，不然可能會對工程的抗震設防產生不利的影響。

（3）采用“統計值”得到的反應譜形狀與實測值的平均反應譜形狀最相近。在小震時，不同的土動力學參數計算的反應譜差別不大；而在大震時，這種差別才顯現出來。而采用“統計值”得到的反應譜，不管在大震或小震時都與實測值最相近。

（4）采用“統計值”得到的土層反應計算結果，其峰值加速度、峰值速度和特征周期的偏差及偏差率都是最小的，而且不同概率水平偏差率均不大于10%。

綜上所述，本文的“統計值”比“規范值”和“推薦值”更適用于成都平原地區，對各類工程建設的場地地震安全性評價具有一定的借鑒和參考價值。

薄景山，李秀領，李山有，2003．場地條件對地震動影響研究的若干進展．世界地震工程，19（2）：11—15.

陳國興，謝君斐，張克緒，1995．土的動模量和阻尼比的經驗估計．地震工程與工程振動，15（1）：73—84．

陳國興、劉雪珠等，2005．蘇南地區新近沉積土的動力特性研究．地下空間與工程學報，1（7）：1139—1142.

蔡袁強，梁旭，李坤，2003．水泥土-土復合試樣的動力特性．水利學報，（10）：1—8．

黃興建，鐘國平，1994．土層中軟弱夾層在不同情況下的地面地震反應. 見：強震觀測學術研討會論文集．北京：科學出版社．

蘭青龍，賀明華，1997．太原地區場地土動力性能的統計分析．山西地震，（3）：6—11.

李永強，景立平，梁海安等，2010．土體動剪切模量測定及非線性擬合方法研究．世界地震工程，26（s1）： 247—252．

呂悅軍，唐榮余，沙海軍，2003．渤海海底土類動剪切模量比和阻尼比試驗研究．防災減災工程學報，23（2）：368—374.

孫靜，袁曉銘，孫銳，2004．土動剪切模量和阻尼比的推薦值和規范值的合理性比較．地震工程與工程振動，24（2）：125—133．

袁曉銘，孫銳，孫靜等，2000．常規土類動剪切模量比和阻尼比試驗研究．地震工程與工程振動，20（4）：133—139.

張力方，呂悅軍，彭艷菊等，2012. 考慮地震構造環境的地震活動性參數光滑方法在地震危險性概率評價中的應用. 震災防御技術，7（3）：261—272.

中華人民共和國行業規范，1994．工程場地地震安全性評價工作規范（DB001-94）．北京：地震出版社.

中華人民共和國國家標準，2001．建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）．北京：中國建筑工業出版社．

Hardin B.O., Dmevich V.P., 1972. Shear modulus and dampling in soils design equation and curves. Journal of Soil Mechanics and Foundations, 98 (SM7): 667—692．

Martin P.P., Seed H.B., 1982. One dimensional dynamic ground response analysis. Journal of Geotechnical Engineering, 108 (7): 935．

Research on Dynamic Parameters of Clay Soil in Chengdu Plain

Shi Bingxin1,3), Zhou Rongjun1, 3), Lyu Yuejun2), Li Jianliang1, 3), Kang Chuanchuan1, 3)and Kong Jun1, 3)

1) Institute of Earthquake Engineering, Seismological Bureau of Sichuan Province, Chengdu 610041, China?2) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China?3) Sichuang Seistech Technology Co. Ltd., Chengdu 610041, China

Earthquake tectonic environment of Chengdu plain is relatively stable, mainly suffering from strong earthquakes in the near field and the peripheral impact of the large earthquakes. The Quaternary sediments within the plain are mainly fluvial sand and gravel with clay and silt interlayers. Such stratum in regarding to soil seismic response calculation tends to produce a peak, with significant amplification. In this paper we collected the soil dynamic parameters from 107 experiments, and divided the data into 2 groups based on lithology, such as, silty clay and clay. Statistical analysis of the dynamic parameters of these soils was carried out to obtain the mean values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio at different depths. Furthermore, selecting one typical engineering site, we analyzed the influences of four different soil dynamic parameters, mean values, experimental values, values recommend by former researchers, and values recommend in the code for seismic safety evaluation of engineering sites (DB001-94). The results show that in Chengdu plain using specifications and recommended values can have adverse effects on the earthquake fortification work. The results can be taken as a reference of the soil dynamic value in this area and can be used in the seismic risk assessment of engineering projects.

Clay soil; Clay Soil dynamic parameter; Chengdu plain; Dynamic shear modulus ratio; Damping ratio

四川省地震局科技專項（項目編號：LY1310）；中國地震局地殼應力研究所所長基金（ZDJ2015-03）

2014-08-06

史丙新，男，生于1983年。四川地震局工程地震研究院工程師。主要從事工程地震方面的研究。E-mail：sbx188 @163.com