天津地區覆蓋層土動力學參數統計分析

天津地區覆蓋層土動力學參數統計分析

夏峰， 宋成科， 孟慶筱， 郭保正

(中國地震局第一監測中心，天津300180)

摘要：收集天津地區近年來有代表性的具有完整土動力學參數作為實驗數據的地震安全性評價報告66份，用兩種統計方法按不同深度統計分析粉質黏土、黏土、粉土、砂土、淤泥質土等的實測土動力學參數，給出動剪切模量比和阻尼比平均值。選取2個典型工程場地，構建土層分析模型，進行土層地震反應分析計算。結果表明，本文得到的統計2值在天津地區具有一定的代表性和適用性，與實測值結果更為接近。對于獲得原狀土樣困難的場地，特別是對于較薄的夾層土，可參照統計2結果進行分析計算。

關鍵詞：天津地區； 土動力學參數； 土層地震反應； 統計分析； 地表反應

收稿日期：*2014-08-01

作者簡介：夏峰(1980-)，工程師，碩士，主要從事地震監測、GPS數據處理分析、工程地震及數值模擬相關工作.

作者簡介：郭保正(1976-)，工程師，主要從事大地形變測量與工程變形監測技術應用研究.E-mail：13302117792@163.com

中圖分類號:TU44文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0048

Analysis of Soil Dynamic Parameters of Overburden in the Tianjin Area

XIA Feng， SONG Cheng-ke， MENG Qing-xiao， GUO Bao-zheng

(FirstCrustMonitoringandApplicationCenterofChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China)

Abstract：The dynamic shear modulus ratio and damping ratio are two important parameters in seismic risk assessment and can directly affect the soil dynamics of engineering sites.The analysis of seismic hazards and soil layer seismic response showed that dynamic soil parameters were the key aspects that influenced the results of the analysis.In this study，66 recent seismic risk assessment reports in the Tianjin area were collected，which contained representative and completeexperimental data of soil dynamics parameters.Using two statistical methods，the dynamic parameters of experimental soils in these reports (e.g.，silty clay，clay，silt，sand，silt soil，etc.) were statistically analyzed by depth and the average value of the dynamic shear modulus ratio and damping ratio.Next，the soil analysis models of two representative engineering sites (located at the Tianjin urban district and Tangu suburban district) were developed and the soil layer seismic response was calculated.The analysis showed that the two statistical values were representative and adaptable in the Tianjin area，and were more consistent with the practical measured values.Therefore，the two statistical values that were derived could be used to conduct the soil seismic response analysis for sites in which it was difficult to acquire undisturbed soil samples，especially for the thin interbed soil.

Key words： Tianjin area； soil dynamic parameters； seismic response of soil layers； statistical analysis； response spectrum of soil surface

0引言

土的動剪切模量比和阻尼比是工程場地地震安全性評價工作中非常重要的兩個參數，能直接反映工程場地的土動力特性。震害經驗和土層地震反應分析結果均表明，土動力學參數是影響土層地震反應分析結果的主要原因之一[1-2]?！豆こ虉龅氐卣鸢踩栽u價》[3]規定：Ⅰ級地震安全性評價工作應對鉆孔揭示的各自然分層土取樣，并對土樣進行動三軸和共振柱試驗；Ⅱ級地震安全性評價工作和地震小區劃應對鉆孔揭示的自然分層中有代表性的土樣進行動三軸或共振柱試驗。目前在進行土層地震反應分析時，如果出現土動力學參數資料不全的情況，一般是利用《工程場地地震安全性評價工作規范》[4]中各類參數的推薦值。但大量的實驗研究表明[1，5-7]，這些參數并不具有實用性，因為土動力學參數的選取還必須考慮區域性，不同區域的土動力學參數與土的成分、來源、含水量、形成年代及其所處的環境密切相關。針對特定區域土動力學參數的研究已取得一些有價值的研究成果，如呂悅軍等[6]對渤海海底土類進行了研究；陳國興等[8]分析了南京及鄰近地區新近沉積土土動力學參數特征；施春花等[9]統計分析了北京地區粉質黏土土動力學參數特征；史丙新等[10]對天津濱海場地土動力學參數進行統計分析；張小平等[11]對大連地區場地土動力學參數初步研究。然而，這些針對特定地區的土動力學參數的統計結果未對本地區相關建設標準作進一步分析。本文將主要對天津地區的土動力學參數的兩種統計結果與天津市工程建設標準《巖土工程技術規范》[12](下文簡稱“建標”)及實測結果進行對比分析。

本文收集整理了天津地區近10年來66份具有完整土動力學參數實驗數據的地震安全性評價報告，共計168個取樣鉆孔，動三軸數據1 480組；統計分析這些報告中不同類型土的實測土動力學參數，給出兩種統計方法下不同深度的動剪切模量比和阻尼比平均值；在天津市區(Ⅲ類場地)和塘沽區(Ⅳ類場地)各選取1個典型工程場地，構建土層分析模型，進行土層地震反應分析，并對比分析兩種方法得到的統計值與典型工程場地的實測值及建標的推薦值對土層地震反應分析計算結果的影響。

1數據統計分析

1.1數據來源與分布

近年來，由于地鐵、高層建筑以及一些改擴建等重大工程建設的需要，天津地區開展了許多地震安全性評價工作，實測了大量的土動力學參數試驗數據。本文收集整理了天津地區近10年來66份具有完整土動力學參數實驗數據的地震安全性評價報告，共計168個取樣鉆孔，動三軸數據1 480組，場點分布情況如圖1所示，主要分布在天津市區及周邊和塘沽部分地區。據鉆孔資料顯示，天津市區及周邊的覆蓋層厚度大多在100 m以內，塘沽地區均在100 m以上。本文篩選了土體埋深在120 m以內的各類動三軸實驗參數，考慮到試驗儀器和方法、試驗條件、數據分析等不同引起的數據差異主要以天津市科維防災研究所完成的動三軸試驗數據為統計資料，一共1 480組。

圖1　收集的地震安全性評價報告場點分布圖 Fig.1　The distribution of sites in collected seismic safety evaluation reports

1.2統計結果分析

同類土體的土動力學參數隨深度和壓力的變化而不同，且由于地層的連續性，在現有的試驗條件下統計土性參數隨深度的變化具有一定的可行性和實際意義。為此根據樣本量隨深度的分布情況，選取不同深度間隔作為統計區間進行統計。在統計中舍去了明顯偏高或偏低的異常值，以盡量減小其對分析結果的影響。為便于與建標的推薦值及實測值進行比較，本次統計分析工作按如下兩種方法進行：統計1方法類似于建標，按固結壓力大致代表的深度范圍進行統計，不同類型土樣本量分布情況見表1；統計2方法在70 m以內按每10 m一區段、70～90 m及90 m以上等區段進行統計。按巖性不同，覆蓋層大致可分為淤泥質土、粉土、粉質黏土、黏土、砂土五大類。分別對這5類土樣的樣本量按不同統計方法(統計1和統計2)及埋深進行了分組統計，統計結果見表1和表2。表3僅給出統計2方法中的粉質黏土各區間組平均值及標準差最大值，圖2僅給出了粉質黏土0～10 m區間內動剪切模量比與阻尼比統計平均值，其他土類型及不同深度區間的統計關系大同小異，由于篇幅關系，不一一給出。以統計2方法給出的0～10 m粉質黏土為例，圖2給出了樣本值與平均值的統計情況。對各區間內樣本在不同剪應變下標準差進行分析，結果表明：當剪應變為10×10-4時，動剪切模量比的標準差最大；當剪應變為100×10-4時，阻尼比的標準差最大(表3)。

表 1去異常值后不同土類型各區間組樣本量統計1

Table 1Statistics 1 of different types of soil samples in all interval groups after removing outliers

土類型區間組/m0～1010～1515～2020～3030～4040～8080以上粉質黏土85119146251149黏土24988粉土5131628339砂土467137101淤泥質土34

圖2　統計2方法0～10 m區間內動剪切模量比與阻尼比統計平均值 Fig.2　Mean values of dynamic shear modulus ratios 　　　 and damping ratios in interval group of 0～10 m 　　　in statistics 2

表 2　去異常值后不同土類型各區間組樣本量統計2

表 3　統計2粉質黏土各區間組平均值及標準差最大值

2土層地震反應分析及結果

本文為研究天津地區的動力學參數實測值統計結果對該地區土層地震反應分析結果的影響，選取了2個典型工程場地(表4)即模型1(Ⅲ類場地)和模型2(Ⅳ類場地)，分別采用場地實測值(方案1)、本文統計值1(方案2)、本文統計值2(方案3)和建標推薦值(方案4)4種土動力學參數，進行土層地震反應分析計算。分析地表峰值加速度及反應譜對選用不同土動力學參數時的響應，進而分析哪種方法給出的土動力學參數在天津地區更具有實用性。

2.1土層計算參數的選取

場地模型1和2分別位于塘沽區(Ⅵ類場地)和天津市區(Ⅲ類場地)，鉆探深度分別為120 m和110 m，土性資料均較全，具體土層相關參數見表4。在計算中各土層動剪切模量比和阻尼比分別采用以上4種方案的參數，其余土層的土動力學參數以及波速和密度均為鉆孔實測值。

表 4　場地模型土層鉆孔剖面參數

2.2基巖輸入地震動時程的確定

基巖輸入地震動采用人工合成地震動，基巖加速度反應譜分別采用模型1和模型2所在場地的地震危險性分析結果(圖3)，按照50年超越概率63%、10%、2%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1條時程曲線(圖4)，時程離散步長為0.02 s，離散點數2 048個，選用56個周期作為擬合目標譜的控制點。按照《工程場地地震安全性評價》規定要求[2]，這些控制點的周期0.04 s到6.00 s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%。模型1和模型2人造地震動3個概率水準峰值加速度分別為53.3 gal、182.3 gal、348.9 gal和51.5 gal、165.1 gal、313.1 gal。以基巖地震動時程幅值的50%作為輸入地震波進行地震反應分析，確定地表峰值加速度、峰值速度及反應譜。

2.3計算結果及分析

采用一維等效線性化波動方法進行土層地震反應分析計算(廖振鵬等，1989a)，以2.2節合成的地震動時程為輸入，計算得到2個場地模型地表峰值加速度、峰值速度和反應譜，再利用雙參數標定方法確定出反應譜的特征周期Tg(廖振鵬等，1989b)。具體計算結果見圖5和表5，反應譜特征周期Tg采取雙參數法確定，表達式為：

式中，Vmax為峰值速度；Amax為峰值加速度。

從圖5可以看出：(1)模型1(Ⅳ類場地)的計算結果明顯比模型2(Ⅲ類場地)離散性大，表明場地土質越軟對土動力學參數值越敏感；(2)模型1和模型2的計算結果均表明概率水平越低其離散性也越大，表明地震動強度越大對土動力學參數值越敏感，這也提醒我們在確定大震設防標準時應更慎重(目前的設防標準尤為關注大震不倒問題)；(3)模型1和模型2的計算結果均表明反應譜中高頻段較低頻段對土動力學參數選用響應明顯，這要求我們注意在以中高頻段控制設防參數確定時選用土動力學參數更要慎重；(4)模型1和模型2的計算結果均表明：對地表加速度峰值而言，統計2的計算結果與實測結果更接近。

圖3　模型1和2場地基巖不同超越概率反應譜圖 Fig.3　 The site rock response spectrum curves of model l and 2 in different exceeding probabilities

圖4　模型1和2(M1和M2)場地基巖不同超越概率人造地震動時程 Fig.4　The artificial acceleration time-histories of the site rocks of model 1 and 2 (M1 and M2) in different exceeding probabilities

50年超越概率水準峰值加速度Amax/(cm·s-2)峰值速度Vmax/(cm·s-1)特征周期Tg/s規范統計1統計2實測規范統計1統計2實測規范統計1統計2實測模型12%361.0378.6313.1282.664.166.363.059.30.790.780.890.9310%171.0182.1164.9153.720.119.621.720.70.490.490.490.4763%59.276.062.161.45.55.55.85.60.410.320.410.41模型22%284.5289.9292.3309.855.555.955.757.00.870.860.850.8210%163.7169.2170.8175.617.918.818.918.60.520.480.580.6063%58.159.859.961.85.45.65.65.60.410.420.420.40

圖5　模型1和2(M1和M2)在50年不同概率水平下的地表反應譜圖 Fig.5　The surface response spectrum curves of model 1 and 2 (M1 and M2)in different exceeding probabilities

從表5的計算結果可以看出：(1)由建標推薦值和統計1方法計算的地表峰值加速度值在模型1(Ⅳ類場地)大震(本場地相當于Ⅷ度強)水平下略有放大，這與以往工程及震害經驗不符，而統計2及實測值則不存在這一現象；(2)特征周期值的計算結果受峰值加速度大小影響顯著，(3)取不同的土動力學參數值計算Tg結果在Ⅳ類場地大震(本場地相當于Ⅷ度強)水平作用下差異明顯，其他均差別不大，統計2值與實測值更接近。

3結語

本文給出了天津地區的土動力學參數不同方法得到的統計值，為了說明建標推薦值和統計值的適用性和合理性，選取該區具有代表性的場地建立計算模型，分別運用建標值、實測值、統計1值和統計2值進行了土層反應計算，結果表明：

(1) 土質越軟、地震輸入強度越大對土動力學參數越敏感，反應譜的中高頻較低頻段對土動力學參數響應明顯。

(2) 本文統計2值得到的反應譜形狀與實測值得到的反應譜形狀最接近，且能克服在該地區Ⅳ類場地條件下建標值對強地震動輸入存在的放大現象問題。

(3) 反應譜特征周期的標定值受峰值加速度值影響明顯，即取不同的土動力學參數值計算Tg結果除Ⅳ類場地在大震(本場地相當于Ⅷ度強)水平差異明顯外，其他均差別不大，統計2值與實測值更接近。

綜上所述，本文統計2方法的土動力學參數值較建標而言更適用于天津地區，對該地區各類工程建設的場地地震安全性評價工作具有一定的借鑒和參考價值；然而，本次工作僅選用了兩個代表性的場地進行驗算，其實用性還有待進一步驗證，同時隨土動力學參數實驗數據的不斷積累及新統計方法的不斷嘗試，有待進行更深入的統計分析工作。

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