場地影響系數(shù)與場地類別和峰值加速度間的 關(guān)系研究

劉鼎亮 郭明珠

(北京工業(yè)大學(xué)， 北京 100124)

0 引言

工程場地條件對(duì)地震有很大的影響，并能直接影響地震的災(zāi)害程度，因此場地的地震動(dòng)估計(jì)也成為了地震區(qū)劃、工程場地安全性評(píng)價(jià)以及重大工程抗震設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。薄景山、郭峰（2011）等學(xué)者根據(jù)不同場地上的強(qiáng)震記錄，通過統(tǒng)計(jì)分析得出了不同場地類別的地震動(dòng)參數(shù)值[1-2]。這一方法雖然直接，但這是建立在擁有大量的強(qiáng)震記錄的基礎(chǔ)之上的方法，我國缺乏足夠的多的強(qiáng)震記錄，需要借助美國西部等較為豐富的強(qiáng)震資料來彌補(bǔ)。通過強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)分析得到的結(jié)果綜合了衰減關(guān)系、地震動(dòng)強(qiáng)度、場地類別等諸多條件，而沒有區(qū)分各個(gè)條件的影響作用，因此這樣得到的結(jié)果會(huì)擁有地區(qū)適用性差異。

場地地震反應(yīng)方法可分為隨機(jī)振動(dòng)分析法和確定性分析法兩大類，隨機(jī)振動(dòng)理論認(rèn)為地震動(dòng)是受到震源特點(diǎn)、傳播途徑、斷層等復(fù)雜因素相互作用的一種隨機(jī)過程，用隨機(jī)理論進(jìn)行場地隨機(jī)地震反應(yīng)分析；確定性分析則是將地震動(dòng)看作時(shí)間的函數(shù)來求解地震作用下某場地土層的動(dòng)力反應(yīng)[3]。場地地震反應(yīng)分析以確定性動(dòng)力分析法作為主要研究方法，主要分為頻域等效線性化和時(shí)域非線性兩類。SHAKE2000、DEEPSOIL分別代表了兩類方法。我國場地地震反應(yīng)應(yīng)用的主要程序是LSSRLI-1,這是《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)》中所推薦的方法[4]。相關(guān)研究表明，SHAKE2000與DEEPSOIL在I類場地下計(jì)算結(jié)果基本相同，DEEPSOIL在I類場地的PGA表現(xiàn)不佳，兩個(gè)程序在IV類場地上的表現(xiàn)均很差，無法體現(xiàn)土體應(yīng)有的放大作用[5]。本文采用利用FCM（頻率一致方法）提出的新一代土層地震反應(yīng)分析方法SOILQUAKE作為計(jì)算方法，SOILQUAKE在III、IV類場地?fù)碛幸欢ǖ膬?yōu)勢，得到的PGA較為合理。本文將結(jié)合我國大量工程場地計(jì)算模型，通過場地地震反應(yīng)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

1 計(jì)算方法方案

1.1 計(jì)算方案

本文將分為四類場地研究不同場地的地震動(dòng)峰值加速度特征，計(jì)算基底輸入取為不同幅值的地震動(dòng)，計(jì)算方案如下：

1）將收集到的場地模型按規(guī)范分為四類；

2）利用不同幅值確定基底輸入地震動(dòng)；

3）利用SOILQUAKE對(duì)每類工況進(jìn)行計(jì)算；

4）分類別及峰值加速度對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1.2 場地模型

場地模型來自于分布全國各地的場地安評(píng)報(bào)告，利用《中國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010,2016年版）》進(jìn)行分類。由于存在報(bào)告總量的限制，文中I類場地不包括I0類場地。收集的場地模型以II類場地為主，這樣做的原因在于在我國II類場地為常見的工程場地。II類場地的模型數(shù)量超過一半，其余I、III、IV類場地模型數(shù)量大致平均分配。場地非線性特性曲線G/G-γ與λ-γ值使用袁曉銘等研究的建議取值[6]。

1.3 基底地震動(dòng)輸入

采用人工合成地震動(dòng)方法作為基底輸入。地震動(dòng)峰值加速度分別取100gal，200gal，300gal，400gal，600gal，對(duì)每條地震動(dòng)峰值加速度創(chuàng)造人造波時(shí)，分別合成3個(gè)不同初始相位的樣本時(shí)程，每一時(shí)程記錄點(diǎn)數(shù)為2001，離散步長0.02s。將人工合成的地震動(dòng)幅值減半作為基底地震動(dòng)輸入幅值。

2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)每個(gè)地震動(dòng)輸入進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，給出場地地表反應(yīng)的峰值加速度如圖所示，圖中依據(jù)擬合地震動(dòng)峰值加速度分組給出了I、II、III、IV四類場地分別在100gal、200gal、300gal、400gal、600gal這五個(gè)人工擬合地震動(dòng)下的場地地表峰值加速度。散點(diǎn)圖順序按I、II、III、IV類場地排序。

圖1 -4 場地地表峰值加速度分布圖

計(jì)算表明四類場地均表現(xiàn)為放大作用，其中I類場地放大作用相較于II類場地要小，IV類場地的放大作用也要弱于II類與III類場地。同時(shí)場地對(duì)地震動(dòng)的影響與輸入地震動(dòng)峰值加速度有關(guān)。隨著峰值加速度的增加，土層對(duì)地震動(dòng)的放大作用逐漸減小，這應(yīng)是土體非線性變化對(duì)地震動(dòng)產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)語

本文基于近300個(gè)場地模型，利用頻率一致等效線性分析方法進(jìn)行了場地地震反應(yīng)分析。得到了四類場地上的場地影響系數(shù)隨場地類別與基巖輸入峰值加速度之間的聯(lián)系。

場地條件對(duì)地震動(dòng)的影響機(jī)理十分復(fù)雜，常用的分析方法或多或少地?zé)o法完全反映土體非線性帶來的偏差。為此，應(yīng)進(jìn)一步研究土體非線性化對(duì)地震動(dòng)的影響。不同的研究結(jié)果也有著不同的研究結(jié)果，這些都充分說明了場地地震反應(yīng)的復(fù)雜性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及巖土學(xué)科的不斷發(fā)展，二維乃至三維的場地模型計(jì)算也可能成為現(xiàn)實(shí)，這些手段將來也許會(huì)是探究場地影響系數(shù)與場地類別、峰值加速度關(guān)系的有效途徑。