引言

震害经验和土层地震反应分析结果均表明,土动力学参数是影响土层地震反应分析结果的主要原因之一(王绍博等,2001)。《工程场地地震安全性评价(GB 17741-2005)》(中华人民共和国国家标准,2005)规定:Ⅰ级地震安全性评价工作应对钻孔揭示的各自然分层土取样,并对土样进行动三轴和共振柱试验;Ⅱ级地震安全性评价工作和地震小区划应对钻孔揭示的自然分层中有代表性的土样进行动三轴或共振柱试验。目前,在进行土层地震反应分析时,如果出现土动力学参数资料不全的情况,一般是利用《工程场地地震安全性评价工作规范(DB 001-94)》(中华人民共和国地震行业标准,1994)中各类土土动力学参数的推荐值。但研究表明(王绍博等,2001;孙静等,2004),这些参数并不具有实用性,土动力学参数的选取还必须考虑区域性。针对特定区域土动力学参数的研究,已取得一些有价值的研究成果,如吕悦军等(2005)对渤海海底土类进行了研究,陈国兴等(2004)分析了南京及邻近地区新近沉积土土动力学参数特征。

在实际的地震安全性评价工作中,作者发现北京地区分布最广的土类是粉质粘土,埋深从1—99m均有分布。本文收集整理了北京地区2001年以来,20份具有完整土动力学参数实验数据的地震安全性评价报告,共计104个场点;统计分析了这些报告中的粉质粘土实测土动力学参数,给出了其在不同深度下的动剪切模量比和阻尼比平均值;在通州区和顺义区各选取了1个典型工程场地,构建土层分析模型,进行土层地震反应分析,并对比分析了本文得到的统计值与典型工程场地的实测值、袁晓铭的推荐值(袁晓铭等,2000)和DB 001-94规范的推荐值对土层地震反应分析计算结果的影响。计算结果表明,本文得到的统计值在北京地区具有一定的适用性,对于获得原状土样困难的场地,特别是对于较薄的夹层土,本文的统计结果在实际的地震安全性评价工作中可供参考使用。

1 数据统计分析
1.1 数据来源与分布

近年来,由于地铁、高层建筑以及一些改扩建工程建设的需要,北京地区开展了许多地震安全性评价工作,实测了大量的土动力学参数试验数据。其中,粉质粘土数据资料最为丰富。本文收集整理了北京地区2001年以来,20份具有完整土动力学参数实验数据的地震安全性评价报告,共计104个场点,场点分布情况如图1所示。场点北起昌平,南到大兴,西起海淀,东达通州均有分布,但主要集中在六环以内。主体属冲积平原地貌,覆盖层为第四系盆地沉积物。据钻孔资料显示,覆盖层厚度由西向东逐渐变厚,变化范围约为30—90m。本文筛选了土体埋深从1m到99m的200余组粉质粘土土动力学参数,这些参数由中国地震局地质研究所动三轴试验或中国地震局工程力学研究所共振柱试验完成。考虑到这些数据属动三轴实验的居多,以及试验仪器和方法、试验条件、数据分析等不同引起的数据差异的原因,为了便于统计分析,本文主要以中国地震局地质研究所完成的动三轴试验数据为统计资料,一共185组。

图 1 工程场点分布图 Fig. 1Distribution map of engineering sites
1.2 数据分析

同类土体的土动力学参数随深度和压力的变化而不同,且由于地层的连续性,在现有的试验条件下,统计土性参数随深度的变化具有一定的可行性和实际意义。为此根据样本量随深度的分布情况,选取不同深度间隔作为统计区间进行统计。在统计中舍去了明显偏高或偏低的异常值,以尽量减小其对分析结果的影响。最终统计出土体埋深分别为:0—5m、5—10m、10—15m、15—20m、20—25m、25—30m、30—40m、40—50m、50—60m、60—80m和大于80m 的11组平均值(表1和表2)。以0—5m为例,图2给出了样本值与平均值的统计情况。对各区间内样本在不同剪应变下标准差进行分析,结果表明:当剪应变为10×10—4时,动剪切模量比的标准差最大;当剪应变为100×10—4时,阻尼比的标准差最大(表2)。

表1 舍去异常值后各区间样本统计量 Table 1 Sample numbers at different depth ranges after poor samples are removed
表2 各区间统计平均值 Table 2 Mean values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio at different depth ranges
图 2 0—5m区间内动剪切模量比与阻尼比统计平均值 Fig. 2Mean values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio with depth from 0 to 5 meters
图 3 不同埋深下的动剪切模量比与阻尼比统计结果 Fig. 3Statistic result of dynamic shear modulus ratio and damping ratio at different depths

统计结果表明:尽管50—60m内动剪切模量比的平均值比40—50m内的平均值稍低,但动剪切模量比随深度增加而增大的趋势比较明显;阻尼比平均值曲线偶有交叉,总体变化趋势不明显。与袁晓铭的推荐值和DB001-94规范的推荐值相比较(图3),北京地区粉质粘土土动力剪切模量比相对较高;阻尼比也比袁晓铭推荐值中10—20m深度范围内的阻尼比高;当剪应变为10—4—10—3时,与袁晓铭推荐值中0—10m值和DB001-94规范的推荐值有交叉。对于本文统计的阻尼比平均值在大应变的情况下,比袁晓铭的推荐值和DB001-94规范的推荐值偏高,可能与试验设备、方法以及条件等因素有关(文中为动三轴试验数据,而袁晓铭的推荐值和DB001-94规范的推荐值为共振柱试验数据)。

2 土层地震反应分析及结果

由上述统计结果表明,北京地区粉质粘土的动力学参数与袁晓铭的推荐值和DB001-94规范的推荐值存在差异,为了分析这种差异对土层地震反应分析的影响,本文选取了2个典型工程场地即模型1和模型2(表3),分别采用场地实测值(方案1)、本文统计值(方案2)、袁晓铭的推荐值(方案3)和DB001-94规范的推荐值(方案4)4种土动力学参数,进行土层地震反应分析计算。地震动输入选取9条人造地震动时程和2条实际强震记录(图4)。

图 4 输入的地震动加速度时程 Fig. 4Input of acceleration time history of ground motion
2.1 土层及计算参数的选取

场地模型1和2分别位于通州区和顺义区,钻探深度分别为100m和75m,土性资料均较全,粉质粘土分别占覆盖层厚度的50.2%和73.4%(表3)。在计算中粉质粘土的动剪切模量比和阻尼比分别采用以上4种方案的参数,其余土层的土动力学参数,以及波速和密度均为钻孔实测值。人造地震动3个概率水准峰值加速度分别为38.5gal、167.7gal和336.6gal,实际地震动峰值相应调整为以上3个水准并进行输入。

表3 场地模型土层钻孔剖面参数 Table 3 Parameters of soil layers
2.2 计算结果及分析

采用一维等效线性化波动方法进行土层地震反应分析计算(廖振鹏等,1989a),得到3个概率水准下人造地震动、强震记录A和B在不同地震动输入下,2个场地模型地表加速度峰值、速度峰值和反应谱,再利用双参数标定方法确定出反应谱的特征周期Tg(廖振鹏等,1989b)。具体计算结果见图5、图6和表4,其中特征周期Tg和地震影响系数最大值αmax的表达式为:

TR=4.44 Vmax
Amax
αmax=βmax Amax
980

式中,βmax为动力放大系数最大值,取2.25。
图 5 场地模型1地表反应谱 Fig. 5Response spectra on ground surface of site 1
图 6 场地模型2 地表反应谱 Fig. 6Response spectra on ground surface of site 2
表4 场地地震反应计算结果 Table 4 Calculated results of earthquake response of ground layered soil

从以上结果可以看出:①无论是在人造地震动还是在实际地震动输入下,方案2的峰值加速度和反应谱与方案1 的非常接近,二者的地表峰值加速度和特征周期差异分别在8.9%和9.1%以内。②在小震作用下,方案4的峰值加速度和特征周期与方案1的差异在11.9%以内,但随着地震动强度的增大,其差异也逐渐增大,表现为峰值加速度低,特征周期大,这一点与孙静(2004)、林建生等(2006)的结论一致;而在大震作用下,方案4与方案1的峰值加速度最大差异为62.9%,特征周期差异高达163.7%。③方案3的表现相对复杂,在小震和中震作用下,方案3的反应谱与方案1的也非常接近;但在大震作用下,不同土层结构、不同频谱地震动输入下,表现有所不同:场地模型1在人造地震动和强震记录B输入下,地表峰值加速度稍低,特征周期也相应的偏大;场地模型2在强震记录B输入下,峰值加速度偏低16.5%,特征周期偏大30.5%;而在强震记录A输入下,场地模型1和2的计算结果均与方案1相差较小,差异在11.6%以内。

以上分析表明,与袁晓铭的推荐值和DB001-94规范的推荐值相比,对北京地区粉质粘土土动力学参数选取而言,采用本文统计结果可能更为合适。

3 结语

本文通过对北京地区粉质粘土的统计分析,给出了不同深度下粉质粘土的土动力学参数的平均值,并以2个典型工程实际场地为例,分析了4种方案的土动力学参数对土层地震反应分析结果的影响,得出了以下结论:

(1)统计结果源于北京地区土动力学参数实测试验数据,相对袁晓铭的推荐值和DB001-94规范的推荐值,其结果更具有区域代表性和区域适用性。

(2)对于小震而言,4种方案的计算结果差异甚微,但对于中震和大震,DB001-94规范的推荐值计算结果差异太大,不合理;袁晓铭的推荐值在小震和中震作用下,比较符合实际情况,但在大震作用下,不同频谱地震动输入时差异较大。

(3)在本文的统计过程中,只考虑了土动力学参数随深度的变化,而未考虑岩土状态、密度、温度、标贯等因素的影响,随着资料的丰富和试验数据的积累,统计结果还有待于进一步完善。

综上所述,对北京地区而言本文的统计结果具有一定的代表性和适用性,尤其是针对原状土样难以获得的土层,本文的结果可供参考使用。

参考文献
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