引言

场地土层地震反应是工程地震非常关心的问题。目前,场地土层地震反应分析是研究局部场地效应、确定设计地震动的主要手段,而影响土层地震反应计算主要涉及三个方面的问题:基岩地震动输入、土层动力分析方法和土介质的动力参数。对此,楼梦麟等(2006)做了一些研究,但缺少场地基岩与土层强震记录的对比。因此,在研究土层地震反应时,综合考虑基岩地震动输入、土动力分析方法等因素,用强震记录检验场地土层地震反应计算的结果,对场地土层地震反应的认识及合理确定设计地震动,具有重要的实际意义。

在土层地震反应主要涉及的三个方面中,基岩地震动输入直接影响到计算结果的精度与可信程度(沈聚敏等,2000),不同的地震动输入可能造成结构地震反应分析结果相差数倍乃至数10倍(王亚勇,2000),因此,合理确定地震动输入十分重要。目前,地震动输入主要采用人造地震动合成的地震波,而人造地震波不可避免地参入了人为因素,故减小地震动输入的影响,直接采用场地下的基岩强震记录是最理想的方法。它不仅避免了地震动合成时带来的一些不可避免的人为因素,而且能真实地反应地震动在该场地下的地震动情况。土层动力分析方法在目前的工程应用中主要采用一维等效线性方法,这也是本文采用的方法。土层参数涉及土的密度、土的动剪切模量及阻尼比及土的剪切波速等。

强震动观测数据是制定地震动参数区划图、确定建筑结构抗震设计地震动参数和设计反应谱的基础资料。上海强震台网是中国强震台网的重要组成部分,在台网的建设上考虑了厚土层的特殊性,在一些站点能同时记录到基岩与土层的强震数据,这为本文用强震记录检验一维等效线性土层地震反应研究提供了进行对比的基础资料。

本文以上海强震台网中曹杨公园、浦东机场2个台站,在强震、远震与弱震、近震两种不同地震背景下的记录为基础,其强震台站的位置为图1中的“★”处,西边为曹杨公园强震台站,东边为浦东机场强震台站。

图 1 强震台站平面位置图 Fig. 1Location of the seismic stations

场地所在的地质剖面及强震记录仪器摆放位置如图2所示,图中黑点为观测点所在位置,上部观测点在自由地表土层上,下部观测点在微风化基岩中。

图 2 场地地质剖面及测点位置( a为浦东机场强震台;b为曹杨公园强震台) Fig. 2Geological profile and recording sites (a: Pudong Airport; b: Caoyang Park)

在小应变弹性作用下,我们分别研究了强震、远震,如汶川地震、台湾地震;弱震、近震,如黄海地震、松江地震。同时用EERA2000软件(Bardet等,2000)(EERA2000与SHAKE91相当,为SHAKE91升级版本,但使用更方便)进行数值计算,探讨在实际记录的基岩地震动输入下土层地震反应值,并对比实际的地表强震记录研究土层地震反应中地表加速度及反应谱等问题。实际上,在超越概率50年63%等这类小震作用下,通常在高频段土层反应计算值小于实际值。在本文的实例中,提出了在小地震动作用下,地表加速度与反应谱的一些处理建议。

1 实测记录
1.1 强震、远震地震动实测结果

2002年3月31日台湾以东海中(24.4ºN,122.1ºE)发生了MS7.5级地震,在距离约600km的上海浦东机场强震台记录到了基岩与软土地表土层处的地震动。2008年5月12日,汶川发生了8.0级地震,在距离约1500km的上海曹杨公园强震台也记录到了基岩与软土地表土层处的地震动。其基岩与软土地表的加速度记录时程如图3所示。这2次强震、远震地震动的基岩与地表加速度最大值见表1。

表1 强震、远震地震动的基岩与地表加速度记录 Table 1 The acceleration record of bedrock and soil base from strong motion

图 3 强震、远震地震动的基岩与地表加速度时程 Fig. 3Time-history curves of rock and surface soil from strong ground motion
1.2 弱震、近震地震动实测结果

2004年11月15日南黄海(32ºN,123ºE)发生了MS4.0级地震,在距离不到200km的上海浦东机场强震台记录到了基岩与地表土层处的地震动。2009年11月7日,上海松江发生了MS3.8级地震,在距离约40km的曹杨公园强震台记录到了基岩与地表土层处的地震动。其基岩与软土地表的加速度记录时程如图4所示。这2次弱震、近震地震动的基岩与地表加速度最大值见表2。

表2 弱震、近震地震动的基岩与地表加速度记录 Table 2 The acceleration record of bedrock and soil from weak motion

(a)南黄海MS4.0级地震、(b)松江MS3.8级地震

图 4 弱震、近震地震动的基岩与地表加速度时程 Fig. 4Time-history curves of rock and surface soil from weak ground motion
1.3 实测记录特点

从表1和表2给出的地震记录可以看出,在场地土层地表处的地震动峰值加速度明显大于基岩处,为基岩最大地震动峰值加速度的2—7倍。

2 基岩地震动输入及土动力参数

目前,确定土层地震反应地震动输入的基本方法有3种:①利用地震危险性分析结果,通过考虑场地效应的土层地震反应分析确定地震动输入;②利用规范给定的反应谱及拟合反应谱生成的人工地震波作为地震动输入;③选取类似场地的典型强震记录作为地震动输入。上述3种方法都不是采用土层场地下的直接基岩地震动,故均存在一定的缺陷。而采用土层下强震基岩地震动作为输入,可以减少土层地震反应中的一些不可避免的人为因素,如合成人造地震波及地震波的选取等,可以更好地研究具体场地的土层地震反应。

由于强震仪器安放在完整基岩上,故记录得到的是风化程度很小(微风化)的基岩记录。通常岩体的风化程度愈高,弹性波的速度亦小,岩体风化程度对纵波波速的影响见表3。

表3 岩体风化程度对纵波波速的影响(唐辉明,2008 Table 3 The impact of weathered rock on longitudinal wave velocity (Tang Huiming, 2008)

根据剪切波速与纵波速度的关系(蒋溥等,1993):Vp=1.67Vs,所以计算输入基岩剪切波速取值为3200 m/s。

本文研究的是以同一钻孔得到的强震基岩记录作为输入地震动,采用真实基岩面,利用土层模型进行土层反应计算,对比研究实际记录与土层反应计算的结果。

上海地区为冲积平原,基岩面以上主要沉积的土层为粘性土、粉土与砂土,土层厚度普遍在300m左右,总体呈西浅东深的趋势。由于土介质物理特性的变化非常大,即使是同一类型的土介质,在不同的环境下,其动力特性参数也会有变化。因此,对土的动力参数选取采用《上海市地震动参数区划》(上海市地震局等,2004)中典型的动力参数。

2.1 计算模型与参数

表4和表5为2个不同场地的计算模型,上海地区100m以下土层相对变化较小,钻孔较少,所以100m以下土层参照上海市地震局在斜土路由地球物理化学研究所测得的深孔同类土层的波速值1。同时根据《上海市地震动参数区划》取上海地区的典型场地,各类土的剪切模量比及阻尼比参数取中值(见表6和表7)。

表4 场地计算模型(浦东机场) Table 4 Computational model (for Pudong Airport)
表5 场地计算模型(曹杨公园) Table 5 Computational model (for Caoyang Park)
表6 各类土壤的剪切模量比G / G max的取值范围 Table 6 The value range of G / G max of soil
表7 各类土壤的阻尼比λ的取值范围 Table 7 The value range of λ of soil
2.2 地震动输入

根据强震、远震与弱震、近震得到的2个台站的基岩加速度时程(见图5和图6),将强震、远震与弱震、近震实际记录的基岩加速度时程,分别作为浦东机场场地计算模型和曹杨公园场地计算模型中基岩面地震动输入加速度时程。

图 5 强震、远震基岩加速度时程 Fig. 5Time-history curves of rock from strong ground motion

图 6 弱震、近震基岩加速度时程 Fig. 6Time-history curves of rock from weak ground motion
3 土层地震反应
3.1 地表加速度

根据以上计算模型和不同的地震波输入时程,采用一维等效线性化方法,地表土层地震反应的计算结果见表8和表9。

表8 强震、远震地表峰值加速度计算值与记录值对比(单位:cm/s2 Table 8 Comparison between recorded and calculated value of strong ground motion
表9 弱震、近震地表峰值加速度计算值与记录值对比(单位:cm/s2 Table 9 Comparison between recorded and calculated value of weak ground motion

从表8和表9可以看出:地表土层反应计算值与地表土层实际记录值有较大差异,计算值均较实际记录值小,差异在15%—54.2%,均值为37.5%。

3.2 加速度反应谱的对比分析

经土层地震反应计算得到的强震、远震地表加速度反应谱见图7;经土层地震反应计算得到的弱震、近震地表加速度反应谱见图8。

图 7 强震、远震地表水平向加速度反应谱与实际记录时程得到的地表反应谱对比 Fig. 7Comparison of horizontal ground acceleration response spectra between calculated and the actual record from strong earthquake

对于强震、远震从图7可以看出,在高频与中频段,由实际记录地表加速度而得到的反应谱值大于由土层地震反应计算得到的反应谱值,计算反应谱峰值只有实际记录值的59%—75%;但在低频段,一致性相对较好。

对于弱震、近震主要以高频为主,而中低频成分少。从图8可以看出,由实际记录地表加速度得到的反应谱值大于由土层地震反应计算得到的反应谱值,计算反应谱峰值只有实际记录值的49%—58%。

通过实测记录得到的地表峰值加速度及高、中频段反应谱值与土层地震反应结果的比较表明,综合考虑实测得到的结果平均大于土层地震反应计算值20%—40%。

图 8 弱震、近震地表水平向加速度反应谱与实际记录时程得到的地表反应谱对比 Fig. 8Comparison of horizontal ground acceleration response spectra between calculated and the actual record from weak earthquake
4 目前工程应用中对基岩埋深的处理方法

目前,深厚土层地震反应计算在输入界面的选择上,有2种不同的处理方法:①假想基岩面工程处理方法;②真实基岩面工程处理方法。如在重大工程的地震安全性评价中,由于钻探成本费用高,常采用假想基岩的方法处理。假想基岩面以上的土层不变,假想基岩面以下为基岩,假想基岩面设在孔深不同处,通常选剪切波速大于500m/s的土层为假想的基岩输入面。

4.1 假想基岩面工程处理方法

为了进行对比研究,仍以前面的钻孔模型为基础。曹杨公园土层埋深只到280.55m,我们对其土层反应计算模型进行深度上的处理,假设其土层覆盖厚度为300m,300m以下为基岩,且280.55—300m间土层与280.55m处一样,这样就有了土层埋深都是300m厚的2个场地。

在地震安全性评价中,对于厚度大于100m的土层处理方法是,钻孔深度到100m,100m以下做专门研究。在前文的模型中,由于钻孔孔深到100m、200m处,土层剪切波速均未达到500m/s,到300m时,土层剪切波速超过500m/s。以土层剪切波速为500m/s作为设置假想基岩面的判别依据;假想基岩面设在不同孔深处,如以100m、200m、300m为假定的基岩面,分别取基岩剪切波速值500m/s、550m/s、600m/s,输入地震波为实际记录的基岩波。

4.2 真实基岩面工程处理方法

基岩位置取土层埋深的底面,剪切波速取自由基岩剪切波速,通常假定为800m/s,进行土层反应计算。钻孔到100m处为实测波速,基岩埋深参照邻近基岩埋深。

4.3 不同工况下的地表加速度

根据以上情况,经计算得到了2种不同处理方法的地表加速度与加速度反应谱。为方便制图,取100m深度界面计算值为工况1;200m深度界面计算值为工况2;300m深度界面计算值为工况3;而通过其他方法确定的土层深度界面,在自由基岩面处,剪切波速为800m/s的计算值为工况4;前文中真实土层深度界面,基岩面处剪切波速取3200m/s的计算值为工况5(表10)。

表10 不同输入界面地表加速度计算值(cm/s2 Table 10 0 Calculated results of ground acceleration from different input interfaces

从表10可以看出,不论强震、远震还是弱震、近震,工况5(真实基岩面)的地表加速度值均大于工况1至工况4的地表加速度值。

4.4 不同输入界面加速度反应谱的对比分析

从图9和图10可以看出,不论强震、远震还是弱震、近震,除在低频段一致性相对较好外,在高频与中频段,工况5得到的地表加速度反应谱值大于工况1至工况4由土层地震反应计算得到的反应谱值,而工况5的计算值均较实际记录值小。不同工况之间的差异是由于计算输入位置的不同所致,由于土层地震反应计算结果直接受计算模型与参数的影响,故与实际记录之间也存在一定的差距。

图 9 强震、远震不同工况地表水平向加速度反应谱对比 Fig. 9Comparison of horizontal ground acceleration response spectra of calculate the seismic response from strong earthquake in different conditions

图 10 弱震、近震不同工况地表水平向加速度反应谱对比 Fig. 10Comparison of horizontal ground acceleration response spectra of calculate the seismic response from near earthquake in the different conditions

以上是在小应变线弹性情况下的计算对比,在工程中对于超越概率50年63%的小地震情况,具有一定的可比性。而对于中强震动,尤其是地震动较大的情况,还有待更进一步的研究。

5 结论与建议

本文以实际强震记录为基础,对上海深厚土层按一维等效线性化方法进行了土层地震反应计算,结果表明:

(1)本文按一维等效线性化方法计算得到的土层地震反应地表峰值加速度值均小于实际记录得到的地表峰值加速度值;对于反应谱,其形状与实际记录加速度值得到的反应谱形状相近;对于反应谱值,不管是强震、远震还是弱震、近震,在高频段由实际记录地表加速度得到的反应谱值总是大于土层地震反应计算得到值,但随着周期的增大,差异在减小。

(2)一般来说,在土层地震反应中,当基岩面波速值选取增大时,其地表加速度值也增大。目前,在工程场地地震安全性评价中,深厚土层以剪切波速大于500m/s的土层面为基岩面(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2005),而本文的计算中,基岩剪切波速值较地震安全性评价中土层地震反应剪切波速值大,但得到的地表加速度与反应谱结果还是较实际记录得到的小,因此,建议在工程应用中土层地震反应计算应选真实基岩面,并以实测微风化基岩波速值作为计算所用的波速值。

(3)本文的结果是以深厚土层一维等效线性化土层反应为基础,在小应变弹性作用下,对同类地区各类工程建设在小地震动中确定土的设计地震动参数有参考价值。

参考文献
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