周星源 彭艷菊 方 怡 趙慶凱 柳揚(yáng)斌 黃 帥 呂悅軍

1）應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

2）中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452

引言

20 世紀(jì)海洋資源開(kāi)發(fā)程度較低，海域工程抗震設(shè)防需求少，且海域探測(cè)手段有限，使海域地震和地質(zhì)研究工作基礎(chǔ)與研究水平較陸域低。21 世紀(jì)，隨著“海洋強(qiáng)國(guó)”“21 世紀(jì)海上絲綢之路”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，使海洋資源開(kāi)發(fā)、建設(shè)進(jìn)入快速時(shí)期，海域重大工程（如海洋平臺(tái)、海底隧道、跨海大橋等）的地震安全成為海域發(fā)展的重要技術(shù)問(wèn)題。

渤海地區(qū)是北部海洋經(jīng)濟(jì)圈和京津冀協(xié)同發(fā)展重點(diǎn)地區(qū)，油氣資源儲(chǔ)量豐富，是我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)的重要場(chǎng)所，興建大量海洋石油平臺(tái)。渤海是我國(guó)東部陸緣海灣，也是北東向郯廬斷裂帶和北西向張家口-蓬萊斷裂帶交匯區(qū)，斷裂規(guī)模大，活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)性強(qiáng)度大、頻度高（徐杰等，2015，2016）。海洋油氣平臺(tái)作為重要工程設(shè)施，需專(zhuān)門(mén)開(kāi)展場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作，為抗震設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)（Zhang 等，2019）。海域場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)參考陸域場(chǎng)地技術(shù)方法開(kāi)展，但海域場(chǎng)地條件復(fù)雜，存在特殊性，如海盆地形、局部軟厚沉積層、海水對(duì)海床的動(dòng)力響應(yīng)影響等。海域場(chǎng)地地震動(dòng)特性與陸域場(chǎng)地存在差異（胡進(jìn)軍等，2013；Wallace 等，2016；李小軍等，2020；周越，2020；Hu 等，2020），如渤海海床表層覆蓋1 層厚約8 m 的暗灰色海相淤泥沉積層（牛作民，1986）。按照陸域場(chǎng)地研究中常用的等效線性化方法（EL 法）對(duì)厚軟土場(chǎng)地進(jìn)行地震反應(yīng)分析（廖振鵬等，1989），輸入中、大地震動(dòng)時(shí)，表層地震峰值加速度和反應(yīng)譜等存在較大誤差（李小軍等，2001）。導(dǎo)管架式海洋石油平臺(tái)采用深埋基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，持力層一般位于海床下50～80 m 深的土層，在抗震設(shè)計(jì)中，根據(jù)海床層位參數(shù)進(jìn)行折算得到持力層設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，因此，海床軟土層土對(duì)海洋平臺(tái)抗震設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要影響，海域厚軟土場(chǎng)地地震反應(yīng)分析及考慮地震時(shí)的場(chǎng)地效應(yīng)對(duì)海洋平臺(tái)的影響是海域工程抗震研究中的重要課題（朱鏡清等，1999；李小軍，2006；李小軍等，2020）。

在強(qiáng)烈的地震波作用下，土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出非線性、滯后性和變形積累性，這些特性對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的確定具有重要影響（陳國(guó)興等，2013）。目前，國(guó)內(nèi)工程地震研究中主要采用EL 法對(duì)土層非線性問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，Idriss（1992）根據(jù)大量試驗(yàn)總結(jié)的土體剪切模量和阻尼比隨剪應(yīng)變變化的非線性規(guī)律進(jìn)行土體動(dòng)力特性研究。但EL 法對(duì)于大應(yīng)變和非線性較強(qiáng)的軟土場(chǎng)地適用性較差，非線性計(jì)算方法（NL 法）更能真實(shí)反映土體在應(yīng)力狀態(tài)下的非線性物理過(guò)程，榮棉水等（2013）對(duì)Davidenkov 模型和Hardin-Drnevich 模型在軟土場(chǎng)地的適用性進(jìn)行了論證，但尚未形成統(tǒng)一公認(rèn)的軟土本構(gòu)模型。Bolisetti 等（2014）、Kaklamanos 等（2015）、Zhan 等（2011）、朱姣等（2018）對(duì)EL、NL 法進(jìn)行了對(duì)比，普遍認(rèn)為EL 法在強(qiáng)震時(shí)低估場(chǎng)地地表峰值加速度，且高頻部分計(jì)算結(jié)果誤差較大，具有明顯的濾波作用，NL 法計(jì)算結(jié)果更接近臺(tái)站記錄值。

渤海海底軟土層對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響顯著，軟土層吸收了高頻波能量，加強(qiáng)了對(duì)低頻波的放大效應(yīng)，地震波卓越周期向低頻方向移動(dòng)，加劇地震對(duì)高層建筑的破壞作用（呂悅軍等，2008）。鑒于渤海海底存在深厚、軟弱沉積土層，等效線性模型在該區(qū)域的適用性較差，本文采用DEEPSOIL 軟件（Hashash，2020）對(duì)比分析渤海海底軟土層非線性和等效線性地震反應(yīng)，探究不同分析方法對(duì)海底軟土場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)的影響，并為海域工程地震安全性評(píng)價(jià)相關(guān)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 土體動(dòng)力本構(gòu)模型

利用DEEPSOIL 軟件進(jìn)行分析時(shí)，將波的傳播問(wèn)題近似地歸結(jié)為剪切波一維垂直傳播問(wèn)題，等效線性模型是近似的非線性黏彈性模型，地震反應(yīng)分析方法與SHAKE 等專(zhuān)業(yè)土層地震反應(yīng)分析程序中的方法類(lèi)似（Hashash，2020）。當(dāng)真實(shí)地震波穿過(guò)土層時(shí)，土體承受極不規(guī)則的循環(huán)荷載，在平均意義上用1 條等效穩(wěn)態(tài)回線近似地表示所有回線平均關(guān)系，將水平場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析簡(jiǎn)化為一維波動(dòng)問(wèn)題。根據(jù)試驗(yàn)給定的剪切模量、阻尼比與動(dòng)剪切應(yīng)變幅值關(guān)系，通過(guò)迭代方法，確定等效動(dòng)剪切模量和滯回阻尼比，將非線性土層地震反應(yīng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為線性土層地震反應(yīng)問(wèn)題。

DEEPSOIL 軟件中的NL 法將土柱按多自由度集中質(zhì)量模型離散成單層，每層由相應(yīng)的質(zhì)量、非線性彈簧和阻尼器表示，將2 個(gè)連續(xù)層質(zhì)量的一半集中在共同邊界上形成質(zhì)量矩陣。剛度矩陣隨著應(yīng)變的增加不斷更新，以考慮土體非線性。土體本構(gòu)關(guān)系采用Hashash（2020）提出的雙曲線模型，該模型是基于固結(jié)壓力和Kondner 等（1963）的雙曲線模型，由Matasovic 修正，并在骨架曲線中添加了調(diào)整系數(shù)：調(diào)整系數(shù)：

1.2 場(chǎng)地特征

渤海為陸架淺海盆地，海底坡度平緩，渤海東部沿岸為巖質(zhì)或砂礫質(zhì)海岸，西部和西南部為粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)海岸，海底現(xiàn)代沉積物以黃河、遼河等河流搬運(yùn)的陸源碎屑物質(zhì)為主（蔡鋒等，2013；王中波等，2016，2020）。渤海整體海底地形變化較小，表層覆蓋強(qiáng)度很低的海相淤泥沉積層，厚約8 m（牛作民，1986；劉曉瑜等，2013）。本文選取位于渤海中部的3 個(gè)場(chǎng)地作為計(jì)算場(chǎng)地模型基礎(chǔ)，場(chǎng)地表層覆蓋6～8 m 粉質(zhì)黏土軟土層，其余土層為粉砂、粉砂質(zhì)細(xì)砂、粉土、砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉土、細(xì)砂等，依次記為場(chǎng)地1、2、3，上覆20 m 深度內(nèi)的等效剪切波速分別為176、156、162 m/s，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）（GB 50 011-2010）均劃分為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，場(chǎng)地土層分布如圖1 所示。分別對(duì)土層進(jìn)行剪切波速試驗(yàn)和應(yīng)力控制振動(dòng)三軸試驗(yàn)，確定每個(gè)場(chǎng)地土層剪切波速，根據(jù)蔣其峰等（2014）對(duì)渤海海域常見(jiàn)土類(lèi)在不同埋深的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)MRDF 方法對(duì)非線性參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)b=0，使雙曲線模型不考慮深度的影響，根據(jù)擬合結(jié)果，按不同埋深繪制各類(lèi)土剪切模量比、阻尼比和剪應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2 所示。由圖2 可知，當(dāng)土類(lèi)相同時(shí)，剪切模量比（G/Gmax）隨深度的增加而增加，阻尼比隨深度的增加而減小，表明淺層土非線性特征較深層土明顯。

圖1 場(chǎng)地土層分布Fig. 1 Models of Typical Sites

圖2 渤海常見(jiàn)土類(lèi)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Fig. 2 Dynamic Parameters of Common Soils in Bohai Sea

進(jìn)行非線性計(jì)算時(shí)，每層土分層厚度根據(jù)允許地震動(dòng)傳播最大頻率fmax確定：

1.3 場(chǎng)地模型構(gòu)建

為分析軟土層對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響，根據(jù)Zhou 等（2021）對(duì)海域軟土層的定義，剔除原始場(chǎng)地表層剪切波速小于150 m/s 的土層，作為新的場(chǎng)地模型，采用EL 法和NL 法進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算，與原始場(chǎng)地模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析軟土層對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的影響。

為進(jìn)一步分析軟土層厚度對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響，以剔除表層剪切波速小于150 m/s 的場(chǎng)地模型作為基礎(chǔ)模型，構(gòu)建含不同厚度軟土層的模型，軟土層厚度每隔2 m 由0 m 逐漸增至20 m，剪切波速取100 m/s，每個(gè)場(chǎng)地構(gòu)建10 個(gè)土層模型，共構(gòu)建30 個(gè)場(chǎng)地模型，20 m 深度內(nèi)等效剪切波速為100～225 m/s，屬Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地。

軟土層土剪切模量比和阻尼比采用榮棉水等（2013）的渤海海域典型軟土統(tǒng)計(jì)均值，擬合后的軟土剪切模量比與阻尼比隨剪應(yīng)變的變化關(guān)系如圖2 所示。

1.4 地震動(dòng)輸入

輸入地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)分析具有顯著影響，本文選取渤海中部某場(chǎng)地基巖地震動(dòng)反應(yīng)譜作為合成輸入地震動(dòng)時(shí)程目標(biāo)譜。該場(chǎng)地位于沙東7.0 級(jí)潛在震源區(qū)內(nèi)，具體位置為沙南7.5 級(jí)潛在震源區(qū)北35.0 km、渤東南8.0 級(jí)潛在震源區(qū)西北66.5 km、唐山8.0 級(jí)潛在震源區(qū)東南86.5 km，地震危險(xiǎn)性來(lái)自近場(chǎng)和中場(chǎng)大震。依據(jù)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2006）（GB 17741-2005），確定基巖地震動(dòng)水平加速度反應(yīng)譜，結(jié)合區(qū)域地震活動(dòng)特征確定強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù)，采用擬合目標(biāo)函數(shù)的三角級(jí)數(shù)迭加法合成基巖地震動(dòng)加速度時(shí)程，分別作為小震、中震、大震地震動(dòng)輸入，基巖地震動(dòng)峰值加速度分別為39、64、97、153、216、315 cm/s2。

時(shí)程采樣步長(zhǎng)為0.02 s，選擇66 個(gè)周期作為擬合目標(biāo)譜控制點(diǎn)，控制點(diǎn)周期為0.04～6.0 s，按對(duì)數(shù)等間距分布，目標(biāo)譜與合成時(shí)程反應(yīng)譜相對(duì)誤差＜5%。目標(biāo)譜、擬合譜對(duì)比圖和基巖水平加速度時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 目標(biāo)譜、擬合譜對(duì)比圖和基巖水平加速度時(shí)程曲線Fig. 3 Time histories and response spectrum of the input ground motions on bedrock

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同計(jì)算方法對(duì)地震動(dòng)的影響

2.1.1 峰值加速度隨基巖輸入地震動(dòng)變化規(guī)律

不同計(jì)算方法對(duì)軟土場(chǎng)地和硬土場(chǎng)地峰值加速度的影響如圖4 所示。由圖4 可知，對(duì)于軟土場(chǎng)地，隨著基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度的增大，EL、NL 法得到的地表峰值加速度均呈逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＜0.10g時(shí)，EL、NL 法得到的地表峰值加速度基本相同，此時(shí)土層表現(xiàn)出近似于線彈性狀態(tài)；當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＞0.15g時(shí)，EL 法得到的地表峰值加速度大于NL 法，土層表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性，2 種方法計(jì)算結(jié)果差異明顯。對(duì)于硬土場(chǎng)地，隨著基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度的增大，EL、NL 法得到的地表峰值加速度均呈逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＜0.10g時(shí)，EL、NL 法得到的地表峰值加速度基本相同，但均小于軟土場(chǎng)地地表峰值加速度，此時(shí)場(chǎng)地地震效應(yīng)近似為線彈性；當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＞0.15g時(shí)，場(chǎng)地土體進(jìn)入強(qiáng)非線性階段，EL 法得到的地表峰值加速度明顯大于NL 法。

圖4 不同計(jì)算方法對(duì)軟土場(chǎng)地和硬土場(chǎng)地峰值加速度的影響Fig. 4 Peak ground acceleration of soft soil sites and hard soil sites from different simulation methods

綜上所述，當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＜0.10g時(shí)，EL、NL 法得到的軟土場(chǎng)地和硬土場(chǎng)地地表峰值加速度均表現(xiàn)出放大效應(yīng)，軟土場(chǎng)地放大作用更顯著；當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＞0.15g時(shí)，EL 法得到的軟土場(chǎng)地地表峰值加速度大于硬土場(chǎng)地，NL 法得到的軟土場(chǎng)地地表峰值加速度小于硬土場(chǎng)地，場(chǎng)地非線性效應(yīng)顯著，即當(dāng)強(qiáng)地震動(dòng)輸入時(shí)，NL 法得到的軟土場(chǎng)地地表峰值加速度小于基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度，軟土場(chǎng)地表現(xiàn)出明顯的減震作用?；鶐r輸入地震動(dòng)峰值加速度較大時(shí)，表層土在地震反應(yīng)中表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性，土層處于或接近屈服狀態(tài)，NL 法得到的地表峰值加速度小于EL 法。

2.1.2 峰值加速度隨深度衰減關(guān)系

渤海海底覆蓋較厚淤泥質(zhì)軟弱土層，如果采用海底表層土層位設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)折算到持力層層位，得到的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)不能真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際地震發(fā)生時(shí)工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。陳國(guó)興等（2013）通過(guò)二維非線性有限元分析模型，得到大地震遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)峰值加速度隨土層深度折減明顯的結(jié)論，因此，研究地震作用下軟土場(chǎng)地峰值加速度隨深度的衰減關(guān)系極為重要。

EL、NL 法得到的場(chǎng)地1 峰值加速度變化規(guī)律如圖5 所示，由圖5 可知，對(duì)于軟土場(chǎng)地，當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＜0.1g時(shí)，EL、NL 法得到的地表峰值加速度隨著深度的增加基本呈逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)深度達(dá)20 m 后，地表峰值加速度基本保持不變，與基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度相當(dāng)；當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度＞0.15g時(shí)，EL、NL 法得到的地表峰值加速度沿深度方向先減小，到達(dá)軟土層與硬土層（剪切波速Vs＞150 m/s）交界處時(shí)迅速增大，到達(dá)峰值后緩慢減小，該峰值一般大于海底泥面值，這表明軟土層土具有顯著減震作用。對(duì)于硬土場(chǎng)地，場(chǎng)地淺土層峰值加速度隨深度增加呈逐漸遞減的趨勢(shì)，可見(jiàn)明顯的土層放大作用。EL、NL 法得到的場(chǎng)地1 均在6～10 m 深層位處產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)放大效應(yīng)，NL 法得到的優(yōu)勢(shì)放大效應(yīng)更明顯，此深度處為土層模型軟土與硬土分界面，土層非線性參數(shù)發(fā)生改變，土層剪切波速發(fā)生了顯著變化，分界面上下層阻抗差異性顯著。整體來(lái)看，對(duì)于軟土場(chǎng)地，EL、NL 法得到的軟土層土對(duì)場(chǎng)地峰值加速度衰減規(guī)律影響明顯，地表峰值加速度無(wú)法準(zhǔn)確反映場(chǎng)地受到的地震作用。

圖5 EL、NL 法得到的場(chǎng)地1 峰值加速度變化規(guī)律Fig. 5 Peak ground acceleration of site NO 1 obtained by equivalent linear wave propagation analysis and nonlinear analysis

2.1.3 基巖地震動(dòng)頻譜關(guān)系對(duì)地表反應(yīng)譜的影響

通過(guò)3 個(gè)場(chǎng)地模型計(jì)算得到6 種超越概率下軟土場(chǎng)地EL、NL 法地表反應(yīng)譜，為更好地表現(xiàn)地表反應(yīng)譜與基巖反應(yīng)譜的關(guān)系，引入反應(yīng)譜比值（地表反應(yīng)譜與基巖反應(yīng)譜的比值）作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，3 個(gè)場(chǎng)地模型下反應(yīng)譜比值變化規(guī)律基本相同，受基巖地震動(dòng)輸入強(qiáng)度的影響較顯著。EL 法得到的反應(yīng)譜比值隨著地震動(dòng)輸入強(qiáng)度的增大，最大值逐漸向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)，在短周期范圍內(nèi)（周期為0.04～0.2 s），小震輸入時(shí)，反應(yīng)譜比值＞1.0，并隨著基巖輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加而減小，地表地震反應(yīng)表現(xiàn)出明顯的放大作用；中震和大震輸入時(shí)，地表反應(yīng)譜略小于基巖反應(yīng)譜，海底地表軟土層對(duì)高頻地震波具有顯著的濾波作用，輸入地震動(dòng)強(qiáng)度越大，減震效果越明顯。NL 法得到的反應(yīng)譜比值與EL 法基本相同，但在短周期范圍內(nèi)，小震輸入時(shí)，NL 法得到的反應(yīng)譜比值略大于EL 法，NL 法放大效應(yīng)更顯著；中震、大震輸入且在中長(zhǎng)周期范圍內(nèi)（周期為0.4～1.2 s），NL 法得到的反應(yīng)譜比值略小于EL 法，變化趨勢(shì)基本一致，但峰值略有不同。隨著基巖輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加，地震動(dòng)高頻部分呈先放大后被過(guò)濾的規(guī)律，中長(zhǎng)周期具有顯著放大作用。

圖6 反應(yīng)譜比值隨基巖輸入地震動(dòng)的變化Fig. 6 Site response spectrum with different input ground motions on bedrock

2.2 軟土層厚度對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響

通過(guò)研究不同厚度軟土場(chǎng)地地表反應(yīng)譜地震影響系數(shù)最大值和特征周期變化特征，進(jìn)一步探究軟土層厚度對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響。在地震安全性評(píng)價(jià)工作中，分析計(jì)算過(guò)程往往涉及許多不確定性因素，工程抗震設(shè)計(jì)需通過(guò)計(jì)算模型對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范規(guī)定給出設(shè)計(jì)值。利用水平地震影響系數(shù)最大值和反應(yīng)譜特征周期可表示場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜曲線，根據(jù)龔思禮（2002）的研究，利用我國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖用速度反應(yīng)譜最大值和加速度反應(yīng)譜最大值的比值確定特征周期：

2.2.1 軟土層厚度對(duì)地表峰值加速度的影響

場(chǎng)地1、2、3 分別增加2、4、6 m 軟土層后計(jì)算得到的地表峰值加速度如圖7 所示，由圖7 可知，隨著軟土層厚度的增加，場(chǎng)地模型地表峰值加速度均降低，EL、NL 法得到的地表峰值加速度隨深度變化趨勢(shì)基本相同，且EL、NL 法得到的地表峰值加速度差值隨著基巖輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加而增大。當(dāng)軟土層厚度為4 m 時(shí)，小、中、大震輸入開(kāi)始觀察到地表峰值加速度降低，大震輸入時(shí)地表峰值加速度降低現(xiàn)象更明顯，放大作用減弱；當(dāng)軟土層厚度為6 m 時(shí)，中、大震輸入，NL 法得到的地表峰值加速度小于基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度，該厚度下軟土層對(duì)場(chǎng)地地震具有減震作用，EL 法得到的地表峰值加速度略高于基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度；當(dāng)軟土層厚度為8 m 時(shí)，EL、NL 法計(jì)算結(jié)果均表明軟土層具有減震作用，NL 法得到的減震效果更明顯；軟土層厚度繼續(xù)增加，地表峰值加速度持續(xù)降低。在軟土層剪切波速為100、150 m/s 的分界面，由于剪切波速變化，導(dǎo)致分界面波阻抗發(fā)生變化，出現(xiàn)明顯的深部放大作用，且軟土層越厚，場(chǎng)地減震效果越明顯。

圖7 軟土層厚度對(duì)地表峰值加速度的影響Fig. 7 Effects of soft surface thickness on peak ground acceleration

2.2.2 軟土層厚度對(duì)地表反應(yīng)譜的影響

場(chǎng)地1 在小、中、大震輸入時(shí)，0、4、8、12、16、20 m 厚軟土層反應(yīng)譜比值如圖8 所示。由圖8 可知，總體上，EL、NL 法得到的反應(yīng)譜比值變化趨勢(shì)基本相同，隨著軟土層厚度的增加，反應(yīng)譜比值峰值向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)，短周期范圍內(nèi)反應(yīng)譜比值不斷減小，軟土層對(duì)地震波具有較強(qiáng)的濾波作用，高頻部分被過(guò)濾，低頻部分得到加強(qiáng)。小震輸入時(shí)，軟土層厚度為12 m 時(shí)，高頻部分明顯降低，EL、NL 法得到的地表反應(yīng)譜與基巖反應(yīng)譜基本相同，隨著軟土層厚度的繼續(xù)增加，2 種方法得到的反應(yīng)譜比值略小于1，地表反應(yīng)譜在高頻部分低于基巖反應(yīng)譜。軟土層厚度為8 m 時(shí)，隨著軟土層厚度的繼續(xù)增加，EL 法得到的反應(yīng)譜比值最大值增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢，基本保持不變；NL 法得到的反應(yīng)譜比值最大值隨著軟土層厚度的增加不斷增大，持續(xù)向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)，直至6 s 仍未出現(xiàn)峰值。當(dāng)軟土層厚度較大時(shí)，EL 法無(wú)法準(zhǔn)確展現(xiàn)大地震動(dòng)輸入時(shí)地表反應(yīng)譜低頻部分。

圖8 場(chǎng)地1 反應(yīng)譜比值分布Fig. 8 Response spectrum ratio of new models of site No.1

2.2.3 軟土層厚度對(duì)地震影響系數(shù)最大值和特征周期的影響

在小、中、大震輸入時(shí)，場(chǎng)地1、2、3 軟土層厚度與地震影響系數(shù)最大值及特征周期的關(guān)系如圖9 所示。由圖9 可知，軟土層厚度和輸入地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)地震影響系數(shù)最大值及特征周期有顯著影響，且具有一定規(guī)律性。對(duì)于給定的輸入地震動(dòng)，當(dāng)軟土層厚度達(dá)一定值（4～6 m）時(shí)，EL、NL 法得到的地震影響系數(shù)最大值達(dá)到峰值，然后隨著軟土層厚度的增加，地震影響系數(shù)最大值不斷降低，當(dāng)厚度達(dá)20 m 后，地震影響系數(shù)最大值基本保持不變，且輸入地震動(dòng)強(qiáng)度越大，地震影響系數(shù)最大值越大。小震輸入時(shí)，軟土層厚度為2～6 m 時(shí)，EL、NL 法得到的地震影響系數(shù)最大值基本相同；中、大震輸入時(shí)，不同軟土層厚度下，EL 法得到的地震影響系數(shù)最大值較NL 法大。特征周期隨著軟土層厚度的增加逐漸增加，NL 法得到的特征周期增長(zhǎng)較快，特征周期最大值較大。當(dāng)軟土層厚度為20 m 時(shí)，EL 法得到的特征周期開(kāi)始保持不變，當(dāng)軟土層厚度為2～8 m 時(shí)，EL、NL 法得到的特征周期基本相同，隨著軟土層厚度和輸入地震動(dòng)的增加，EL、NL 法得到的特征周期出現(xiàn)差異，小震輸入時(shí)，NL 法得到的特征周期略大，中、大震輸入時(shí)，軟土層厚度越大，EL、NL 法得到的特征周期差值越大。

圖9 地震影響系數(shù)最大值與特征周期隨軟土層厚度的變化Fig. 9 Site coefficient and characteristic period with different soft soil thickness

3 結(jié)論與建議

本文在渤海海域場(chǎng)地鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別采用EL、NL 法進(jìn)行場(chǎng)地建模，并通過(guò)改變軟土層重構(gòu)場(chǎng)地模型，探究小、中、大震輸入時(shí)，軟土層及厚度對(duì)地表峰值加速度、反應(yīng)譜比值、地震影響系數(shù)最大值和特征周期的影響，為海域工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防提供科學(xué)依據(jù)。

（1）隨著基巖輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，EL 法得到的地表峰值加速度逐漸增加；NL 法得到的地表峰值加速度先逐漸增加，當(dāng)基巖輸入地震動(dòng)較大時(shí)，增長(zhǎng)速度變慢。EL、NL 法得到的地表反應(yīng)譜比值峰值均逐漸向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)，海底地表軟土層對(duì)地震波高頻部分具有先放大后過(guò)濾的作用，對(duì)低頻部分的放大作用一直增加。

（2）隨著軟土層厚度的增加，EL、NL 法得到的地表峰值加速度均降低，當(dāng)軟土層厚度達(dá)4 m 時(shí)，出現(xiàn)減震作用，且減震作用越來(lái)越強(qiáng)烈。隨著軟土層厚度的增加，EL、NL 法得到的反應(yīng)譜比值峰值逐漸增加，且向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)，當(dāng)軟土層厚度達(dá)8 m 后，EL 法得到的反應(yīng)譜比值峰值基本保持不變；NL 法得到的反應(yīng)譜比值峰值持續(xù)增加，且持續(xù)向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)。隨著軟土層厚度的增加，EL、NL 法得到的特征周期逐漸增大，NL 法得到的特征周期大于EL 法。隨著地震動(dòng)輸入的增大，EL、NL 法得到的特征周期均增加。

根據(jù)本研究結(jié)果，在確定海域工程，特別是深基礎(chǔ)工程抗震設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)過(guò)程中，對(duì)于位于強(qiáng)震構(gòu)造環(huán)境中的場(chǎng)地，采用NL 法計(jì)算時(shí)，需考慮軟土層對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響，從保守角度考慮，建立場(chǎng)地模型時(shí)建議刪除軟土層。