王 競(jìng)， 王世元， 潘勇杰， 宴金旭

(四川省地震局， 四川 成都 610041)

0 引言

場(chǎng)地地震反應(yīng)受地震動(dòng)輸入強(qiáng)度、傳播方式、傳播土地介質(zhì)等多種因素的影響，歷次震害表明，局部場(chǎng)地會(huì)嚴(yán)重影響地震震害程度的分布情況。我國(guó)目前所采用的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是GB 50011-2010[1](簡(jiǎn)稱(chēng)《10規(guī)范》)，規(guī)范中的場(chǎng)地分類(lèi)方法僅適合場(chǎng)地剪切波速隨埋深遞增的場(chǎng)地，但是實(shí)際工程場(chǎng)地往往復(fù)雜多變，含有軟、硬夾層。在眾多的地震安全性評(píng)價(jià)工作和中國(guó)地震試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)劃過(guò)程中發(fā)現(xiàn)四川西昌地區(qū)場(chǎng)地類(lèi)別豐富，I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地齊備，在該地區(qū)尤其是安寧河河谷及周邊地區(qū)，發(fā)現(xiàn)較多的深厚軟弱夾層，并且受多條斷裂帶的影響。牛潔[2]、韓昕[3]等對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征參數(shù)研究表明，場(chǎng)地條件是影響特征周期和平臺(tái)值的重要因素之一，數(shù)值隨場(chǎng)地類(lèi)別分組提高而逐漸增大，田兆陽(yáng)[4]指出斷裂破碎帶場(chǎng)地會(huì)增大場(chǎng)地地震動(dòng)，因此在這種情況下，采用《10規(guī)范》所給出的場(chǎng)地分類(lèi)情況、設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)是不完全準(zhǔn)確的。規(guī)范中對(duì)覆蓋土層厚度明確規(guī)定其剪切波速要大于500m/s，在一定程度上該規(guī)定變相地考慮了硬夾層對(duì)場(chǎng)地的影響，但未對(duì)軟土層作相關(guān)規(guī)定，因此有必要對(duì)軟土所產(chǎn)生的場(chǎng)地影響作一定的研究。因此，本文針對(duì)四類(lèi)場(chǎng)地土中不同位置軟夾層的場(chǎng)地地震反應(yīng)影響開(kāi)展相關(guān)研究，為后續(xù)對(duì)西昌地區(qū)場(chǎng)地的土層情況和土層地震反應(yīng)研究?jī)?chǔ)備理論基礎(chǔ)。

薄景山、陳國(guó)興、曹均鋒、李恒、王沖、王亞紅等[5-12]針對(duì)軟弱土層作了不同程度的研究。研究表明軟弱土層的存在對(duì)場(chǎng)地反應(yīng)有一定影響：軟土位于場(chǎng)地表層產(chǎn)生放大作用，位于場(chǎng)地底部可以濾波減震； 對(duì)相同強(qiáng)度的地震動(dòng)輸入，軟弱土層的埋藏深度和土層厚度與地表加速度峰值、土層放大系數(shù)、反應(yīng)譜平臺(tái)值及特征周期與軟弱層的埋深和厚度呈反比。但以上研究均未考慮不同場(chǎng)地類(lèi)別下軟土層的影響，因此本文選取四類(lèi)典型場(chǎng)地研究不同軟土層位置對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響，并對(duì)采用走時(shí)等效原則給出的各場(chǎng)地剖面的場(chǎng)地剪切波速值進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比分析，以期對(duì)后期軟夾層土的地震反應(yīng)研究，尤其是對(duì)中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的深厚軟弱土層地震動(dòng)的實(shí)際效應(yīng)研究提供一定的參考。

圖 1 地震動(dòng)加速度時(shí)程Fig.1 Ground motion acceleration time histories

1 資料來(lái)源

1.1 人工地震動(dòng)輸入

為考慮不同大小、遠(yuǎn)近震的地震動(dòng)對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響，現(xiàn)人工合成27條地震動(dòng)。這些地震動(dòng)是以隨機(jī)數(shù)為1516、8917、60000，加速度峰值為0.05g、0.2g、0.6g，特征周期為0.2s、0.4s、0.9s組合構(gòu)造得到，強(qiáng)度包線均采用周寶峰推薦值：t1=3s、 t2=8s、 c=0.1，他認(rèn)為以此造出的加速度時(shí)程曲線較符合地震動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生時(shí)的持續(xù)時(shí)間和緩慢衰減過(guò)程[13]，圖 1為隨機(jī)數(shù)為1516時(shí)的9條地震動(dòng)。計(jì)算時(shí)將各地震動(dòng)加速度時(shí)程的幅值縮小一半作為本文的地震動(dòng)輸入。

1.2 場(chǎng)地計(jì)算模型

為探究不同位置軟弱夾層的影響，構(gòu)造各剪切波速呈線性分布的不含軟土層的四類(lèi)理想場(chǎng)地。馮偉棟[14]對(duì)土層模型參數(shù)變異性影響進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明土層模型的分層厚度對(duì)土層反應(yīng)計(jì)算結(jié)果有影響，應(yīng)盡可能細(xì)分土層，充分考慮此因素并且盡可能使場(chǎng)地不受除軟夾層位置變化之外的因素影響，構(gòu)造了本文研究所用的各類(lèi)場(chǎng)地典型剖面模型，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 1～ 4，剖面如圖 2～ 5所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地中所指軟弱夾層是文獻(xiàn)[15]中所指的剪切波速值最小且小于140m/s的土層，而Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地本身土體較軟，構(gòu)造不含上述所指軟夾層的理想場(chǎng)地較困難，因此此處所指軟夾層參考文獻(xiàn)[8]中以相鄰波速值來(lái)衡量，將夾層土的剪切波速與相鄰頂層土的剪切波速的差值大于相鄰頂層土波速的35%作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，各類(lèi)土所取軟夾層土類(lèi)情況見(jiàn)表 5。分析時(shí)僅考慮波速變化的夾層所產(chǎn)生的影響，控制其他因素不變，保持除剪切波速值以外各參數(shù)值的一致性，各土層巖土類(lèi)別除基巖層外均為粉質(zhì)黏土，基巖密度為定值取 2g/cm3， 其余非線性參數(shù)采用袁曉銘推薦值[16]，見(jiàn)表 6。

圖 2 理想場(chǎng)地剖面模型Fig.2 Models of the profiles in four types of sites

圖 3 四類(lèi)理想場(chǎng)地地表加速度峰值Fig.3 Peak ground acceleration of four types of sites in different depth of the soft interlayer

圖 4 四類(lèi)理想場(chǎng)地放大系數(shù)關(guān)系Fig.4 Amplification factor variation of four types of sites in different depth of the soft interlayer

圖 5 四類(lèi)場(chǎng)地剪切波速變化Fig.5 Shear wave velocity variation of four types of sites in different depth of the soft interlayer

表 1 Ⅰ類(lèi)理想場(chǎng)地Tab.1 The model of type Ⅰ site

表 2 Ⅱ類(lèi)理想場(chǎng)地Tab.2 The model of type Ⅱ site

表 3 Ⅲ類(lèi)理想場(chǎng)地Tab.3 The model of type Ⅲ site

2 不同位置軟弱夾層的影響

軟夾層所產(chǎn)生的放大效應(yīng)以及濾波減震作用已被大家所熟知，本文對(duì)其具體位于土層剖面什么位置，從而產(chǎn)生這兩種相互矛盾的傳播作用進(jìn)行計(jì)算分析。所采用的做法是，將以上所述四類(lèi)理想剖面第一層土層替換為軟土層，隨后將該軟土層逐層下移共形成101個(gè)場(chǎng)地模型，進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，并與理想場(chǎng)地進(jìn)行對(duì)比，分析不同位置軟夾層對(duì)各類(lèi)場(chǎng)地所產(chǎn)生的影響。替換原則：不對(duì)層厚及巖土類(lèi)別作改變，并保持替換后場(chǎng)地類(lèi)別不變。各類(lèi)場(chǎng)地替換層的密度及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 6，剪切波速分別為： Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地138m/s、Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地123m/s、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地105m/s、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地65m/s。

2.1 對(duì)加速度峰值的影響

將各特征周期、強(qiáng)度下三種不同相位地震動(dòng)輸入的結(jié)果進(jìn)行平均，作為該組合下的計(jì)算結(jié)果，按不同強(qiáng)度、特征周期進(jìn)行分組，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，求出各種情況下的加速度峰值。從數(shù)據(jù)上來(lái)看特征周期的增大會(huì)使加速度峰值小幅度增加，遠(yuǎn)不及不同地震動(dòng)強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響，因此對(duì)同一強(qiáng)度下不同特征周期值進(jìn)行平均作為該強(qiáng)度下的反應(yīng)結(jié)果。隨后繪制出各類(lèi)別場(chǎng)地不同強(qiáng)度下地表加速度峰值隨軟夾層位置變化的結(jié)果柱狀圖，由于Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地土層較厚，在不影響分析結(jié)果的前提下僅畫(huà)出部分剖面變化情況如圖 3所示，與理想剖面相比，軟弱夾層的存在改變了場(chǎng)地地震反應(yīng)情況，隨著軟弱夾層位置從上到下逐層變化可以發(fā)現(xiàn)，加速度峰值隨軟夾層層低埋深先變大后減小，變化程度與地震動(dòng)輸入強(qiáng)度成正比。為進(jìn)一步研究軟弱夾層對(duì)場(chǎng)地傳播效應(yīng)的影響，繪制其放大系數(shù)關(guān)系曲線，如圖 4所示，橫坐標(biāo)0～n表示不含軟夾層、軟件層所在土層位置各場(chǎng)地剖面的編號(hào)，縱坐標(biāo)為不同剖面與理想剖面的加速度峰值的比值，大于1表示放大效應(yīng)，小于1表示縮小效應(yīng)。

通過(guò)上述分析可得到以下結(jié)論：

(1)場(chǎng)地的加速度峰值與特征周期、地震動(dòng)強(qiáng)度呈正比。

(2)軟弱夾層對(duì)Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地主要表現(xiàn)為放大，對(duì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地主要表現(xiàn)為減震作用； 當(dāng)軟夾層位于土層底層即地震動(dòng)輸入所在巖土層時(shí)，場(chǎng)地減震作用顯著。

表 5 場(chǎng)地計(jì)算模型的非線性資料Tab.5 Nonlinear data of site calculation model

表 6 四類(lèi)場(chǎng)地軟夾層參數(shù)Tab.6 Parameters of the soft interlayer in four types of sites

(3)不同強(qiáng)度下，軟夾層的存在使各類(lèi)場(chǎng)地首先表現(xiàn)為放大效應(yīng)，并隨著軟夾層的逐層移動(dòng)呈先增大后減小的趨勢(shì)，隨后逐漸變?yōu)榭s小效應(yīng)，于底部最為顯著。其中， Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地當(dāng)軟夾層層底埋深小于5m時(shí)對(duì)場(chǎng)地產(chǎn)生放大作用，大于5m則表現(xiàn)為縮小效應(yīng)； Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地在小、中強(qiáng)度地震動(dòng)輸入下，當(dāng)軟夾層層底埋深小于10m時(shí)為放大作用，大于10m為縮小效應(yīng)，在強(qiáng)地震動(dòng)輸入下，當(dāng)軟夾層層底埋深小于15m時(shí)場(chǎng)地表現(xiàn)為放大效應(yīng)，大于15m有減震的作用。

(4)各強(qiáng)度下各類(lèi)場(chǎng)地的最大放大系數(shù)均在0.1～1.3，也就是說(shuō)軟夾層對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的傳播效應(yīng)具有一定的局限性。

2.2 對(duì)等效剪切波速的影響

雖然將各類(lèi)場(chǎng)地的第一層土層替換后場(chǎng)地類(lèi)別保持不變，但從以上研究可看出隨著軟弱土層的下移地表加速度峰值有相應(yīng)變化，這意味著變化后的場(chǎng)地動(dòng)力學(xué)特性與理想場(chǎng)地有所差異。等效剪切波速作為場(chǎng)地類(lèi)別劃分的重要指標(biāo)，有必要對(duì)該參數(shù)的變化情況進(jìn)行分析，如圖 5所示。

分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，軟夾層的存在使各類(lèi)場(chǎng)地的等效剪切波速值減小，而軟夾層的移動(dòng)僅針對(duì)計(jì)算深度界限上下土層變化的場(chǎng)地產(chǎn)生影響，這表明作為場(chǎng)地代表的等效剪切波速與實(shí)際場(chǎng)地的傳播效應(yīng)不能很好地保持一致，不能反映場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)變化的影響。

3 結(jié)論

軟夾層是場(chǎng)地土層的一種特殊結(jié)構(gòu)，含有軟夾層的場(chǎng)地其土層結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為剪切波速變化不呈傳統(tǒng)意義上的遞增型，在中間土層位置可能夾雜著波速較小的場(chǎng)地土，而軟夾層的存在會(huì)在一定程度上改變場(chǎng)地的動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)而對(duì)地震動(dòng)的傳播效應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。通過(guò)上述研究表明，不同位置的軟夾層對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響不同，但是我們實(shí)際應(yīng)用中劃分場(chǎng)地類(lèi)別所依靠的覆蓋土層厚度、等效剪切波速兩個(gè)指標(biāo)并不能夠反映這一因素的影響，造成對(duì)于工程場(chǎng)地認(rèn)識(shí)不清晰，判斷不準(zhǔn)確。本文針對(duì)采用走時(shí)等效剪切波速和周期等效剪切波速兩種指標(biāo)對(duì)反映不同土層結(jié)構(gòu)變化的情況及靈敏度[17]，表明周期等效剪切波速能比較靈敏地反映出場(chǎng)地土振動(dòng)特性，并給出了基于這一指標(biāo)的場(chǎng)地分類(lèi)界限值，在后續(xù)的研究工作中可進(jìn)一步對(duì)比兩種指標(biāo)的差異性及優(yōu)勢(shì)性，開(kāi)展更為詳細(xì)的討論與研究。

通過(guò)本文計(jì)算分析，可得到如下結(jié)論：

(1)場(chǎng)地的加速度峰值與特征周期、地震動(dòng)強(qiáng)度呈正比，隨之增大而增大。

(2)軟弱夾層對(duì)Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地主要是放大傳遞，對(duì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地則為濾波減震作用。不同強(qiáng)度下，軟夾層使各類(lèi)場(chǎng)地首先表現(xiàn)為放大效應(yīng)，并隨著軟夾層的逐層移動(dòng)呈先增大后減小的趨勢(shì)，隨后逐漸變?yōu)榭s小效應(yīng)，于底部最為顯著。

(3)軟弱夾層對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的傳播能力在某一特定范圍，具有一定的局限性。

(4)軟弱夾層使不同類(lèi)型場(chǎng)地的等效剪切波速值減小，但其位置的變化對(duì)等效剪切波速計(jì)算值不產(chǎn)生影響，即等效剪切波速不能反映土層結(jié)構(gòu)的不同。