軟土對基巖峰值加速度的放大作用

1、第37卷第5期2009年5月同濟大學學報(自然科學版JO URNAL OF TON GJI UNIVERSITY(NATURAL SCIEN CEVol.37No .5 May 2009文章編號:0253-374X(200905-0607-05收稿日期:2008-01-03基金項目:浙江省重點科研社會發(fā)展資助項目(2005C23075作者簡介:劉 崢(1966,男,高級工程師,博士生,主要研究方向為工程地震和巖土工程.E -mail:lz _sh5203沈建文(1946,男,研究員,博士生導師,主要研究方向為工程地震.E -m ail:J ianw ensh en軟土對基巖峰值加速度的放大作用

2、劉 崢1,2,沈建文2,石樹中3,余 湛1(1.同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海 200092; 2.上海市地震局,上海 200062;3.浙江省地震局,浙江杭州 310013摘要:以美國西部地震觀測數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ),分別建立了基巖和深沖積層場地的峰值加速度衰減規(guī)律,探討了深沖積層對基巖峰值加速度的放大作用.結(jié)果表明,美國2003版NEH RP 規(guī)范對D 類和E 類場地的放大作用可能明顯高估.關(guān)鍵詞:地震動;深沖積層;衰減規(guī)律;峰值加速度;放大作用中圖分類號:T V 223.7文獻標識碼:ASoft Soil Amplification of Peak Ground Accelerati

3、onLIU Zheng1,2,SHEN Jianw en 1,SHI Shuzong 3,YU Zhan1(1.State Key Lab orato ry fo r Disa ster Re duction in Civil Enginee ring,TongjiUniv ersity,Shangha i200092,C hina ;2.E arthqua keA dministra tion of Sha nghai Munic ip ality,Sha ngha i 200062,C hina;3.Earthqua ke Administra tio n of Zhejiang Prov

4、ince ,Ha ngzhou 310013,C hina Abstract :Ba sed on the earthquake acc eleration records at deep alluvium sites and rock sites in the Western United States,the attenuation laws of peak ground ac celeration at deep a lluvium sites and rock sites are obtained respectively,and amplifica t ion effects of

5、deep alluvium sites are discussed.The results show that the am plification effects for Site Class D and E are overestimated in the 2003NEHRP.Key wo rds :ground motion;deep alluvium;attenuation law;peak ground acceleration;amplification effect場地類別的差異對峰值加速度或反應(yīng)譜平臺值的影響正逐漸受到工程地震學者的關(guān)注和重視.Boo re 等人利用截止到199

6、2年的美國西部的強震加速度記錄提出了反應(yīng)譜衰減規(guī)律,其中引入以距地表30m 范圍內(nèi)的平均剪切波速作為場地調(diào)整參數(shù)1.但該調(diào)整系數(shù)未考慮當震級和距離不同時,場地條件對峰值加速度的影響,因此不能反映大震級近場地振動對土層造成的非線性影響.隨著強震記錄數(shù)據(jù)的增加和人們對震害認識的不斷加深,工程地震學者們更多地認識了場地類別的差異對峰值加速度或反應(yīng)譜平臺值的影響.美國學者根據(jù)1985年M exico City 和1989年Lo ma Prieta 地震中San Francisco 和Oakland 的軟土震害經(jīng)驗,強調(diào)軟土場地對峰值加速度的放大作用,并以理論計算作為補充,修訂了美國NEH RP 規(guī)范中

7、的地震作用.2003版NEH RP 規(guī)范中提供了場地系數(shù)值,見表1所示2.文獻1中給出周期為0.2s 時反應(yīng)譜的譜值,為便于比較,此處統(tǒng)一將其除以2.50,以大體對應(yīng)峰值加速度.當基巖峰值加速度小于0.10g 時,軟土對基巖峰值加速度有較大的放大作用,E 類場地可放大至2.50倍;隨著基巖地震動的增強,軟土的放大作用減小;當基巖峰值加速度小于0.30g 時,軟土仍起放大峰值加速度的作用.表1 美國2003版NEHRP 規(guī)范場地系數(shù)Tab.1 Co efficient of sites in the United Statesgiven by 2003NEHRP場地類型場地系數(shù)0.10g 0.2

8、0g 0.30g 0.40g 0.50g A 0.800.800.800.800.80B1.00 1.00 1.00 1.00 1.00C 1.20 1.20 1.10l.00 1.00D 1.60 1.40 1.20 1.10 1.00E2.501.701.200.900.90同濟大學學報(自然科學版第37卷在我國,場地的放大系數(shù)問題也是近期研究的熱點.李小軍等基于相關(guān)的強震記錄統(tǒng)計分析和等效線性化波動法的理論計算,給出了場地放大系數(shù)的建議值如表2所示3-4.ÓÔ類場地的軟土對基巖地震動峰值加速度的作用為不放大或減小.表2李小軍給出的我國場地放大系數(shù)的建議值Tab.2Ma

9、gnification factors o f the sites in Chinap ro po sed by LI Xiaoj un場地類別場地放大系數(shù)建議值0.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40gÑ 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00Ò 1.50 1.45 1.40 1.33l.25 1.18Ó 1.00 1.000.900.800.700.60Ô0.800.700.600.550.500.45耿淑偉對美國強震記錄數(shù)據(jù)做了細致的統(tǒng)計分析.按震級、距離進行分組,統(tǒng)計得到場地系數(shù)如表3所示.根據(jù)土層反應(yīng)應(yīng)隨地

10、震動強度的增大而減小的規(guī)律,并參考1997NEHRP規(guī)范,對我國不同土類的場地放大系數(shù)作了較大的調(diào)整.由于資料的限制,Ô類場地的數(shù)據(jù)帶有外推性質(zhì),給出的建議值如表45.表3耿淑偉給出的美國強震記錄場地放大系數(shù)的實際值Tab.3Statistics of magnification facto rs in theUnited States given by GENG Shuwei 場地類型場地放大系數(shù)實際值0.05g0.10g0.15g0.20g0.30gA 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00B 1.90 1.20 1.50 1.500.74C 3.80 1.400.75

11、 1.90D 1.40 1.100.98 1.400.98表4耿淑偉給出的場地放大系數(shù)的建議值Tab.4Amplification facto rs of the sites reco mmended by GENG Shuwei場地類型場地放大系數(shù)建議值0.05g0.10g0.15g0.20g0.25g0.30g0.40gÑ 1.20 1.000.900.900.900.900.90Ò 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00Ó 1.10 1.30 1.20 1.20 1.10 1.00 1.00Ô 1.20 1.40 1.

12、30 1.30 1.20 1.000.90美國2003版NEH RP規(guī)范和李小軍的結(jié)果具有相當?shù)臋?quán)威性,而耿淑偉的結(jié)果從利用資料豐富、分析細致和完成較晚的角度看,也不能忽視.美國規(guī)范中土的分類標準與我國有所區(qū)別,不能一一對應(yīng).從土類的波速標準看,中國的Ó類場地大體介于NEH RP中的D類和E類之間,Ô類土大體為美國的E類土.對比上述結(jié)果仍可以看出,三者差別很大,特別是對于軟土.如我國的Ô類場地對應(yīng)于美國的E類場地,當基巖峰值加速度為0.10g時,兩者差別可達3倍.若按照2003版NEH RP的結(jié)果,則類似上海、溫州等厚沖積層軟土覆蓋地區(qū)設(shè)計地震加速度可能因為場地因

13、素加大1倍,烈度也提高1度.此種情況難以應(yīng)用于實際工程.從上述表中的數(shù)據(jù)可見,美國NEH RP規(guī)范可能由于少數(shù)軟土震害嚴重的震例而高估了軟土對峰值加速度的放大作用,而基于大量強震記錄得到的統(tǒng)計規(guī)律應(yīng)該較為客觀地反映事實.但表3的數(shù)據(jù)波動較大,可能由于資料分組后數(shù)據(jù)仍然不充分,導致結(jié)果不穩(wěn)定或不確定.對于同類場地,隨著基巖加速度輸入的增大,其峰值加速度放大系數(shù)的變化似應(yīng)該大體連續(xù)平滑,表4的數(shù)據(jù)也說明了這一點.筆者認為,若同類場地對基巖地震動參數(shù)的影響是震級和距離的連續(xù)函數(shù),則通過分別建立基巖和該類場地的衰減規(guī)律來討論該類場地的影響,可能比按震級和距離的分組統(tǒng)計、然后再進行人為調(diào)整的方法更為客觀

14、,因為統(tǒng)計有自動平滑作用.實際上,霍俊榮曾用強震記錄分別建立基巖和土層(不分土類的峰值加速度衰減規(guī)律,并對土層(不分土類的放大作用作過簡單的討論6.近20年來,美國西部的強震記錄有了可觀的增加,應(yīng)該可以利用這些資料作深入一步的討論.為了對上述結(jié)果差異較大的軟土放大問題作進一步的討論,筆者基于美國西部20世紀70年代以來地震記錄資料,分別建立同一批地震作用下基巖和厚度大于100m的美國D類深沖積層(deep alluvium場地上峰值加速度的衰減規(guī)律,探討美國深沖積層(大體相當于我國Ó-Ô類場地對基巖峰值加速度的放大作用,以期608第5期劉崢,等:軟土對基巖峰值加速度的放大作

15、用對我國沖積平原厚土層場地放大作用提供參考.1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)1.1基礎(chǔ)資料資料來源于1996年美國出版發(fā)行的一套包括世界上27個國家和地區(qū)的強震記錄的CD光盤,及通過互聯(lián)網(wǎng)獲得的美國強震觀測系統(tǒng)組織協(xié)會(COSM OS數(shù)據(jù)中心提供的強震記錄.美國西部的地理位置大致范圍為:105N b125N b,30W b49W b.選取19712005年所發(fā)生的4.37.5級地震共30次,目錄見表5.其中M s為震級.表5美國西部強震記錄地震目錄Tab.5Earthq uake catalo g in the WesternUnited States地震時間地點緯度/(b經(jīng)度/(bM s/級2005-09-02O

16、bsidian Bu tte33.160-115.637 4.62005-06-16GreaterLos Angeles34.058-117.011 4.32005-06-15Off th e coast ofnorthern California41.328-125.8687.2 2005-06-12Anza33.533-116.578 5.4 2005-04-16M ettler35.027-119.178 4.7 2004-09-28Park field35.815-120.374 6.0 2003-12-22San Simeon35.706-121.102 6.5 2003-02-22

17、Big Bear City34.310-116.848 5.1 2001-10-31Anza33.508-116.514 4.6 2001-02-10Big Bear Lake34.291-116.940 4.6 2000-09-03Yountville38.377-122.414 4.7 1999-10-16H ector M ine34.594-116.2717.2 1994-01-17Northridge34.209-118.541 6.8 1992-06-28Big Bear34.201-116.826 6.6 1992-06-28Landers34.201-116.4367.5 19

18、91-06-28Sierra madre34.259-118.001 5.4 1989-10-18Loma prieta37.040-121.8827.1 1987-11-24Sup erstition hills33.022-115.831 6.6 1987-10-01Wh ittier nar row s34.049-118.081 5.8 1986-07-21Chalfant valley37.538-118.443 6.7 1986-07-08North palm s prings34.000-116.611 6.0 1984-04-24M organ hill37.306-121.6

19、95 6.1 1983-05-02Coalinga36.233-120.310 6.5 1981-04-26Westmorland33.098-115.632 6.0 1980-01-27Liverm ore37.737-121.740 5.8 1980-01-24Liverm ore37.855-121.816 5.5 1979-10-15Imperial valley32.643-115.308 6.9 1979-08-06Coyote lake37.084-121.505 5.7 1978-08-13Santa barbar34.398-119.681 5.6 1971-02-09San

20、 Fernando34.440-118.410 6.5 1.2震級的統(tǒng)一基礎(chǔ)資料中有時同一次地震提供了多種震級數(shù)據(jù),筆者統(tǒng)一使用面波震級M s作為地震動衰減模型的統(tǒng)計參數(shù).地震記錄資料中對于提供M s的采用該震級,對于只提供近震震級M L的,用公式M s= 1. 7M L-4.1換算7.對于只提供矩震級M W的記錄,采用表6的對應(yīng)關(guān)系換算8,中間震級確定時用線性插值確定.表6地震面波震級與矩震級的對應(yīng)關(guān)系Tab.6The relatio nship between seismic surface wave magnitude and moment magnitude面波震級 4.0 5.0 5

21、.5 6.07.08.08.5矩震級 4.7 5.4 5.7 6.1 6.98.19.12經(jīng)驗衰減模型的選取基巖峰值加速度衰減關(guān)系采用目前我國常用的模型8log10Y=C1+C2M-C4log10R+C5exp(C6M式中:Y為峰值加速度,10-2m#s-2;C1,C2,C4,C5, C6為衰減規(guī)律統(tǒng)計的系數(shù);R為震中距,km;M為震級,M=M s.對于土層峰值加速度衰減關(guān)系,已有的土層峰值加速度衰減模型通常是在基巖衰減模型的基礎(chǔ)上增加場地項,相當于對不同土類增加不同的回歸常數(shù)(放大系數(shù),此時式(1不完全適合.實際上,場地影響并非常數(shù),可能與震級、距離有關(guān).若將沉積條件相同的同一類土看成是該基

22、巖場地的一部分時,此時可以用式(1計算該土類的衰減情況.故對于單一土類(深沖積層場地,直接采用式(1計算.土層場地的衰減與基巖相比增加了場地效應(yīng),場地影響的常數(shù)在回歸時通過式(1由C1,C2和C4共同作用體現(xiàn).3統(tǒng)計回歸與比較基巖和土層地震動M-R分檔數(shù)據(jù)分別列于表7和表8.為了消除數(shù)據(jù)分布不均勻帶來的不利影響,使用震級和距離均采用分檔加權(quán)的方案,震級按M=4.0 4.4,4.54.9,5.05.4,5.5 5.9, 6.06.4,6.56.9,7.07.4,7.58.0級分檔;距離按R=010.0,10.130.0,30.160.0, 60.1100.0,100.1300.0km分檔.將含有

23、記錄的各分檔區(qū)間R i,M i賦予等權(quán),處理方法與文獻609同濟大學學報(自然科學版第37卷6相同.表7美國西部深沖積土層地震動M-R分檔數(shù)據(jù)Tab.7Gro und mo tio n M-R sub-file data o n deepalluvial soil in Western United StatesM s/級距離/km010.010.130.030.160.060.1100.0100.0300.04.04.4020004.54.92121012265.05.4063820345.55.92184006.06.4882412106.56.9622326407.07.40481236

24、 7.58.000026表8美國西部基巖地震動M-R分檔數(shù)據(jù)Tab.8Ground motion M-R sub-file data onb edrock in Western United StatesM s/級距離/km010.010.130.030.160.060.1100.0100.0300.04.04.4022004.54.90410625.05.421061045.55.921410206.06.461218406.56.94244820167.07.46121010307.58.000000利用最小二乘回歸方法進行統(tǒng)計,得到美國西部厚度大于100m深的第四系沖積土層與基巖水平加速

25、度的衰減關(guān)系.表9給出了美國西部D類大于100m深沖積層與基巖水平加速度峰值統(tǒng)計回歸結(jié)果,E為回歸標準差.表中可見大于100m深沖積層峰值加速度的標準差較小,說明模型與資料相符較好.相應(yīng)的衰減曲線見圖1 2.表9美國西部深沖積土層與基巖水平加速度衰減關(guān)系系數(shù)Tab.9H o rizontal acceleratio n attenuatio n coefficient for d eep alluvial soil and bedro ck in WesternUnited States地層C1C2C4C5C6E深沖積土層 1.9410.389 1.4500.9500.4310.237基巖 1

26、.7190.486 1.6710.9500.4310. 243圖1美國西部深沖積土層場地水平峰值加速度衰減曲線及觀測資料Fig.1Peak ground acceleration attenuation curves and the ob servation data on deep alluvial soilsites in Western United States圖2美國西部基巖水平峰值加速度衰減曲線及觀測資料Fig.2Peak ground acceleration attenuation curves and the ob served data on bedro ck in Wes

27、ternUnited States從圖3衰減曲線中可以看出,土層的放大效應(yīng)隨震級與距離的組合而發(fā)生變化.對于同樣的基巖峰值加速度,若是由較近、較小的地震引起,則土層的放大作用較大.對某一震級和峰值加速度, 由基巖圖3美國西部深沖積土層與基巖地表峰值加速度衰減曲線Fig.3Attenuation curves of peak ground acceleration on deep alluvial soil and b edrock sites in WesternUnited States610第5期劉 崢,等:軟土對基巖峰值加速度的放大作用峰值加速度衰減公式(1可計算出震中距,再由震級和震中

28、距根據(jù)沖積土層場地衰減關(guān)系計算得地表峰值加速度,比較地表和基巖峰值加速度得到放大倍數(shù),結(jié)果見表10,其中M 為5,6,7,8級對應(yīng)的基巖峰值加速度平均值.從表10可見,平均而言,對于較弱的地震動,深厚沖積土層起放大作用,但不如2003版NEH RP 規(guī)范給出的D 類場地的系數(shù)大.基巖峰值加速度為0.025g 時,放大系數(shù)平均為1.16.由于軟土的非線性作用,隨著基巖地震動的增大,放大系數(shù)逐漸降低,至0.400g 時的系數(shù)降至0.76.表10 深沖積層場地對基巖峰值加速度的放大倍數(shù)Tab .10 Magnification of peak bedro ck acceleratio n o n d

29、eep alluvium sitesM s /級基巖峰值加速度放大倍數(shù)0.025g 0.050g 0.100g 0.150g 0.200g 0.300g 0.400g 5 1.31 1.18 1.06 1.000.960.900.866 1.20 1.080.970.920.880.820.797 1.100.990.890.840.800.750.728 1.010.910.820.770.740.690.66M /級1.161.040.940.890.840.790.764 結(jié)論和討論(1從表9的結(jié)果可見,對于相同的基巖峰值加速度,深沖積土層場地峰值加速度的放大系數(shù)隨相應(yīng)震級及距離的變化而

30、不相同.由較近、較小地震產(chǎn)生的基巖地震動,峰值加速度的放大作用較大.在確定某些特定城市或場地的地震動參數(shù)時,有可能需針對特定的地震環(huán)境,根據(jù)設(shè)定地震的震級-距離的不同組合,來估計場地的放大系數(shù).(2比較表10和表14中的D 類和ÓÔ類場地可見,對于中軟軟弱場地土,2003版NEH RP 規(guī)范基巖峰值加速度的放大系數(shù)最大,耿淑偉的結(jié)果其次,李小軍的結(jié)果最小.本文的結(jié)果比李小軍Ó類場地的結(jié)果略大.若以本文的結(jié)果為標準,則2003版NEH RP 規(guī)范中對軟土低地震動的強放大系數(shù)的設(shè)定明顯偏于保守,其原因可能是受部分軟土震害嚴重的震例的影響.(3若美國深沖積層場地介于我國

31、ÓÔ類場地之間,則表2中Ô類場地的放大系數(shù)偏低,原因可能由等效線性化方法引起.本文得到的結(jié)果與李小軍在文獻3中的討論是一致的.李小軍在文獻3中指出,等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法會增大非線性計算效應(yīng).應(yīng)進一步探討土體非線性對地震動特性的影響問題,以給出更合理的經(jīng)驗關(guān)系.利用時域直接非線性積分方法并結(jié)合對實際地震記錄資料的統(tǒng)計分析,將是解決該問題的有效途徑.由于我國缺少Ô類場地的強震記錄,沒有足夠的資料作統(tǒng)計分析,不得已用美國深沖積層D 類土資料來討論軟土的放大作用.故結(jié)論有待更多資料的檢驗和充實.參考文獻:1 Boore D M ,J oyn er W

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