軟夾層的厚度對土層地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響

1、軟夾層的厚度對土層地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響摘要本文以某工程的一場地為原型，對軟夾層的厚度對軟土場地地震 效應(yīng)的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。為了分析軟弱夾層的厚度對地表地震動(dòng) 參數(shù)的影響，分別對原剖面進(jìn)行了以下處理，軟弱夾層的厚度設(shè)置成 3、5、9米，構(gòu)造了3個(gè)剖面。利用程序RsleibmM不同的構(gòu)造剖面、 不同的輸入地震波時(shí)程及不同的峰值加速度水平，進(jìn)行了場地地震反 應(yīng)分析，探討軟夾層對地震動(dòng)峰值加速度的影響、反應(yīng)譜最大值以及 反應(yīng)譜最大值所對應(yīng)的周期的影響、特征周期的影響等。關(guān)鍵詞：地震動(dòng)軟夾層地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜目錄 TOC o 1-5 h z 前言 2 HYPERLINK l bookmark2

2、0 o Current Document 一、場地對地震動(dòng)的影響2 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 二、一維地震反應(yīng)分析方法 4 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 三、人工合成地震動(dòng)輸入時(shí)程7 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 四、某場地地層分布情況以及工程概況8 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 五、模型的設(shè)計(jì)與計(jì)算95.1模型設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark71 o Curr

3、ent Document 模型I9 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5.1.2.計(jì)算過程105.2模型設(shè)計(jì).11 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 模型II115.2.2計(jì)算過程125.3模型設(shè)計(jì).13 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 模型III135.3.2計(jì)算過程145.4結(jié)果的比較與分析155.4.1峰值加速度的比較155.4.2反應(yīng)譜最大值的比較165.4.3特征周期的比較16 HYPERLINK l bookmark125 o C

4、urrent Document 六、結(jié)論 16 HYPERLINK l bookmark129 o Current Document 七、致謝17參考文獻(xiàn)17刖言近年來，場地條件對地震地面運(yùn)動(dòng)的影響已引起了人們的重視，并在此方面 進(jìn)行了諸多研究。江河下游地區(qū)或沿海地區(qū)多是深厚軟弱的沉積層，由于形成年 代與成因類型的差異，各土層的動(dòng)力特性也表現(xiàn)出明顯的不均勻性，層狀構(gòu)造較 為顯著。土層結(jié)構(gòu)對場地地震效應(yīng)有很大的影響，很多研究人員在此方面進(jìn)行了 研究工作。在軟土地區(qū)，軟弱土層所處土層位置和厚度的不同都可能對場地地震效應(yīng)產(chǎn) 生影響。當(dāng)軟弱土層位于地表時(shí)，對地表地震動(dòng)有著顯著的影響。對三種不同覆 蓋層

5、厚度（3m，5m，9m）的場地，較為系統(tǒng)地討論了軟弱表層厚度以及輸入的地震 動(dòng)強(qiáng)度對地表加速度峰值A(chǔ)和放大系數(shù)A的影響。當(dāng)軟弱土層位于土層內(nèi)部，也 就是含軟土夾層場地的地震效應(yīng)也有不少工程地震科研者進(jìn)行過研究川，這些 研究主要指出此類場地的地震地面運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)重要特征：一是地面加速度放大作 用被削弱，而削弱程度與軟土層的剪切波速、波阻抗、軟夾層厚度及埋深有關(guān)； 二是地面加速度反應(yīng)譜曲線呈現(xiàn)出雙峰特征。本文將著重研究軟弱表層土厚度和 軟弱夾層土埋深對深厚軟弱場地地表地震動(dòng)參數(shù)的影響。一、場地對地震動(dòng)的影響地球地表及近地表的介質(zhì)十分復(fù)雜，地球表面的局部場地地形和覆蓋 土層情況千差萬別，從而形成了地球

6、表面的局部場地條件。局部場地條件包括局 部場地地形條件和覆蓋土層條件。局部地形條件指場地自由地表的地形變化和覆 蓋土層下臥基巖面的地形變化情況，覆蓋土層條件包括場地局部范圍內(nèi)土層的豎 向變化和水平向變化情況。地震發(fā)生時(shí)，地震波從震源體發(fā)出經(jīng)地殼介質(zhì)傳播全 地球表面，引起地球表面局部場地震動(dòng)，即場地地震動(dòng)。場地地震動(dòng)包括人們關(guān) 心的場地范圍內(nèi)的自由地表處及工程建設(shè)所要求深度處的地震動(dòng)。地震動(dòng)時(shí)程是 地震動(dòng)的直接描述量，但工程中常利用地震動(dòng)的一些特征參數(shù)來描述地震動(dòng)，以 反映地震動(dòng)的主要特性，這些參數(shù)包括地震動(dòng)的峰值（峰值加速度、峰值速度及 峰值位移）、加速度反應(yīng)譜和持續(xù)時(shí)間等。場地地震動(dòng)的特性與

7、地震震源特性、地震波從震源傳播全場地的途徑及介質(zhì) 性質(zhì)有關(guān)，特別是它還與地球近地表的局部場地條件有關(guān)。局部場地條件對地震 動(dòng)的影響不僅體現(xiàn)在場地土層介質(zhì)空間分布不均勻性的影響方面，同時(shí)還包括場 地土層介質(zhì)動(dòng)力特性變化的影響，也就是場地土體動(dòng)力非線性特性的影響。局部場地條件對地震波的傳播有較大影響，它表現(xiàn)為對場地地震動(dòng)的放大或 縮小，并直接影響到地震災(zāi)害程度的分布。震害現(xiàn)象分析和理論研究結(jié)果表明， 場地條件對地震動(dòng)的影響不僅僅表現(xiàn)在地震動(dòng)幅值（如地震動(dòng)峰值加速度）的變 化上，而且還表現(xiàn)在地震動(dòng)頻譜特性的變化上。場地地震動(dòng)參數(shù)確定中，通常首 先考慮地震震源特性及波傳播途徑對地震動(dòng)的影響，而后在此基

8、礎(chǔ)上考慮局部場 地條件對地震動(dòng)的影響。在工程中，場地的大小隨研究區(qū)域或工程項(xiàng)目而定，大體相當(dāng)于單項(xiàng)工程所 在地、街區(qū)或自然村的范圍。地震小區(qū)劃以城鎮(zhèn)、縣城、廠礦為工作范圍，其范 圍內(nèi)可能包括不同類別的場地。場地和地殼介質(zhì)之間的界線并不明確，大多數(shù)研 究以不存在工程結(jié)構(gòu)、地形起伏、深基礎(chǔ)等影響的平整基巖面為界，亦工程基巖 面。場地以工程基巖面以上的水平或起伏的土層為主，有時(shí)也包括起伏的基巖。 由于部分場地的埋伏基巖因風(fēng)化層厚或其他原因不易確定，可以用波速超過一定 數(shù)值的層面（如500m/s或700m/s）為工程基巖面。在地震危險(xiǎn)性分析和確定設(shè)計(jì)地震動(dòng)中，一般都是先確定基巖面的地震動(dòng)， 然后考慮土

9、層反應(yīng)的影響。地面破壞也集中在地表及淺層，因此場地條件指局部 的地質(zhì)構(gòu)造和地基特性，包括近地表幾十米至上百米內(nèi)的地基巖土結(jié)構(gòu)和特性、 地形地貌、淺表斷層、地下水等工程地質(zhì)要素。這些因素對地震動(dòng)和地面破壞有 強(qiáng)烈的影響，對結(jié)構(gòu)抗震有至關(guān)重要的作用。土層中軟夾層可能有隔震作用。1976年唐山地震，唐山市區(qū)達(dá)到X-XI度，但市區(qū)北部和東部陡河沿岸地區(qū)出現(xiàn)低破壞區(qū)帶。河兩岸300-400m范圍內(nèi)多層 磚房一般裂而未倒，墻體開裂顯示地基失效的破壞特征。此處地下3-5m深處有 淤泥質(zhì)粘土層，厚1-3m最厚達(dá)5m。本文僅針對軟夾層厚度對土層地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響。二、一維地震反應(yīng)分析方法對于水平成層模型，假

10、設(shè)基巖地震波垂直入射，則土層中同一平面內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn) 動(dòng)相同，只需要一個(gè)垂直坐標(biāo)Z表示，地震反應(yīng)是一維波動(dòng)現(xiàn)象。橫向非均勻變 化場地要考慮界面和巖土特性隨空間的變化，求解是二維或是三維波動(dòng)問題。先看線性彈性土層地震反應(yīng)，設(shè)平面波入射到平面界面上，反射波和透射 波與入射波的關(guān)系。假定是諧波入射。 TOC o 1-5 h z U=Esinw(t+ - )( 1)C反射波和透射波也一定是相同頻率，相同波速的諧波：反射波：Ur=Fsinw(t-);透射波：Ut=E sinw(t+ - )(2)cc注意反射波的小括號中辯負(fù)號，表示向下傳播：投射波的波速變位c ，表示進(jìn)入 另一個(gè)介質(zhì)。現(xiàn)在的問題是由振幅E確定反

11、射波振幅F和透射波振幅E .兩個(gè)未 知數(shù)，需要兩個(gè)定解條件，即位移和應(yīng)力連續(xù)。U+Ur=Ut T+Tt=Tt應(yīng)力等于剛度乘應(yīng)變T =日蟲d -因?yàn)槭羌羟胁ǎ杂眉羟袆偠菻，又因?yàn)槭且痪S平面波，只有一個(gè)坐標(biāo)Z，應(yīng)變等于位移除以長度。帶入求解得到：F= HE， E =E，1 + a1 + a一 一 式中a =官稱為波阻抗比。PC對于N層土層，在每個(gè)分界面上，有很多來回的反射波和透射波，因?yàn)槭侵C波，總可以合并成上行波和下行波，由此可由簡單的兩層推廣到多層土。對于某一個(gè)界面來說，可以得到界面上下兩側(cè)波幅系數(shù)的關(guān)系:EIF1 + a 1 a-總可以合并成上行波和下行波，由此可由簡單的兩層推廣到多層土。

12、對于某一個(gè)界面來說，可以得到界面上下兩側(cè)波幅系數(shù)的關(guān)系:EIF1 + a 1 a-E-1 a 1 + a F 22這是重要的關(guān)系式，連接土層界面上下波幅的關(guān)系。由此可以一層套一層連接起來，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)換矩陣表示鄰層振幅的遞推關(guān)系:H = T H , n = 1,2,3N=1（3）式中：Hn=En,Fn為第n層的波幅矢量。轉(zhuǎn)換矩陣Tn為：1 + a1 an sin( KnHn )n sin( 一 k h )W sin( k h )j2 n n 2sin( 一 k h )（4）式中：a =-n一1Hn為第N層的厚度；Kn=W/Cn為第N層的波數(shù)。由此可推得頂層與任一層間的波幅轉(zhuǎn)換關(guān)系：H = T nH

13、 1（5）式中：T稱為傳遞矩陣：T n式中：T稱為傳遞矩陣：T n傳遞矩陣只與土層的厚度=T . T .T = 111n-12 1 t12密度和波速有關(guān)，12 :t22與輸入無關(guān)。帶入地表應(yīng)力為(6)零的邊界條件E1=F1,于是可得：En = enE 1（7）Fn = V1式中：e = t + t ; f =t +t。由此可得到地表地震動(dòng)向基巖內(nèi)反射波與基巖n 1211 n 2122地震動(dòng)波幅為間的轉(zhuǎn)換關(guān)系:1E = E(8)1 e N(8)n將基巖的暫態(tài)輸入通過傅立葉變換展開成諧波，得到每個(gè)諧波的穩(wěn)態(tài)解后，再經(jīng)過傅 立葉反變換就得到地表或任意一層的地震動(dòng)。注意如果用基巖表面的地震動(dòng)為輸入時(shí)，

14、考慮 地表的放大作用，可減半作為埋伏基巖的輸入。地震動(dòng)的時(shí)程的離散化使得計(jì)算結(jié)果在有限 頻段內(nèi)有效，低頻截止頻率為fc = 1/T，高頻截止頻率為f = 1/2At.本文使用的是場地地震反應(yīng)的一維模型分析方法，計(jì)算流程如圖2-1:輸入計(jì)算控制數(shù)據(jù)、土層剖面資料、加速度時(shí)程計(jì)算輸入加速度時(shí)程的傅氏譜對輸入自然土層剖面進(jìn)行計(jì)算分層非線性關(guān)系數(shù)據(jù)，并計(jì)算初始等效波速值計(jì)算并輸入加速度時(shí)程、反應(yīng)譜及其他量圖2-1.場地地震反應(yīng)的一維模型分析方法三、人工合成地震動(dòng)輸入時(shí)程本論文以防災(zāi)科技學(xué)院工程地震實(shí)訓(xùn)中心工程場地地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，利 用saw程序，改便隨機(jī)數(shù)人工合成3條地震動(dòng)時(shí)程，結(jié)果如下：圖3-1

15、圖3-21 Li idii n1Ihi 認(rèn)11. JiLifflSHTllil.ilMMiILMI JI Ml M1噂肺UWK岫1圳瞄lIM帥111.服瞄岫y f1 i|r|i| 叫叩niTip I y人工合成地震動(dòng)時(shí)程曲線51015303540452025時(shí)間（s）0.30.2)0.1(0度-0.1加-0.2-0.3-0.40.43 2 10 10。00-0.2人工合成地震動(dòng)時(shí)程曲線hul ilL J IlH IlL 11 1 Ji I Li 1 Illi ill . IRF1刪丁叩,枷仰Tffl0.43 2 10 10。00-0.2人工合成地震動(dòng)時(shí)程曲線hul ilL J IlH IlL

16、11 1 Ji I Li 1 Illi ill . IRF1刪丁叩,枷仰Tffl帥伽IT.W岫帆仙仙山皿hLl圳皿瞄岫-0.30510152025時(shí)間（s）30354045四、某場地地層分布情況以及工程概況地層分布情況:本文選取了有代表性的某場地同一深度處，不同厚度軟弱層。在底下6m處分別向下取，3m、5m、9m的軟弱層。雜填土 厚度0.5m ,剪切波速170.4m/s ,密度1.8 g/cm3 :粉質(zhì)粘土厚度1.5m ,剪切波速188.3 m/s，密度1.96 g/cm3粉質(zhì)粘土厚度2.0m ,剪切波速206.1 m/s ,密度1.96 g/cm3粉質(zhì)粘土厚度2.0m ,剪切波速225.4

17、m/s ,密度1.96 g/cm3粘土 厚度2.0m，剪切波速277.8 m/s，密度1.99 g/cm3粘土 厚度2.0m ,剪切波速287.5 m/s ,密度1.99 g/cm3密實(shí)砂土 厚度2.0m ,剪切波速336.2 m/s ,密度2.01 g/cm3密實(shí)砂土 厚度2.0m ,剪切波速354.6 m/s ,密度2.01 g/cm3密實(shí)砂土 厚度2.0m ,剪切波速396.7 m/s ,密度2.01 g/cm3中風(fēng)化花崗巖 厚度2.0m ,剪切波速444.3 m/s ,密度2.05 g/cm3中風(fēng)化花崗巖 厚度2.0m ,剪切波速472.0 m/s ,密度2.05g/com3基巖 厚度

18、2.0m ,剪切波速528.9 m/s ,密度2.20 g/cm3場地土層剖面資料 表4-1深度（米）波速（米/秒）深度（米）波速（米/秒）0.5170.412336.22188.314354.64206.116396.76225.418444.38277.820472.010287.522528.9五、模型的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1模型設(shè)計(jì)5.1.1模型I為了研究軟夾層的厚度對土層加速度反應(yīng)峰值A(chǔ)max及其反應(yīng)譜最大值Smax, 速度最大值Vmax，深度Dmax的影響，以上述場地為研究對象，將剪切波速為 129.1m/s，密度為18. 1g/m3，厚度為3米的淤泥質(zhì)粘土層替換場地剖面位置處 的土層。

19、表5-2分層序號巖土類型剪切波速（m/s）分層厚度（m）密度(g/cm3 )土動(dòng)力學(xué)參數(shù)序號1雜填土170.40.51.8012粉質(zhì)粘土188.31.51.9623粉質(zhì)粘土206.12.01.9624粉質(zhì)粘土225.42.01.9625淤泥粉質(zhì)粘土129.13.01.8136粘土287.51.01.9947密實(shí)砂土336.22.02.0158密實(shí)砂土354.62.02.0159密實(shí)砂土396.72.02.01510中風(fēng)化花崗巖444.32.02.05611中風(fēng)化花崗巖472.02.02.05612基巖528.92.02.207備注：第五層為軟弱夾層圖5.1.2 .計(jì)算過程(1)通過程序(RTE

20、LTR)進(jìn)行計(jì)算，得出輸出文件Res-1，Res-2，Res-3，將 三個(gè)文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel畫圖得出結(jié)果如下圖圖5-1:軟夾層對反應(yīng)譜譜值的影響(2)通過執(zhí)行程序(Rsleibm)得出五個(gè)輸出文件rtel1，rtel2，rtel3， rtel4，rtel5，經(jīng)過查找文件內(nèi)容得出Amax， Vmax， Dmax的最值，列表如下表5-3時(shí)程AmaxVmaxDmax10.14750.020660.0102620.14730.028150.00890330.16640.024960.01696平均值0.1537330.024590.012041(3)根據(jù)公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可

21、根據(jù)表5-3得到卓越周期的值Tg=4.44*0.02459/0.15373=0.71020365.2模型設(shè)計(jì)5.2.1 模型II為了研究軟夾層的厚度對土層加速度反應(yīng)峰值A(chǔ)max及其反應(yīng)譜最大值Smax, 速度最大值Vmax，深度Dmax的影響，以上述場地為研究對象，將剪切波速為 129.1m/s，密度為18. 1g/m3，厚度為5米的淤泥質(zhì)粘土層替換場地剖面位置處 的土層。表5-4分層序號巖土類型剪切波速(m/s)分層厚度(m)密度(g/cm3 )土動(dòng)力學(xué)參數(shù)序號1雜填土170.40.51.8012粉質(zhì)粘土188.31.51.9623粉質(zhì)粘土206.12.01.9624粉質(zhì)粘土225.42.0

22、1.9625淤泥粉質(zhì)粘土129.15.01.8136密實(shí)砂土336.21.02.0157密實(shí)砂土354.62.02.0158密實(shí)砂土396.72.02.0159中風(fēng)化花崗巖444.32.02.05610中風(fēng)化花崗巖472.02.02.05611基巖528.92.02.207備注：第五層為軟弱夾層圖5.2.2計(jì)算過程1）通過程序（RTELTR）進(jìn)行計(jì)算，得出輸出文件Res-1，Res-2，Res-3，將三個(gè)文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel畫圖得出結(jié)果如下圖圖5-2:軟夾層對反應(yīng)譜譜值的影響反應(yīng)譜曲線0.50.4值0.3曰0.20.1時(shí)程時(shí)程0.010.11101000.4值0.3曰0.20.1時(shí)程時(shí)程0

23、.010.1110100周期T/s（2）通過執(zhí)行程序（Rsleibm）得出五個(gè)輸出文件rtell，rtel2，rtel3， rtel4，rtel5，經(jīng)過查找文件內(nèi)容得出Amax， Vmax， Dmax的最值，列表如下表5-5時(shí)程AmaxVmaxDmax10.11660.021270.0110720.11180.02390.00954430.15450.026830.01739平均值0.1276330.0240.012668（3）根據(jù)公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根據(jù)表5-5得到卓越周期的值Tg=4.44*0.024/0.0499=2.135470945.3模型設(shè)計(jì)5.3.1 模型I

24、II為了研究軟夾層的厚度對土層加速度反應(yīng)峰值A(chǔ)max及其反應(yīng)譜最大值Smax, 速度最大值Vmax，深度Dmax的影響，以上述場地為研究對象，將剪切波速為 129.1m/s，密度為18. 1g/m3，厚度為9米的淤泥質(zhì)粘土層替換場地剖面位置處 的土層。表5-6分層序號巖土類型剪切波速(m/s)分層厚度(m)密度(g/cm3 )土動(dòng)力學(xué)參數(shù)序號1雜填土170.40.51.8012粉質(zhì)粘土188.31.51.9623粉質(zhì)粘土206.12.01.9624粉質(zhì)粘土225.42.01.9625淤泥粉質(zhì)粘土129.19.01.8136密實(shí)砂土396.71.02.0157中風(fēng)化花崗巖444.32.02.05

25、68中風(fēng)化花崗巖472.02.02.0569基巖528.92.02.207備注：第五層為軟弱夾層圖5.3.2計(jì)算過程1）通過程序（RTELTR）進(jìn)行計(jì)算，得出輸出文件Res-1, Res-2, Res-3，將三 個(gè)文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel畫圖得出結(jié)果如下圖圖5-3 :軟夾層對反應(yīng)譜譜值的影響（2）通過執(zhí)行程序（Rsleibm）得出五個(gè)輸出文件rtell，rtel2，rtel3， rtel4，rtel5， 經(jīng)過查找文件內(nèi)容得出Amax， Vmax， Dmax的最值，列表如下表5-7時(shí)程AmaxVmaxDmax10.095540.023460.0116620.086820.018520.0104730.10070.020880.01709平均值0.0943530.0209530.013073（3）根據(jù)公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根據(jù)表5-7得到卓越周期的值Tg=4.44*0.020953/0.03066=3.034289635.4結(jié)果的比較與分析5.4.1峰值加速度的比較通過對表5-3，5-5,5-7,的比較，得到表5-8表5-8厚度（m）AmaxVmaxDmax3米0.1537330.024590.0120415米0.1276330.0240.0126689米0.0943530.0209530.0130735.4.2反