高烈度山區復雜場地環境地震響應研究

黃泰烈,朱 敏,陳克堅,王玉玨,曹凌飛,申愛國

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031；2.西南交通大學,成都 610081)

地殼運動使內陸板塊之間相互擠壓，結果造成了規模不等的斷層，其中一些深大活動斷層往往成為孕育大地震的溫床。縱觀我國近100年地震歷史，很多具有極大破壞性的地震就是在這樣的環境中發生的[1-2]，汶川8級地震是其中的一個典型代表[3]。“5.12”汶川8級地震，震區寶成、德天、成汶、廣岳等多條鐵路受到不同程度的損壞。寶成、德天、成汶鐵路幾天內就修復通車，廣岳鐵路廣漢—木瓜坪段破壞嚴重，32 d后才修復通車，震中附近的映秀—汶川公路幾乎全部被損毀，同時由于崩塌、落石、滑坡、泥石流等次生災害使之修復困難，部分地段臨時搶通，很快又因余震及次生災害而斷道[4]。從艱險山區鐵路、公路等建筑物搶修情況看，橋梁、隧道等建筑物因建造的場地不同，損毀的程度差別也較大。大量震害資料的統計也顯示，在地形起伏較大的山區，房屋、道路、橋梁、隧道等建筑物平均震害程度往往要重于地形較為平緩的地區[5]。同樣在山區，在地形地貌特征不同的情況下，相同的建筑也會顯示出不同的震害程度[6]。

汶川地震的巨大破壞使得人們再一次深刻認識到地震對于交通網絡造成的威脅。特別是建設在高烈度艱險山區的公路和鐵路橋梁，如何避免或減少地震時的毀壞，除了在結構上采取防落梁等防震措施以及進行支承連接件設計、橋梁結構包括延性設計等抗震設計外[7-9]，還應重視橋梁的總體設計，即結合橋梁附近的地形、地貌、地質等場地環境特點選擇合適的橋位、橋型和跨度，提高山區惡劣環境中橋梁結構抗震安全性。目前我國現行的《鐵路抗震設計規范》、《公路抗震設計規范》等有關抗震規范僅考慮了基于地質特性的場地對地震烈度的影響，均未考慮地形和地質等場地環境對地震烈度的影響。《工程場地地震安全性評價》在地震危險性分析中，要求結合地質特征、歷史地震活動規律以及地形條件等，對工程壽命期內場地可能遭遇到最大的地震破壞程度進行預測，并提出了分析方法[12]。但未系統地對山區典型場地的地震響應開展分析。有些科研人員針對山區震害異常現象與山區地形特征之間的關系展開了一些研究，本文的研究工作也是在這個方面進行的一次新的嘗試。本研究的特點在于針對不同特征的山區典型地形建立三維有限元模型、模擬山區多種特征地形場地、系統進行地震響應分析，分析場地環境對地震激勵影響的機理。

1 場地環境及研究方法

1.1 場地環境

指艱險山區中以地形地貌和表層覆蓋土為主要特征的局部地址環境，在場地環境這個概念里，“場地”隱含著局部、局限、規模較小的意思，適用于某一項工程的建設，而“環境”則隱含著場地周圍的各類地形地貌、各種厚度和分布形態的覆蓋土層、地震斷層以及它們的組合。歸納起來，山區典型的場地環境如下。

場地環境一：局部盆狀沉積場地；

場地環境二：傾斜巖面上覆軟弱沉積層；

場地環境三：山前孤突山包；

場地環境四：峽谷；

場地環境五：山區凹凸坡面地形。

1.2 研究方法

針對山區典型的5種場地環境，利用三維有限元方法建立三維模型。采用ALGOR分析軟件和Midas/FEA分析模塊，對其在地震作用下的特殊地震效應進行時程分析[10-11]。時程分析所采用的地震波分別為汶川地震廣元曾家鎮地震記錄(圖1、圖2)和美國EL Centro地震記錄(圖3、圖4)。

圖1 汶川地震廣元曾家鎮地震記錄

圖2 汶川曾家鎮地震記錄的加速度頻率特性

圖3 美國EL Centro地震記錄

圖4 EL Centro地震記錄的頻率特性

在建模過程中，考慮在彈性范圍內，當邊界范圍取的足夠大時，采用任何一種邊界條件都可以得到滿意的結果。因此模型單元邊界均采用自由邊界，底部采用剛性約束。在劃分有限元網格時，單元的豎向尺寸一般要滿足下述要求：L豎向≤nλ，式中，L豎向為單元豎向尺寸；λ為輸入地震波在該土層中向上傳播的最小波長，根據有關研究n一般取1/8或1/16，也就是認為單元的豎向尺寸小到足以采集最小波長1/8或1/16點處的數據時，就近似認為能夠描述所輸入的波在土層中沿豎向的傳播過程[12-13]。

2 各類場地環境地震效應

限于篇幅，本文就場地環境一(局部盆狀沉積場地)和場地環境四(峽谷)兩種場地環境對地震激勵的影響機理作較詳細論述。

2.1 場地環境一(局部盆狀沉積場地)的地震效應研究

局部盆狀沉積場地，即盆狀凹陷地形是一種工程中很常見的場地，這種場地對地震反應的影響早已被受關注。1985年9月19日墨西哥地震，墨西哥城出現了嚴重的震害，就是由于該城市坐落在一個很深的沉積盆地上，長周期地震波與那里橫縱向非均勻的場地介質相互作用而使得長周期地震動成分得到顯著放大，而且強震持時加長。

為比較分析這種場地土層地震特性，分別擬定寬深不同的盆狀凹陷場地模型，建立3個模型進行對比分析，這3個模型分別為：模型A-1、模型A-2、模型A-3。

模型A-1：長度為300 m，寬度為150 m，厚度為50 m，凹陷區域寬度30 m，深度15 m；

模型A-2：長度為300 m，寬度為200 m，厚度為50 m，凹陷區域寬度60 m，深度15 m；

模型A-3：長度為1900 m，寬度為1000 m，厚度為360 m，凹陷區域寬度900 m，深度150 m。

圖5 模型A-3及地表研究點

在上述3個模型的基礎上，進行地震響應計算，輸入圖1和圖2所示的地震波，得到地表各點關于位移和加速度的地震響應過程。模型A-3及地表研究點見圖5，本文僅列出模型A-3位移和加速度的地震響應情況，詳見圖6。

圖6 縱向對稱軸上地震位移和地震加速度最大值分布情況

2.2 計算結果分析

從以上有關圖可以看到，通過對于局部盆狀沉積場地3個模型(A-1、A-2、A-3)的地震響應模擬分析，獲得了大量有關盆地周圍及盆地內部地震響應(包括地表位移、地表加速度和相應的頻譜)的計算數據，整理有關數據可繪制成圖。本文就A-3縱向對稱軸上地震位移和地震加速度最大值數值進行整理繪制(圖6)，從圖6可以看到地震位移和地震加速度最大值分布情況。因此，對A-1、A-2、A-3模型計算數據及圖進行對比分析之后，得到如下結論。

(1)當盆狀沉積的深度和體橫向尺度增加時，盆狀沉積區域中部的地震反應有明顯增大趨勢。

(2)將盆地內部與盆地邊緣地區的地震反應進行比較可以看到，盆狀沉積中心附近的地震反應(包括地表位移和地表加速度)明顯強于周圍場地的地震反應，這說明盆狀沉積軟弱土層對地震動具有明顯的局部放大作用。

(3)通過盆地中心及周圍代表點的地表地震加速度時程頻域分析可以看到，盆地中心一帶的地表加速度頻率成分較為豐富，因此，更容易對建造在盆地之上的結構物造成損害。

(4)雖然3個模型中的盆狀沉積區域參數有很大差異，但頻譜分析的結果都顯示出相同特征，即無論地表位移響應還是地表加速度響應的頻率成分都主要集中在3Hz以下的范圍，這反映出場地本身的地震響應特征不會隨地震輸入的條件變化而改變。

2.3 場地環境四(峽谷)的地震效應研究

深切峽谷地形通常出現在高原地區或山區，目前，我國修建于深切峽谷之上的大跨度橋梁已經很多，如跨越貴州北盤江大峽谷的公路大橋和水柏鐵路大橋以及貴州壩陵河大橋(圖7)。

圖7 貴州水柏鐵路北盤江大橋和壩陵河大橋

(1)3種峽谷模型

從峽谷地形、地貌情況看，峽谷有圓弧底、深切峽谷和寬大峽谷3種地形情況，針對其特點，建立相應3種計算模型，稱之為峽谷模型D-1、峽谷模型D-2和峽谷模型D-3，本文僅列出寬大峽谷地形，即模型D-3(圖8)。

圖8 峽谷模型D-3以及設想的3類大跨度橋梁(單位：m)

(2)3種峽谷模型在地震作用下的地表位移和加速度響應

分別對峽谷模型D-1、D-2和D-3，這3種模型開展地震響應分析，輸入圖1和圖2所示的地震波，得到地表各點關于位移和加速度的地震響應過程。本文僅列出寬大峽谷(模型D-3)位移和加速度的地震響應情況，詳見圖9、圖10。

圖9 兩種地震輸入下6條等高線各點加速度響應

圖10 6條等高線上各點的加速度頻譜圖

(3)計算結果分析

通過對峽谷模型D-1、D-2和D-3的地震響應模擬分析，獲得了大量有關峽谷地震響應(包括地表位移、地表加速度和相應的頻譜)的計算數據。整理有關數據可繪制成圖。本文列出了D-3模型中6條等高線上各個點地震加速度響應和頻譜圖(如圖9、圖10)，從圖9、10可以看到地震時地表各點加速度最大值分布和頻譜特性。因此，對D-1、D-2、D-3模型計算數據及圖進行對比分析之后，得到如下結論。

①峽谷的頂端、崖壁或山坡面及峽谷底部的地震位移最大值和地震加速度最大值主要由該點位的高度所決定，峽谷頂部的地震位移和地震加速度要比峽谷底部大很多。因此在這種地形中修建橋梁時，當橋墩基礎的高程具有明顯差異時，將造成不同橋墩產生不同強度的響應，因此，既有可能造成不同橋墩出現不同程度的破壞，也有可能因為各個橋墩的墩頂位移不一致而導致梁體墜落。

②3個模型給出的峽谷頂部、崖壁上或陡坡坡面處以及峽谷底部的位移時程和加速度時程的頻譜存在較大的差異。但從分析結果可以看到，3個峽谷模型峽口一帶的地震響應在1～4 Hz會出現明顯的放大效應。因而在峽谷上進行大跨度橋梁設計時，應當合理提高大跨度橋梁的抗震設防水平，從而提高大跨度橋梁的抗震安全性。

3 場地環境地震響應特點和抗震設計建議

3.1 場地環境地震響應特點

通過山區典型5類場地環境三維模型的地震響應模擬分析，得到了一系列有關地震位移、地震加速度以及頻譜分布方面的計算成果，將成果中各類場地環境的頻譜分布匯總在圖11中。從圖11中可以看到：雖然在進行三維模型地震響應分析時，分別采用了2個差異很大的地震波，但地震響應的頻譜卻非常接近，這充分顯示了每一類地形的頻率特性。它們具有以下顯著特點。

圖11 5類場地模型中典型點位的地震加速度時程的頻譜分布

(1)第一類：地形1和地形2的地震響應頻譜不僅與其他地形地震響應頻譜具有明顯的不同，而且這兩種地形的頻譜還具有較高的相似，主要分布在1～4 Hz的范圍，并且在1～3 Hz呈現出明顯的峰值。

(2)第二類：地形3的地震響應頻譜具有明顯的特征。首先，雖然模型C-1和模型C-2中高聳部位的高度不同，但相同部位所表現出的頻譜分布具有極為相似的峰值特征；其次，地形3的頻譜與其他地形頻譜雖然都表現出峰值，其頻譜的分布范圍和峰值位置具有明顯的差異，這種差異充分表達出兩類地形的差異。

(3)第3類和第4類：地形4和地形5的頻譜完全不同于地形1、地形2和地形3的頻譜，它們之間的頻譜既有相似性，也有差異。相似性在于地形4和地形5的頻譜均沒有明顯的峰值且分布比較均勻；差異在于兩者的分布范圍有很大不同。

3.2 不同類型場地環境下的抗震設計建議

(1)場地環境一(盆狀沉積軟弱土層)：盆狀沉積軟弱土對地震波具有明顯的局部放大作用，并且當沉積的深度和體橫向尺度增加時，盆狀沉積區域中部的地震反應有明顯增大趨勢，并且盆地中心一帶的地表加速度頻率成分較為豐富。因此，更容易對建造在盆地之上的結構物造成損害，因此在選擇橋位時盡量躲避這樣的場地環境，特別避免將橋墩設置盆狀沉積區域中部。

(2)場地環境二(傾斜巖面上覆土層)：在基底傾斜且上覆較厚沉積土的區域內，無論地表的位移響應還是加速度響應均較基巖出露的區域強烈很多，此外，地震最大響應在土層中局部位置被強烈放大為峰值，在另外一些點附近則被抑制為低谷。因此，必須充分重視地震的異常效應，應當盡量將結構建造在基巖出露或基巖埋深較淺的區域。

(3)場地環境三(山前孤突山包)：山前孤突山包頂部及附近點的加速度峰值較周圍點要大很多，并且各點地震響應時程所包含的頻率成分也差別極大，山包頂部一帶的結構震害較其他部位要強烈很多，而山坳里的結構震害會輕很多。因此，在這種環境中進行建設時，結構的抗震設計必須充分重視不同位置的地震加速度響應的差異。

(4)場地環境四(深切峽谷)：峽谷的頂端、崖壁或山坡面及峽谷底部的地震位移最大值和地震加速度最大值主要由該點位的高度所決定，峽谷頂部的地震位移和地震加速度要比峽谷底部大很多，峽谷模型峽口一帶的地震響應在1～4 Hz之間會出現明顯的放大效應。所以，在峽谷上進行大跨度橋梁設計時，應當合理提高大跨度橋梁的抗震設防水平，同時控制橋梁的基本頻率，消除與坡面地震共振現象，從而提高大跨度橋梁的抗震安全性。

(5)場地環境5(凹凸坡面地形)：在山腰一帶，山坳里的地震響應(包括位移響應和加速度響應)比山脊表面的地震響應要強烈很多；而在坡面較高的位置，則表現出山脊表面的地震響應較山坳里的地震響應要強。根據坡面上部分典型點處的地震響應頻譜分析，無論在山坳里或是在山脊上，其頻譜分布特征基本一致，只不過山坳里的頻譜強度較山脊上要強。因此，這類地形地震響應復雜，且地震時還伴著落石、滑坡等次生災害，建議盡量繞避這類場地環境，避免震害發生。

4 結語

通過對山區場地環境：盆狀沉積軟弱土層、傾斜巖面上覆土層、山前孤突山包、深切峽谷、凹凸坡面5類場地環境，分別建立三維模型，得出了5類場地環境有關地震時地表位移、地震加速度以及頻譜分布響應特點。針對特點，提出如下設計建議：在選擇橋位時盡量躲避盆狀沉積軟弱土層、凹凸坡面場地環境，特別避免將橋墩設置盆狀沉積區域中部。在峽谷上進行大跨度橋梁設計時，應當合理提高大跨度橋梁的抗震設防水平，同時控制橋梁的基本頻率，消除與坡面地震共振現象，以及重視傾斜巖面上覆土層、山前孤突山包、凹凸坡面場地環境中不同位置的地震加速度響應的差異。開拓了對艱險山區常見的場地環境地震響應的研究手段，深化了對高烈度山區場地環境對橋梁結構抗震安全影響的認識。

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