成都地區區域性場地的地震響應分析

陳 琪，張玉萍

(1.西南交通大學高速鐵道線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

成都地區位于我國南北地震帶中段東部，歷史上曾遭受過來自龍泉山斷裂帶和蒲江—德陽斷裂近震的襲擊及川西地區各主要地震帶中、遠震的影響。從區域構造背景和地震活動分析可知，成都市區地質構造穩定。1978年四川省地震局、地質局等單位編寫的《成都地區基本烈度鑒定報告》，將本區基本烈度定為Ⅶ度，為本區工程建設提供了重要依據［1］。曾勇［2］也研究了本區未來地震危險性趨勢及強震地面運動特征，但是上述研究都沒有考慮成都黏土結構的特殊性及其動力反應特性。2008年5月12日發生的四川汶川特大地震［3］，震中距成都達70 km，但卻給成都的結構造成了嚴重破壞。其原因或許是成都表層黏土對地震波有放大作用，但是黏土的放大程度和周期的影響等關系到結構抗震的問題，卻較少被研究，本文將針對這些問題開展工作。擬采用國際上普遍使用的由Bardet和Tobita開發的軟件NERA(Nonlinear Earthquake site Response Analyses)進行分析，此軟件主要用于非線性一維地震場地反應分析。

根據成都地區曾發生過的地震可知，龍泉山斷裂帶和龍門山斷裂帶距成都地區的距離分別為10 km和70 km左右。為此本文從臺灣集集地震記錄中選取了震中距為10 km內和60～80 km各25個地震動記錄(汶川地震記錄沒有足夠的硬土場地記錄)，并分別計算了加速度譜和不同譜周期下的譜比，確定了成都表層黏土對地震波的放大效應。然后對不同震中距下的25個加速度譜進行了平均，進而把平均地面反應譜與成都地區的設計地震譜進行了比較。

1 場地土層性質

成都地區是中生代坳陷盆地，地表堆積了第四系松散沉積層，本次研究即對此第四系松散沉積層對地震動的反應進行了分析。所選場地的地勘深度為36.5 m，此范圍內地層主要由第四系全新統人工填土層(Qml4)及第四系中下更新統冰水堆積物(Qfgl1+2)組成，下伏白堊系灌口組(K2g)泥巖。在場地鉆孔內未見地下水，部分地段有地表積水。土層性質如表1所示。

表1 土層性質和剪切波速

由剪切波速和土層密度，可計算最大剪切模量Gmax，從而得到由 Hardin and Drnevich 模型［4］擬合的G/Gmax和阻尼比隨剪切應變變化的關系，即G/Gmax－γ和λ－γ曲線。

2 地震動輸入

根據成都地區地質條件，由剪切波計算公式可以計算出土層的平均剪切波速Vs=420 m/s，并由《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)得到場地類別為Ⅱ類。根據斷層類型(汶川地震為逆沖斷層)、震級(臺灣集集地震震級是7.6，汶川地震震級是7.9)、場地類別(Ⅱ類場地對應臺灣地區的C類場地)、震中距的相似性，本次計算選取的是臺灣集集地震記錄中的部分記錄。為了探討近源地震的影響，選取了震中距為10 km內的25個地震記錄。考慮龍門山距成都70 km，選取了60～80 km內的C類場地的地震記錄。

圖1和圖2分別給出了震中距9.77 km、地震加速度0.345g和震中距64.15 km、地震加速度0.044g的時程曲線。

3 計算分析

3.1 峰值加速度放大比

本節重點研究峰值加速度放大比(地表輸出PGA與輸入PGA的比值)。為此分別把震中距為10 km內的25個地震記錄輸入，計算了PGA的放大比，并得到了PGA放大比與輸入PGA的關系。以及把60～80 km內的25個地震記錄輸入，得到了在此條件下的PGA的放大比與輸入PGA的關系，計算結果如圖3所示。

圖1 地震動“Chy006-n”的加速度時程曲線

圖2 地震動“Chy022-n”的加速度時程曲線

由圖3可以看出，當震中距在10 km內時，輸入PGA集中在0.1～1.0g范圍內，場地對地震最大加速度的放大比為0.5～2.0倍。同時可以看出，震中距為10 km內時，PGA放大比明顯隨輸入PGA的增大而減小。當輸入PGA＜0.32g時，放大比＞1，而輸入PGA＞0.32g時，放大比＜1，即場地對地震動有減小效應，原因是成都表層黏土發生了非線性反應。此結論也與Idriss［5］提出的結論(當 PGA ＞0.3～0.4g時放大比 ＜1)相符。而震中距為60～80 km時，輸入PGA集中在0.02～0.10g范圍內，放大比卻為1.6～2.8倍。即當震中離場地較遠時，場地對峰值加速度的放大較大。由于汶川地震發生在距成都約70 km，因此場地對地震動有放大作用，對建筑物的影響不容忽視。

圖3 峰值加速度放大比

3.2 譜加速度放大比

根據建筑物自振周期與其高度的關系，低層建筑自振周期約0.2 s，一般高度建筑物的自振周期為0.5～1.0 s，為此這里分別計算了周期為 0.2 s，0.5 s，1.0 s時的譜加速度(SA)放大比(輸出SA與輸入SA的比值)與輸入SA的關系，計算結果如圖4所示。

圖4 不同自振周期下的SA放大比

由圖4(a)可以看出當T=0.2 s時，震中距為10 km內時SA放大比為0.7～2.0倍，且隨SA的增加放大比有減小的趨勢。當輸入SA＜1.25g時放大比＞1，當輸入SA＞1.25g時放大比＜1。震中距為60～80 km時SA放大比為1.5～2.6倍，且由于輸入SA范圍較小，其放大比沒有隨輸入SA明顯增大或減小。但可以看出相對震中距較小時，震中距較大時放大比也較大。

由圖4(b)可以看出，T=0.5 s時，震中距為10 km內時SA放大比為0.7～2.0倍，且隨SA增大放大比有減小的趨勢。當輸入SA＜1.3g時放大比＞1，當輸入SA＞1.3g時放大比＜1。震中距為60～80 km時SA放大比為1.4～2.2倍。

由圖4(c)可以看出當T=1.0 s時，震中距為10 km內時SA放大比為0.9～1.4倍，放大比基本集中在1.25左右，并且放大比基本不再小于1(由于統計數據有限，圖中擬合曲線有一定誤差)。震中距為60～80 km時SA放大比為1.1～1.3倍，但都集中在1.2倍附近。

3.3 放大比比較

此場地地表對峰值加速度的放大比在震中距大時較大，且相同自振周期下，震中距大時SA放大比較大。相同震中距下，自振周期大時放大比較小，即地震對場地內的高層建筑比低矮建筑影響小，這是由場地表層軟土的非線性反應引起的(見表2)。

表2 放大比匯總

4 設計譜

成都地區場地類別為Ⅱ，取特征周期分區為二區，根據《鐵路工程抗震設計規范》［6］，得到地震動反應譜特征周期Tg=0.4 s。其中曲線部分動力放大系數為

將相同震中距下的25個地震動輸出的加速度譜換算為動力放大系數β并進行平均，可得擬合曲線如圖5所示。由圖5(a)可以看出，震中距為10 km內時，設計地震譜與本文擬合的曲線有一定差別。在0.2～4.0 s范圍內設計地震譜動力放大系數偏小，約小10%～50%。但由于此次計算采用的是7.6級地震記錄，而離成都10 km的龍泉山斷裂帶發生大地震的可能性極小，所以設計地震譜在一般情況下應該依然適用。由圖5(b)可以看出，震中距為60～80 km時，設計地震譜在0.4～2 s之間基本適用。當周期在0.2～0.4 s之間時，計算出的曲線出現了較大峰值，因此在這個周期范圍，使用設計地震譜設計時將可能偏于危險。比較不同震中距下的曲線可以看出，當震中距不同時，設計地震譜也應不同，因此在使用設計地震譜時，要謹慎考慮震中距的影響。

圖5 設計譜擬合曲線

5 結論

通過對一個典型成都場地輸入震中距為10 km內和60～80 km的各25個加速度時程記錄的分析計算，得到結論如下:

1)當震中離場地10 km內時，場地對地震峰值加速度的放大比為0.5～2.0倍，而震中距為60～80 km時，放大比卻為1.6～2.8倍，即當震中離成都場地較遠時，場地對峰值加速度的放大比反而大。

2)在相同震中距的情況下，場地對T=1.0 s時譜加速度的放大比T=0.2 s時的小，地震對場地內高層建筑的影響相對低層建筑較小。在相同短周期的情況下，震中距大的譜加速度放大比稍大，即對于低矮建筑，當震源離場地較遠時所受影響偏大;在相同長周期的情況下，不同震中距的譜加速度放大比相差不是很大。

3)成都地區對設計地震譜在震中距為60～80 km時基本適用。當震中距為10 km內時，設計地震譜在0.2～4.0 s范圍內偏小約10% ～50%;不同震中距的設計地震譜應有所不同。

［1］國家地震局西南烈度隊.西南地區地震地質及烈度區劃探討［M］.北京:地震出版社，1978.

［2］曾勇.成都平原東部地震危險性及強震地面運動特征［D］.成都:成都地質學院，1990.

［3］閔衛鯨，張炳焜，李磊，等.汶川地震中高路堤的抗震響應分析［J］.鐵道建筑，2010(12):66-69.

［4］HARDIN B O，DRNEVICH V P.Shear modulus and damping in soils:measurement and parameter effects［J］.Journal of the soil mechanism and foundation division，ASCE，1972，98(6):603-624.

［5］IDRISS I M.Response of soft soil sites during earthquakes［C］//Proceedings of memorial symposium to honor professor Harry Bolton Seed.Berkeley California，1990:273-289.

［6］中華人民共和國建設部.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.