西寧地區(qū)黃土土層厚度對場地地震動參數(shù)的影響*

劉 薇，劉 彬，張曉清

(1.青海省地震局，青海西寧810001;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230026;3.青海省規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，青海西寧81001)

0 引言

汶川地震、玉樹地震發(fā)生以后，建筑抗震設(shè)防越來越為人們所重視，工程場地條件對地震動影響的研究也日漸深入。不同土類的場地在地震發(fā)生時所產(chǎn)生的震害也不相同 (李小軍，彭青，2001)，西寧地區(qū)覆蓋土層為黃土，黃土特殊的物質(zhì)來源、沉降方式和堆積環(huán)境決定了其具有地區(qū)性差異，這也在客觀上決定了黃土具有地區(qū)性的地震地面運(yùn)動特征 (石玉成等，1998)。大量的理論分析和實(shí)際震害經(jīng)驗(yàn)表明，黃土地區(qū)的地面運(yùn)動參數(shù)特點(diǎn)服從于地震地面運(yùn)動的總體規(guī)律，即影響場地地震動參數(shù)的基本因素仍然是區(qū)域性條件和場地條件，但土層的厚度與地形因素在黃土地區(qū)所起的作用要大得多 (石玉成等，1999)。

西寧地區(qū)晚更新世馬蘭黃土 (Q3)和全新世黃土 (Q4)分布最為廣泛，其中與建設(shè)工程活動相關(guān)的黃土場地主要分布在湟水河兩岸I-IV級階地上和其支流南川河、北川河的兩岸階地上，III級階地一般厚度3～10 m，III-IV級階地厚度10～50 m(奉新平，蓋東玲，2008)。本文選取了位于西寧市湟水河南岸和北川河兩岸階地具有不同厚度黃土覆蓋層的場地作分析研究，采用一維等效線性化土層地震反應(yīng)分析法 (胡聿賢，1999)對場地內(nèi)不同厚度的黃土土層進(jìn)行計(jì)算，期望所得結(jié)論可供今后工程建設(shè)參考使用。

1 主要計(jì)算參數(shù)的確定

1.1 計(jì)算場地選擇

為了研究西寧黃土土層厚度對地震動參數(shù)的影響，分別對位于西寧市湟水河南岸階地和北川河兩岸階地黃土覆蓋層厚度為3、6、9、15、20、30 m及10、15、20、30、40、50、60 m共13種情況下的場地進(jìn)行場地地震反應(yīng)分析;為了使結(jié)果表述方便，將選用的湟水河南岸階地具有不同厚度黃土覆蓋層的幾個場地定義為區(qū)域A，北川河兩岸階地的幾個場地定義為區(qū)域B，西寧地區(qū)大量的城市建設(shè)工程位于這兩個區(qū)域。

1.2 地震動選取

本次工作中輸入地震動以西寧附近地震背景為主，通過擬合得到人造地震動 (編號:x5011、x5012)，模擬震中Ⅶ度區(qū)的地震效應(yīng)，輸入峰值加速度為105 Gal，持時為10 s(圖1、圖2)。

1.3 土力學(xué)模型確定

依據(jù)現(xiàn)場鉆探工作所得場地地層分布實(shí)際情況建立土層模型，在場地內(nèi)分別布設(shè)鉆孔，各組黃土波速由現(xiàn)場 (檢層法)測試得到;土層的非線性參數(shù)取各場地實(shí)測值的平均值 (表1～3)。

圖1 人工擬合輸入地震動 (x5011)Fig.1 The inputting seismic ground motion of artificial fitting(x5011)

圖2 人工擬合輸入地震動 (x5012)Fig.2 The inputting seismic ground motion of artificial fitting(x5012)

表1 區(qū)域A土層力學(xué)模型資料Tab.1 Data of soil mechanic model in area A

表2 區(qū)域B土層力學(xué)模型資料Tab.2 Data of soil mechanic model in area B

表3 場地土的非線性資料Tab.3 The nonlinear data of site soil

2 計(jì)算結(jié)果及分析

利用一維等效線性化土層地震反應(yīng)分析法計(jì)算求得了A、B兩個區(qū)域內(nèi)不同厚度黃土的地震動基本參數(shù)，包括峰值加速度、峰值速度、峰值位移、有效峰值加速度 (EPA)、加速度反應(yīng)譜(SA)等 (王蘭民，2003)(表4、表5)。

2.1 峰值加速度和有效峰值加速度

地面運(yùn)動的峰值加速度是一個不穩(wěn)定的數(shù)值，它伴隨著高頻地震動。為了使峰值加速度不受高頻分量的控制變得過大，并且更為準(zhǔn)確地反映地面運(yùn)動幅值的特點(diǎn)，在討論場地地面運(yùn)動的加速度特點(diǎn)時，采用了有效峰值加速度 (EPA)，即相當(dāng)于周期為0.1～0.5 s的反應(yīng)譜加速度的平均值(胡聿賢，2006)。從表中可以看出，區(qū)域A中，EPA隨黃土覆蓋層厚度的增加減小;區(qū)域B中，黃土層厚度在10～30 m時，EPA隨著黃土層厚度的增加而減小，但當(dāng)黃土層達(dá)到一定厚度 (50 m左右)后EPA卻緩緩增加。

表4 區(qū)域A不同厚度黃土場地的地面運(yùn)動參數(shù)結(jié)果Tab.4 The result of ground motion parameters of loess site with different thickness in area A

表5 區(qū)域B不同厚度黃土場地的地面運(yùn)動參數(shù)結(jié)果Tab.5 The result of ground motion parameters of loess site with different thickness in area B

2.2 峰值速度和峰值位移

峰值速度 (PGV)和峰值位移 (PGD)的變化情況與加速度的變化不同。場地A中，當(dāng)黃土層的厚度在6 m以內(nèi)時，PGV具有較高的數(shù)值，隨著黃土層厚度的增加，PGV、PGD都緩慢減小;場地B中，當(dāng)黃土層的厚度在10 m以內(nèi)時，PGV具有較高的數(shù)值，當(dāng)黃土層的厚度繼續(xù)增加時，PGV、PGD均緩緩下降。

2.3 加速度反應(yīng)譜

圖3、4給出了不同厚度黃土場地上阻尼比為0.05的加速度反應(yīng)譜SA(T)。從圖中可看出加速度反應(yīng)譜的形狀隨土層厚度的變化非常顯著。區(qū)域A內(nèi)，隨著黃土層厚度的增大，反應(yīng)譜峰值點(diǎn)均明顯向長周期移動，從圖中可以看出移動趨勢較為平緩;而區(qū)域B內(nèi)，隨著黃土層厚度的增大，反應(yīng)譜峰值點(diǎn)也具有向長周期移動的趨勢，區(qū)別于區(qū)域A的是隨著土層厚度的增加，峰值點(diǎn)移動趨勢較為劇烈。由此可見，場地內(nèi)土層厚度對反應(yīng)譜的峰值點(diǎn)影響較大，該厚層黃土場地在運(yùn)動特性方面也具備軟弱土場地的某些特性。

圖3 區(qū)域A不同厚度黃土場地的加速度反應(yīng)譜Fig.3 Acceleration response spectrums of loess site with different depth in area A

圖4 區(qū)域B不同厚度黃土場地的加速度反應(yīng)譜Fig.4 Acceleration sponse spectrums of of loess site with different depths in area B

3 結(jié)論

本文對西寧地區(qū)具有厚層黃土覆蓋層的兩個典型場地進(jìn)行了黃土土層厚度對場地地震動參數(shù)影響的分析。筆者僅針對西寧地區(qū)黃土土層厚度對場地地震動參數(shù)的影響做定性研究，目的是考察西寧地區(qū)黃土土層厚度對場地峰值加速度、峰值速度、峰值位移、有效峰值加速度 (EPA)、加速度反應(yīng)譜 (SA)等參數(shù)的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)計(jì)算分析，初步得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)由于峰值加速度受高頻分量的影響，為了準(zhǔn)確地反映地面運(yùn)動幅值的特點(diǎn)，討論場地地面運(yùn)動的加速度時采用有效峰值加速度 (EPA);通過計(jì)算分析得到場地EPA隨場地內(nèi)黃土層厚度的增加而減小，當(dāng)黃土層達(dá)到一定厚度 (50 m左右)后EPA緩緩增加。

(2)峰值速度 (PGV)和峰值位移 (PGD)值隨著黃土層厚度的增加而緩慢減小。

(3)加速度反應(yīng)譜 (SA)隨著黃土層厚度的增大，反應(yīng)譜峰值點(diǎn)均明顯向長周期移動;隨著階地的增高，土層厚度增加，盡管地面運(yùn)動的峰值加速度 (PGA)相對較低，但反應(yīng)譜周期明顯向長周期方向移動，反應(yīng)譜類型分區(qū)與地貌分區(qū)基本吻合。從運(yùn)動特性來看，該厚層黃土場地具備軟弱土場地的某些特性。

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