昆明盆地粉質粘土土動力參數研究1

李建有 太樹剛 林鳳仙 梁 坤 陳小強

（昆明南方地球物理技術開發有限公司，昆明 650231）

昆明盆地粉質粘土土動力參數研究1

李建有 太樹剛 林鳳仙 梁 坤 陳小強

（昆明南方地球物理技術開發有限公司，昆明 650231）

土動力參數是土層地震反應分析中重要的參數之一，且具有較強的區域性特點。本文收集了昆明盆地區域內68個場地的137組粉質粘土的動三軸試驗數據，進行了統計分析，并通過土層地震反應分析計算，與袁曉銘的推薦值和《工程場地地震安全性評價工作規范（DB001-94）》中給出的規范值做了對比，結果表明：采用本文統計的土動力參數，所得的地震動參數具有一定的代表性和適用性。在昆明盆地區域，本文的統計值在Ⅱ、Ⅲ類工程場地地震安全性評價工作中具有一定的借鑒和參考作用。

粉質粘土 土動力參數 統計分析 昆明盆地

李建有，太樹剛，林鳳仙，梁坤，陳小強，2015.昆明盆地粉質粘土土動力參數研究.震災防御技術，10（4）：872—883. doi：10.11899/zzfy20150405

引言

土的動剪切模量比和阻尼比是工程場地地震安全性評價中土層地震反應分析不可或缺的參數?！豆こ虉龅氐卣鸢踩栽u價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標準，2005）規定：I級工作應對各層土樣進行動三軸和共振柱試驗，II級工作和地震小區劃應對有代表性的土樣進行動三軸或共振柱試驗。對于II級工作和地震小區劃中，場地內的薄層或透鏡體則可以參考基于試驗數據得到的規范值或推薦值。目前，應用較為廣泛的有《工程場地地震安全性評價工作規范（DB001-94）》（中華人民共和國地震行業標準，1994）中給出的規范值和袁曉銘等（2000）對來自北京、上海、天津、南京、大連、太原、沈陽和哈爾濱等全國中東部十幾個地區的常規土類進行了大量試驗所給出的推薦值。施春花等（2009）、史丙新等（2010）、蔣其峰等（2014）分別對北京地區粉質粘土、天津濱海典型土類和渤海海域粉質粘土土動力學參數進行統計分析和對比，并做了適用性論證；呂悅軍等（2003）對渤海海底的常規土類動剪切模量比和阻尼比進行了試驗研究，得出了各類土的動剪切模量比和阻尼比隨剪應變變化關系及推薦值；王津津等（2014）、蘭景巖等（2012）分別對山東東營地區和渤海海域典型土類的土動力學參數進行了統計分析。大量的研究表明，土的動力學參數具有很強的區域性。

昆明盆地是晚新生代以來形成的斷陷盆地，上新世至第四紀沉積厚達千米。地層主要為湖積、沖積和沖洪積相為主，多以薄層或透鏡體形態分布。本文對昆明盆地典型土層之一，即粉質粘土動三軸試驗所得的動剪切模量比和阻尼比進行了統計分析，給出了不同埋深的動力學參數統計值。通過土層地震反應分析，對比了規范值和推薦值，論述了本文所得的統計值對于該地區地震安全性評價結果的適用性和合理性。

1 數據來源

本文共收集了昆明盆地區域范圍內68個場點（圖1）的137組粉質粘土的動三軸試驗數據。動三軸試驗數據由云南省設計院勘察分院、山東同方防震技術有限公司及山東省地震工程研究院土力學與年代學試驗室完成。試驗儀器均使用了北京市新技術研究所生產的DDS-70微機控制電磁式多功能靜動三軸試驗系統。收集的137組粉質粘土樣品埋深在1—95m之間，并在浸水飽和及固結完成后，在不排水的條件下進行試驗。

2 統計結果與分析

對于同一類型的土體，土樣的埋深對其剪切模量比和阻尼比有重要的影響（袁曉銘等，2005；Zhang等，2005）。地表以下30m深度內的地層特性是影響地震效應的關鍵（Anderson 等，1996；薄景山等，2003）。故本文在0—30m之間盡量細分統計區間，綜合考慮統計樣本數量，在剔除異常值后，本文按照0—5m、5—10m、10—15m、15—20m、20—30m、30—40m、40—60m、60—80m及＞80m等9個不同埋深區間進行統計（表1）。表2給出了不同埋深區間的統計平均值及方差最大值。

圖1 工程場點分布圖Fig. 1 Distribution map of 68 engineering sites

表1 樣本量統計Table 1 Total sample numbers at different depth ranges

表2 不同埋深區間的統計平均值Table 2 Mean values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio at different depth ranges

續表

統計分析結果表明，隨剪應變增大，動剪切模量比和阻尼比試驗值離散程度呈先增大后減小的趨勢。以10—15m深度區間為例，從樣本值和統計平均值（圖2）以及離差（圖3）可以看出，當剪應變增大時，動剪切模量比的最大離差絕對值從0.0025增加至0.1352，而后減小至0.0724；阻尼比的最大離差絕對值從0.0250增加至0.0784，而后減小至0.0573。在剪應變為10-3時，動剪切模量比的方差最大；對于阻尼比，剪應變在10-3—10-2區間時，其最大方差均有出現?？傮w上看，阻尼比的離散性相對動剪切模量更大，這可能與粘性土阻尼的離散性較大有關（蔡輝騰等，2009）。

圖2 10—15m深度區間動剪切模量比（a）和阻尼比（b）統計平均值Fig. 2 Mean values of dynamic shear modulus ratio （a） and damping ratio （b） at depth from 10m to 15m

圖3 10—15m深度區間動剪切模量比（a）和阻尼比（b）的離差Fig. 3 Deviations of dynamic shear modulus ratio （a） and damping ratio （b） at depth from 10m to 15m

本文的統計值與規范值和袁曉銘的推薦值對比（圖4）表明：就動剪切模量比而言，統計值最高，尤其在大應變值范圍內明顯高于推薦值和規范值；剪應變在10×10-4時，本文不同深度的統計值均比標準值大一倍多，最大者為標準值的3倍有余；與袁曉銘的推薦值相比，在0—10m區間，統計值是推薦值的1.5—1.6倍，在10—20m區間，二者相差1.4—1.5倍。而阻尼比在剪應變小于10×10-4時，統計值小于規范值和袁曉銘的推薦值；在剪應變大于10×10-4時，統計值大于規范值和袁曉銘的推薦值，但總體相差不明顯。上述分析結果說明，本文的統計值與規范值和袁曉銘的推薦值存在比較大的差異。

圖4 本文的動剪切模量比與阻尼比統計值與袁曉銘推薦值、規范值的對比Fig. 4 Comparison of the values in this paper to those proposed by Yuan Xiaoming and the standard code

3 統計值的適用性分析

動剪切模量比和阻尼比對土層地震反應的影響是顯著的（王紹博等，2001；蘭景巖等，2008），尤其是處于地震活動強烈地區（≥0.2g的區域），等效應變10-3附近或更高的值域的土體剪切模量比值往往對土層地震反應的計算結果產生很大的影響（李小軍，2006）。昆明盆地為普渡河斷裂控制的斷陷盆地。從盆地新生界等厚線（圖1）看，盆地中西部覆蓋層較厚，場地類型多為Ⅲ類；東部及邊緣地帶覆蓋層較薄，場地類型多為Ⅱ類。為了分析不同土動力學參數的差異對土層地震反應分析的影響及統計值的適用性，下面通過實際的Ⅱ類、Ⅲ類場地各1個（每個場地包括2個實際鉆孔模型）以及模擬的單一土層的Ⅱ類、Ⅲ類場地各1個，分別運用規范值、推薦值和統計值等三種不同的土動力參數進行計算比較。

3.1 計算模型及計算參數的選取

采用的實際鉆孔模型（表3）均為昆明盆地2個場地的實際鉆孔的土層剖面。模型中剪切波速、密度及其余土類的土動力學參數均采用實測值，粉質粘土的土動力學參數分別采用統計值、推薦值和規范值。

單一粉質粘土層的計算模型5（即Ⅱ類場地）和計算模型6（即Ⅲ類場地）中，覆蓋層分別取45m和85m，剪切波速分別采用李存志等（2006）和李建有等（2012）對昆明盆地粘性土（1）式和粉質粘土（2）式的剪切波速V與埋深H的統計公式所得，密度值均取1.90g/cm3，土體分層厚度均取5m。土動力學參數采用統計值、推薦值和規范值分別進行計算。

根據地震危險性分析結果，采用人工合成地震動，按50年超越概率63%、10%、2%三種概率水準合成基巖加速度時程，其中每一種概率水準合成3條時程曲線（圖5），進行土層地震反應計算。

表3 計算模型Table 3 Computational models

續表

3.2 土層反應分析計算結果

運用一維等效線性化波動方法進行地震反應分析計算，三種不同的土動力學參數對應的50年超越概率63%、10%和2%的地表平均反應譜（圖6、圖7）、地震動加速度峰值和速度峰值（表4）。反應譜特征周期利用雙參數法（廖振鵬，1989）確定（3）式，結果列于表5。

式中，Amax為加速度峰值；Vmax為速度峰值。

圖5 輸入地震動加速度時程Fig.5 Input of acceleration time history curves of ground motion

表4 不同土動力學參數取值下的平均峰值加速度和峰值速度Table 4 Average peak acceleration and peak velocity from different soil dynamic parameters

圖6 實際場地不同概率水準、不同土動力學參數的平均反應譜曲線Fig. 6 Average response spectrum curves at different exceeding probabilities of different soil dynamic parameters in the practical sites

表5 不同土動力學參數取值下的特征周期Table 5 Characteristic period under different soil dynamic parameters

從圖6、圖7可以看出，50年超越概率為63%的情況下，三種不同土動力參數對應的反應譜差別不大；而50年超越概率為10%和2%時，則統計值和袁曉銘的推薦值與規范值對應的反應譜差別較大，尤其在大震情況下，差別更明顯。這種差別主要表現為：在高、中頻段，譜值由高到低依次為統計值，推薦值和規范值；而在低頻段，則反之，即統計值、推薦值和規范值分布計算所得的反應譜由高而窄變為矮而寬。由表4可以得出，在中震情況下，對于Ⅱ類場地，實際模型采用統計值計算的加速度峰值與推薦值和規范值分別相差4%和9%，單一土層模型的分別相差7%和37%；對于Ⅲ類場地，實際模型和單一土層模型分別相差7%、22%和13%、33%。在大震情況下，對于Ⅱ類場地，實際模型采用統計值計算的加速度峰值與推薦值和規范值分別相差7%和22%，單一土層模型的分別相差20%和48%；對于Ⅲ類場地，實際模型和單一土層模型分別相差8%、45%和19%、46%。由上述分析可得，模擬的單一土層模型計算所得加速度峰值的差異較實際場地的更大，且Ⅲ類場地的差別較Ⅱ類場地更甚。表5表明，特征周期的差異亦體現在中震和大震的情況下，實際模型和單一土層模型計算所得的特征周期最大差異分別為0.52s和0.46s。

綜上所述，不同的土動力參數對在以Ⅱ、Ⅲ類場地為主的昆明盆地的土層地震反應分析的結果影響較大，再次印證了土動力參數具有較強的區域性。鑒于本文統計值的數據資料來源于昆明盆地，與規范值和推薦值相比，更能代表昆明盆地區域場地土的動力特性。

4 結論與討論

本文對昆明盆地粉質粘土的土動力參數進行了不同深度的統計分析，并與目前運用較為廣泛的袁曉銘的推薦值和規范值做了分析對比，經土層地震反應分析，進一步分析了三種土動力參數的差異性，得出了下列結論：

（1）統計值的動剪切模量比最高，尤其在大應變值范圍（0.001—0.01）內，明顯高于推薦值和規范值；其次為推薦值和規范值。而對于阻尼比而言，三者總體相差不明顯。

（2）50年超越概率為63%的情況下，三種不同土動力參數對應的反應譜、地震動加速度峰值和特征周期差別不明顯；而50年超越概率為10%和2%時，則統計值對應的反應譜與規范值和推薦值對應的反應譜差別較為明顯，且Ⅲ類場地的差別較Ⅱ類場地更甚。

（3）在高、中頻段，統計值和規范值計算的反應譜高于規范值計算的反應譜；在低頻段，則反之。

（4）特征周期在不同概率水準下，統計值計算的最小，規范值計算的最大，最大差異為0.52s。

經對比分析，采用本文統計的土動力參數，在昆明盆地更具代表性和適用性。因此，本文的統計值在Ⅱ、Ⅲ級工程場地地震安全性評價工作中具有一定的借鑒和參考意義，尤其是對建筑物較矮的情況。由于統計樣本數量的限制，以及土動力學參數具有較大的離散性，對于特重大工程和超高層建筑不可直接使用本文的統計值。

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Research on Dynamic Parameters of Silty Clay in the Kunming Basin

Li Jianyou， Tai Shugang， Lin Fengxian， Liang Kun and Chen Xiaoqiang

（Kunming Southern Geophysical Technology Development Co.， Ltd.， Kunming 650231， China）

Soil dynamic parameter， which is strong region-dependent， is one of the important parameters for seismic response analysis of the solid layer. In this paper， dynamic parameters of silty clay are obtained from triaxial tests of 137 samples collected from 68 sites in the Kunming basin. We carry out the soil seismic response calculation， and compare our results from statistical analysis with values recommended by Yuan Xiaoming， and those recommended by the code for seismic safety evaluation of engineering sites. Our result shows that the values of dynamical parameters in this work are representative and applicable. Therefore， these values can be used as reference in the seismic risk assessment of engineering projects of Ⅱ， Ⅲ levels in the Kunming basin.

Silty clay； Soil dynamic parameters； Statistical analysis； Kunming basin

2015-02-02

李建有，男，生于1983年。工程師。主要研究領域：地震安全性評價。E-mall：ynwilbur@163.com