天津地區(qū)覆蓋層土動力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計分析

天津地區(qū)覆蓋層土動力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計分析

夏峰， 宋成科， 孟慶筱， 郭保正

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

摘要：收集天津地區(qū)近年來有代表性的具有完整土動力學(xué)參數(shù)作為實驗數(shù)據(jù)的地震安全性評價報告66份，用兩種統(tǒng)計方法按不同深度統(tǒng)計分析粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土等的實測土動力學(xué)參數(shù)，給出動剪切模量比和阻尼比平均值。選取2個典型工程場地，構(gòu)建土層分析模型，進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計算。結(jié)果表明，本文得到的統(tǒng)計2值在天津地區(qū)具有一定的代表性和適用性，與實測值結(jié)果更為接近。對于獲得原狀土樣困難的場地，特別是對于較薄的夾層土，可參照統(tǒng)計2結(jié)果進(jìn)行分析計算。

關(guān)鍵詞：天津地區(qū)； 土動力學(xué)參數(shù)； 土層地震反應(yīng)； 統(tǒng)計分析； 地表反應(yīng)

收稿日期：*2014-08-01

作者簡介：夏峰(1980-)，工程師，碩士，主要從事地震監(jiān)測、GPS數(shù)據(jù)處理分析、工程地震及數(shù)值模擬相關(guān)工作.

作者簡介：郭保正(1976-)，工程師，主要從事大地形變測量與工程變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究.E-mail：13302117792@163.com

中圖分類號:TU44文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0048

Analysis of Soil Dynamic Parameters of Overburden in the Tianjin Area

XIA Feng， SONG Cheng-ke， MENG Qing-xiao， GUO Bao-zheng

(FirstCrustMonitoringandApplicationCenterofChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China)

Abstract：The dynamic shear modulus ratio and damping ratio are two important parameters in seismic risk assessment and can directly affect the soil dynamics of engineering sites.The analysis of seismic hazards and soil layer seismic response showed that dynamic soil parameters were the key aspects that influenced the results of the analysis.In this study，66 recent seismic risk assessment reports in the Tianjin area were collected，which contained representative and completeexperimental data of soil dynamics parameters.Using two statistical methods，the dynamic parameters of experimental soils in these reports (e.g.，silty clay，clay，silt，sand，silt soil，etc.) were statistically analyzed by depth and the average value of the dynamic shear modulus ratio and damping ratio.Next，the soil analysis models of two representative engineering sites (located at the Tianjin urban district and Tangu suburban district) were developed and the soil layer seismic response was calculated.The analysis showed that the two statistical values were representative and adaptable in the Tianjin area，and were more consistent with the practical measured values.Therefore，the two statistical values that were derived could be used to conduct the soil seismic response analysis for sites in which it was difficult to acquire undisturbed soil samples，especially for the thin interbed soil.

Key words： Tianjin area； soil dynamic parameters； seismic response of soil layers； statistical analysis； response spectrum of soil surface

0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工作中非常重要的兩個參數(shù)，能直接反映工程場地的土動力特性。震害經(jīng)驗和土層地震反應(yīng)分析結(jié)果均表明，土動力學(xué)參數(shù)是影響土層地震反應(yīng)分析結(jié)果的主要原因之一[1-2]。《工程場地地震安全性評價》[3]規(guī)定：Ⅰ級地震安全性評價工作應(yīng)對鉆孔揭示的各自然分層土取樣，并對土樣進(jìn)行動三軸和共振柱試驗；Ⅱ級地震安全性評價工作和地震小區(qū)劃應(yīng)對鉆孔揭示的自然分層中有代表性的土樣進(jìn)行動三軸或共振柱試驗。目前在進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析時，如果出現(xiàn)土動力學(xué)參數(shù)資料不全的情況，一般是利用《工程場地地震安全性評價工作規(guī)范》[4]中各類參數(shù)的推薦值。但大量的實驗研究表明[1，5-7]，這些參數(shù)并不具有實用性，因為土動力學(xué)參數(shù)的選取還必須考慮區(qū)域性，不同區(qū)域的土動力學(xué)參數(shù)與土的成分、來源、含水量、形成年代及其所處的環(huán)境密切相關(guān)。針對特定區(qū)域土動力學(xué)參數(shù)的研究已取得一些有價值的研究成果，如呂悅軍等[6]對渤海海底土類進(jìn)行了研究；陳國興等[8]分析了南京及鄰近地區(qū)新近沉積土土動力學(xué)參數(shù)特征；施春花等[9]統(tǒng)計分析了北京地區(qū)粉質(zhì)黏土土動力學(xué)參數(shù)特征；史丙新等[10]對天津濱海場地土動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；張小平等[11]對大連地區(qū)場地土動力學(xué)參數(shù)初步研究。然而，這些針對特定地區(qū)的土動力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果未對本地區(qū)相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)作進(jìn)一步分析。本文將主要對天津地區(qū)的土動力學(xué)參數(shù)的兩種統(tǒng)計結(jié)果與天津市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程技術(shù)規(guī)范》[12](下文簡稱“建標(biāo)”)及實測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

本文收集整理了天津地區(qū)近10年來66份具有完整土動力學(xué)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)的地震安全性評價報告，共計168個取樣鉆孔，動三軸數(shù)據(jù)1 480組；統(tǒng)計分析這些報告中不同類型土的實測土動力學(xué)參數(shù)，給出兩種統(tǒng)計方法下不同深度的動剪切模量比和阻尼比平均值；在天津市區(qū)(Ⅲ類場地)和塘沽區(qū)(Ⅳ類場地)各選取1個典型工程場地，構(gòu)建土層分析模型，進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析，并對比分析兩種方法得到的統(tǒng)計值與典型工程場地的實測值及建標(biāo)的推薦值對土層地震反應(yīng)分析計算結(jié)果的影響。

1數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.1數(shù)據(jù)來源與分布

近年來，由于地鐵、高層建筑以及一些改擴(kuò)建等重大工程建設(shè)的需要，天津地區(qū)開展了許多地震安全性評價工作，實測了大量的土動力學(xué)參數(shù)試驗數(shù)據(jù)。本文收集整理了天津地區(qū)近10年來66份具有完整土動力學(xué)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)的地震安全性評價報告，共計168個取樣鉆孔，動三軸數(shù)據(jù)1 480組，場點分布情況如圖1所示，主要分布在天津市區(qū)及周邊和塘沽部分地區(qū)。據(jù)鉆孔資料顯示，天津市區(qū)及周邊的覆蓋層厚度大多在100 m以內(nèi)，塘沽地區(qū)均在100 m以上。本文篩選了土體埋深在120 m以內(nèi)的各類動三軸實驗參數(shù)，考慮到試驗儀器和方法、試驗條件、數(shù)據(jù)分析等不同引起的數(shù)據(jù)差異主要以天津市科維防災(zāi)研究所完成的動三軸試驗數(shù)據(jù)為統(tǒng)計資料，一共1 480組。

圖1　收集的地震安全性評價報告場點分布圖 Fig.1　The distribution of sites in collected seismic safety evaluation reports

1.2統(tǒng)計結(jié)果分析

同類土體的土動力學(xué)參數(shù)隨深度和壓力的變化而不同，且由于地層的連續(xù)性，在現(xiàn)有的試驗條件下統(tǒng)計土性參數(shù)隨深度的變化具有一定的可行性和實際意義。為此根據(jù)樣本量隨深度的分布情況，選取不同深度間隔作為統(tǒng)計區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計。在統(tǒng)計中舍去了明顯偏高或偏低的異常值，以盡量減小其對分析結(jié)果的影響。為便于與建標(biāo)的推薦值及實測值進(jìn)行比較，本次統(tǒng)計分析工作按如下兩種方法進(jìn)行：統(tǒng)計1方法類似于建標(biāo)，按固結(jié)壓力大致代表的深度范圍進(jìn)行統(tǒng)計，不同類型土樣本量分布情況見表1；統(tǒng)計2方法在70 m以內(nèi)按每10 m一區(qū)段、70～90 m及90 m以上等區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)計。按巖性不同，覆蓋層大致可分為淤泥質(zhì)土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、砂土五大類。分別對這5類土樣的樣本量按不同統(tǒng)計方法(統(tǒng)計1和統(tǒng)計2)及埋深進(jìn)行了分組統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1和表2。表3僅給出統(tǒng)計2方法中的粉質(zhì)黏土各區(qū)間組平均值及標(biāo)準(zhǔn)差最大值，圖2僅給出了粉質(zhì)黏土0～10 m區(qū)間內(nèi)動剪切模量比與阻尼比統(tǒng)計平均值，其他土類型及不同深度區(qū)間的統(tǒng)計關(guān)系大同小異，由于篇幅關(guān)系，不一一給出。以統(tǒng)計2方法給出的0～10 m粉質(zhì)黏土為例，圖2給出了樣本值與平均值的統(tǒng)計情況。對各區(qū)間內(nèi)樣本在不同剪應(yīng)變下標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，結(jié)果表明：當(dāng)剪應(yīng)變?yōu)?0×10-4時，動剪切模量比的標(biāo)準(zhǔn)差最大；當(dāng)剪應(yīng)變?yōu)?00×10-4時，阻尼比的標(biāo)準(zhǔn)差最大(表3)。

表 1去異常值后不同土類型各區(qū)間組樣本量統(tǒng)計1

Table 1Statistics 1 of different types of soil samples in all interval groups after removing outliers

土類型區(qū)間組/m0～1010～1515～2020～3030～4040～8080以上粉質(zhì)黏土85119146251149黏土24988粉土5131628339砂土467137101淤泥質(zhì)土34

圖2　統(tǒng)計2方法0～10 m區(qū)間內(nèi)動剪切模量比與阻尼比統(tǒng)計平均值 Fig.2　Mean values of dynamic shear modulus ratios 　　　 and damping ratios in interval group of 0～10 m 　　　in statistics 2

表 2　去異常值后不同土類型各區(qū)間組樣本量統(tǒng)計2

表 3　統(tǒng)計2粉質(zhì)黏土各區(qū)間組平均值及標(biāo)準(zhǔn)差最大值

2土層地震反應(yīng)分析及結(jié)果

本文為研究天津地區(qū)的動力學(xué)參數(shù)實測值統(tǒng)計結(jié)果對該地區(qū)土層地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響，選取了2個典型工程場地(表4)即模型1(Ⅲ類場地)和模型2(Ⅳ類場地)，分別采用場地實測值(方案1)、本文統(tǒng)計值1(方案2)、本文統(tǒng)計值2(方案3)和建標(biāo)推薦值(方案4)4種土動力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計算。分析地表峰值加速度及反應(yīng)譜對選用不同土動力學(xué)參數(shù)時的響應(yīng)，進(jìn)而分析哪種方法給出的土動力學(xué)參數(shù)在天津地區(qū)更具有實用性。

2.1土層計算參數(shù)的選取

場地模型1和2分別位于塘沽區(qū)(Ⅵ類場地)和天津市區(qū)(Ⅲ類場地)，鉆探深度分別為120 m和110 m，土性資料均較全，具體土層相關(guān)參數(shù)見表4。在計算中各土層動剪切模量比和阻尼比分別采用以上4種方案的參數(shù)，其余土層的土動力學(xué)參數(shù)以及波速和密度均為鉆孔實測值。

表 4　場地模型土層鉆孔剖面參數(shù)

2.2基巖輸入地震動時程的確定

基巖輸入地震動采用人工合成地震動，基巖加速度反應(yīng)譜分別采用模型1和模型2所在場地的地震危險性分析結(jié)果(圖3)，按照50年超越概率63%、10%、2%三種概率水準(zhǔn)合成基巖加速度時程，其中每一種概率水準(zhǔn)合成1條時程曲線(圖4)，時程離散步長為0.02 s，離散點數(shù)2 048個，選用56個周期作為擬合目標(biāo)譜的控制點。按照《工程場地地震安全性評價》規(guī)定要求[2]，這些控制點的周期0.04 s到6.00 s按照對數(shù)等間距分布，目標(biāo)譜與擬合譜之間相對誤差小于5%。模型1和模型2人造地震動3個概率水準(zhǔn)峰值加速度分別為53.3 gal、182.3 gal、348.9 gal和51.5 gal、165.1 gal、313.1 gal。以基巖地震動時程幅值的50%作為輸入地震波進(jìn)行地震反應(yīng)分析，確定地表峰值加速度、峰值速度及反應(yīng)譜。

2.3計算結(jié)果及分析

采用一維等效線性化波動方法進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計算(廖振鵬等，1989a)，以2.2節(jié)合成的地震動時程為輸入，計算得到2個場地模型地表峰值加速度、峰值速度和反應(yīng)譜，再利用雙參數(shù)標(biāo)定方法確定出反應(yīng)譜的特征周期Tg(廖振鵬等，1989b)。具體計算結(jié)果見圖5和表5，反應(yīng)譜特征周期Tg采取雙參數(shù)法確定，表達(dá)式為：

式中，Vmax為峰值速度；Amax為峰值加速度。

從圖5可以看出：(1)模型1(Ⅳ類場地)的計算結(jié)果明顯比模型2(Ⅲ類場地)離散性大，表明場地土質(zhì)越軟對土動力學(xué)參數(shù)值越敏感；(2)模型1和模型2的計算結(jié)果均表明概率水平越低其離散性也越大，表明地震動強(qiáng)度越大對土動力學(xué)參數(shù)值越敏感，這也提醒我們在確定大震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)更慎重(目前的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)尤為關(guān)注大震不倒問題)；(3)模型1和模型2的計算結(jié)果均表明反應(yīng)譜中高頻段較低頻段對土動力學(xué)參數(shù)選用響應(yīng)明顯，這要求我們注意在以中高頻段控制設(shè)防參數(shù)確定時選用土動力學(xué)參數(shù)更要慎重；(4)模型1和模型2的計算結(jié)果均表明：對地表加速度峰值而言，統(tǒng)計2的計算結(jié)果與實測結(jié)果更接近。

圖3　模型1和2場地基巖不同超越概率反應(yīng)譜圖 Fig.3　 The site rock response spectrum curves of model l and 2 in different exceeding probabilities

圖4　模型1和2(M1和M2)場地基巖不同超越概率人造地震動時程 Fig.4　The artificial acceleration time-histories of the site rocks of model 1 and 2 (M1 and M2) in different exceeding probabilities

50年超越概率水準(zhǔn)峰值加速度Amax/(cm·s-2)峰值速度Vmax/(cm·s-1)特征周期Tg/s規(guī)范統(tǒng)計1統(tǒng)計2實測規(guī)范統(tǒng)計1統(tǒng)計2實測規(guī)范統(tǒng)計1統(tǒng)計2實測模型12%361.0378.6313.1282.664.166.363.059.30.790.780.890.9310%171.0182.1164.9153.720.119.621.720.70.490.490.490.4763%59.276.062.161.45.55.55.85.60.410.320.410.41模型22%284.5289.9292.3309.855.555.955.757.00.870.860.850.8210%163.7169.2170.8175.617.918.818.918.60.520.480.580.6063%58.159.859.961.85.45.65.65.60.410.420.420.40

圖5　模型1和2(M1和M2)在50年不同概率水平下的地表反應(yīng)譜圖 Fig.5　The surface response spectrum curves of model 1 and 2 (M1 and M2)in different exceeding probabilities

從表5的計算結(jié)果可以看出：(1)由建標(biāo)推薦值和統(tǒng)計1方法計算的地表峰值加速度值在模型1(Ⅳ類場地)大震(本場地相當(dāng)于Ⅷ度強(qiáng))水平下略有放大，這與以往工程及震害經(jīng)驗不符，而統(tǒng)計2及實測值則不存在這一現(xiàn)象；(2)特征周期值的計算結(jié)果受峰值加速度大小影響顯著，(3)取不同的土動力學(xué)參數(shù)值計算Tg結(jié)果在Ⅳ類場地大震(本場地相當(dāng)于Ⅷ度強(qiáng))水平作用下差異明顯，其他均差別不大，統(tǒng)計2值與實測值更接近。

3結(jié)語

本文給出了天津地區(qū)的土動力學(xué)參數(shù)不同方法得到的統(tǒng)計值，為了說明建標(biāo)推薦值和統(tǒng)計值的適用性和合理性，選取該區(qū)具有代表性的場地建立計算模型，分別運(yùn)用建標(biāo)值、實測值、統(tǒng)計1值和統(tǒng)計2值進(jìn)行了土層反應(yīng)計算，結(jié)果表明：

(1) 土質(zhì)越軟、地震輸入強(qiáng)度越大對土動力學(xué)參數(shù)越敏感，反應(yīng)譜的中高頻較低頻段對土動力學(xué)參數(shù)響應(yīng)明顯。

(2) 本文統(tǒng)計2值得到的反應(yīng)譜形狀與實測值得到的反應(yīng)譜形狀最接近，且能克服在該地區(qū)Ⅳ類場地條件下建標(biāo)值對強(qiáng)地震動輸入存在的放大現(xiàn)象問題。

(3) 反應(yīng)譜特征周期的標(biāo)定值受峰值加速度值影響明顯，即取不同的土動力學(xué)參數(shù)值計算Tg結(jié)果除Ⅳ類場地在大震(本場地相當(dāng)于Ⅷ度強(qiáng))水平差異明顯外，其他均差別不大，統(tǒng)計2值與實測值更接近。

綜上所述，本文統(tǒng)計2方法的土動力學(xué)參數(shù)值較建標(biāo)而言更適用于天津地區(qū)，對該地區(qū)各類工程建設(shè)的場地地震安全性評價工作具有一定的借鑒和參考價值；然而，本次工作僅選用了兩個代表性的場地進(jìn)行驗算，其實用性還有待進(jìn)一步驗證，同時隨土動力學(xué)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)的不斷積累及新統(tǒng)計方法的不斷嘗試，有待進(jìn)行更深入的統(tǒng)計分析工作。

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