昆明盆地土體動力參數對土層地震反應影響研究①

太樹剛， 李建有， 石寶文， 趙淑芳， 常玉芳， 張　鵬

(昆明南方地球物理技術開發有限公司，云南 昆明 650231)

昆明盆地土體動力參數對土層地震反應影響研究①

太樹剛， 李建有， 石寶文， 趙淑芳， 常玉芳， 張鵬

(昆明南方地球物理技術開發有限公司，云南 昆明 650231)

摘要：土動力參數是土層地震反應分析的重要參數之一，且具有較強的區域性特點。本文統計分析昆明盆地區域內101個場地的94組粉土和167組黏土的動三軸試驗數據，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)中給出的規范值做對比。結果表明：三種不同的土動力參數存在較大差異，對土層地震反應分析結果亦有較大的影響，隨著超越概率的降低，對峰值加速度、反應譜和特征周期的影響更加明顯；統計的土動力參數與實際值對應的土層地震反應分析結果較接近，因此統計的粉土和黏土土動力參數在昆明盆地具有一定的代表性和適用性，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作用。

關鍵詞：土動力參數； 統計分析； 土層反應； 昆明盆地

0引言

等效線性化土層地震反應分析方法是目前最常用的土層地震反應方法，而土的動剪切模量比和阻尼比是該方法中不可或缺的參數。《工程場地地震安全性評價》[1]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，場地中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》[2]中給出的規范值和袁曉銘等[3]對全國中東部十幾個地區的常規土類進行大量試驗所給出的推薦值。

施春花等[4]、孔宇陽等[5]和蘭景巖等[6]分別對北京地區粉質黏土、武漢地區典型土類和渤海不同土類土動力學參數進行統計分析，并做了適用性論證；呂悅軍等[7]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；戰吉艷等[8]、張亞軍等[9]分別對蘇州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，由于土的類型、形成時代及沉積環境的不同，土的動力學參數存在較強的區域性。

昆明盆地是晚新生代以來形成的斷陷盆地，上新世～第四紀沉積厚達千米，地層主要以湖積、沖積和沖洪積相為主，多以薄層或透鏡體形態分布。本文擬對昆明盆地典型土層——粉土、黏土動三軸試驗所得的動剪切模量比和阻尼比數據進行統計分析，給出不同埋深的動力學參數統計值，并通過土層地震反應分析，對比規范值和推薦值，論述本文所得的統計值對于昆明地區地震安全性評價結果的適用性。

1數據統計來源

共收集了昆明盆地區域范圍內101個場點(圖1)的94組粉土和167組黏土的動三軸試驗數據。動三軸試驗數據由云南省設計院集團勘察分院、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。收集的所有樣品埋深在1～100m之間，在浸水飽和及固結完成后，在不排水的條件下進行試驗。

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

2數據的統計結果與分析

由于土樣的埋深對土的剪切模量比和阻尼比有重要影響[10-11]，故綜合考慮統計樣本數量，剔除異常值后，按照表1中不同埋深區間進行粉土和黏土的統計。表2給出了不同埋深區間的統計平均值。

統計分析表明，隨剪應變的增大，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。以粉土15～30m區間為例，從樣本值和平均值的統計情況及離差(圖2)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0.003 6增加至0.204 8，而后減小至0.165 1；阻尼比的最大離差絕對值從0.032 0增加至0.063 4，而后減小至0.051 2。黏土在10～15m區間中，從樣本值和平均值的統計情況及離差(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0.003 8增加至0.230 3，而后減小至0.105 0；阻尼比的最大離差絕對值從0.043 8增加至0.094 2，而后減小至0.084 1。無論是粉土還是黏土，剪應變為5×10-6～1×10-4時，動剪切模量比的離差值曲線較為平緩，而剪應變為5×10-4～1×10-2時，離差值曲線“跳躍”較為明顯；對于阻尼比，不同剪應變對應的離差值曲線“跳躍”均較明顯，即阻尼比的離散性相對動剪切模量更大，這可能與黏性土阻尼的離散性較大有關[12]。

表 1　樣本量統計

表 2　不同埋深區間的統計平均值

圖2　粉土15～30 m區間動剪切模量比與阻尼比的統計平均值及離差Fig.2　Mean values and deviations of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of silt at a depth of 15～30 m

圖3　黏土5～10 m區間動剪切模量比與阻尼比的統計平均值及離差Fig.3　Mean values and deviations of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of clay at a depth of 5～10 m

圖4(a)表明：粉土的動剪切模量比統計值最高，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時不同深度的粉土統計值均大于規范值的一倍多，最大為規范值的2.5倍；與袁曉銘的推薦值相比，統計值是推薦值的1.4～1.9倍。由圖4(b)可看出，黏土的動剪切模量比同樣是統計值最高，規范值最低；剪應變在10×10-4時黏土的統計值是規范值的3.3～3.6倍；與袁曉銘的推薦值相比，統計值是推薦值的1.3～1.6倍。而粉土和黏土的三種阻尼比總體相差均不明顯。

圖4　動剪切模量比和阻尼比統計值與規范值、袁曉銘推薦值的對比Fig.4　Comparison of the values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio proposed by Yuan Xiaoming,code,and values in this paper

3土體動力參數對土層地震反應的影響

動剪切模量比和阻尼比對土層動力反應的影響顯著[13-14]，尤其是地震活動強烈地區(≥0.2g的區域)，等效應變10-3附近或更高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[15]。上述統計分析表明統計值、規范值和推薦值有較大差異。為了分析這種差異對土層地震反應分析的影響，下面針對2個實際場地鉆孔模型，分別運用統計值、推薦值、規范值及實際值(鉆孔中土樣動三軸試驗值)4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

采用昆明盆地2個典型鉆孔作為計算模型(表3)。計算模型1和計算模型2中剪切波速、密度值和其余土類的動力學參數均為實測所得，僅粉土和黏土的土動力學參數采用統計值、推薦值、規范值和實際值分別進行計算。

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%和2%三種概率水準合成基巖加速度時程。為了考慮相位隨機的影響，每一概率水準合成3條時程曲線(圖5)進行土層地震反應計算。土層地震反應分析采用一維頻域等效線性化計算程序[16]。

3.2土層地震反應計算結果及分析

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%的地表平均反應譜見圖6，地震動加速度峰值和速度峰值列于表4。反應譜特征周期利用雙參數法[17]確定(表5)：

表 3　計算模型

圖5　輸入地震動加速度時程Fig.5　Acceleration time histories of ground motion

表 4　不同土動力學參數取值下的峰值加速度和峰值速度

表 5　不同土動力學參數取值下的特征周期

式中：Amax為加速度峰值；Vmax為速度峰值。

從圖6可以看出，50年超越概率為63%的情況下，四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，實測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，譜值從高到低依次為實測值、推薦值和規范值；而在低頻段正好相反。采用本文統計值計算所得的反應譜較推薦值和規范值，是最接近實際反應譜的。由表4～表6可以得出，用統計值計算所得的地震動參數最接近實測值的地震動參數，相差不超過10%；而采用推薦值和規范值所得的計算結果與實測值的差異較大，規范值的更甚。隨著概率水準的減小，峰值加速度的差異變大，峰值速度和特征周期亦有變大的趨勢。

圖6　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 of different soil dynamic parameters at different exceeding probabilities

計算模型概率水準(50年)誤差值/%峰值加速度T1T2T3峰值速度T1T2T3特征周期T1T2T363%4132101341424110%425613123035952%539725154414210063%3102231201225210%616584319221922%1021744238725141

注：表中T1、T2、T3分別代表統計值、推薦值和規范值

綜上所述，不同土動力參數對以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。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

本文對昆明盆地粉土和黏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，得出以下結論：

(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。而三者的阻尼比總體相差不明顯。

(2) 50年超越概率為63%的情況下，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；50年超越概率為10%和2%時，實測值對應的反應譜與規范值和推薦值的差別較明顯，而與統計值較接近，誤差不超過10%。

(3) 在高、中頻段，統計值和推薦值計算的反應譜高于規范值計算的反應譜；在低頻段則正好相反。

(4) 不同概率水準下計算的特征周期，統計值最小，規范值最大，兩者最大相差約1倍。

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作用。由于統計樣本數量的限制，統計中只考慮了圍壓(埋深)對土動力學參數的影響，而未考慮土體的密度、狀態、沉積時代等因素的影響。鑒于多因素的影響，土動力學參數具有較大的離散性，故在影響重大的工程和超高層建筑中不可直接使用本文的統計值。

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EffectofSoilDynamicParametersonSeismicResponseofSoilLayersinKunmingBasin

TAIShu-gang,LIJian-you,SHIBao-wen,ZHAOShu-fang,CHANGYu-fang,ZHANGPeng

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

Abstract:Dynamic soil parameters are important for analyzing the seismic response of the soil layer,and have strong regional characteristics. The Kunming basin is a faulted basin that developed after the Late Cenozoic Era. The Pliocene to Quaternary sedimentary thickness reaches up to one thousand meters. The stratum formation is mainly composed of deposition, grade alluvial, and alluvial faces with the shape distribution of a thin layer or lens. The typical soil layer in Kunming basin consists of silt and clay soils. For a deeper understanding of the dynamic soil characteristics in Kunming basin and to conduct a seismic safety evaluation of construction sites, it is important to investigate the statistical values of the dynamic parameters such as the shear modulus ratio and the damping ratio of silt and clay soils at different depths in the Kunming region. In addition, studies are needed to compare the effects of the dynamic parameters′ statistical values, norm values, and the recommended values on the soil seismic response by developing soil layer models and analyzing soil seismic responses. In this paper, we analyze the triaxial test dynamic parameters of silt and clay from 94 and 167 sample groups, respectively, collected from 101 sites in the Kunming basin region. Based on our soil seismic response calculations, we compare our results with the values recommended from Yuan Xiaoming and with those found in the code for the seismic safety evaluation of engineering sites (DB001-94). The results show that our statistical values of the dynamic parameters differ greatly from the other two sets of recommended values.The effects of different dynamic parameters on the soil seismic response are obvious and those with a lower probability of exceedance include the influences on peak acceleration, response spectra, and characteristic period. The site response analysis results of the statistical and test values are similar. The statistical values can be used for reference in work levels Ⅱ and Ⅲ for the seismic risk assessment of engineering projects in Kunming basin.

Key words：soil dynamic parameters; statistical analysis; soil seismic response; Kunming basin

收稿日期：①2015-04-13

作者簡介：太樹剛(1978-)，男，工程師，主要從事工程場地地震安全性評價和工程質量檢測工作。E-mail：sgtai78@163.com。

中圖分類號:O324；TU311.3

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0382-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0382