礦山工程施工中場(chǎng)地覆蓋層厚度對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值αmax 的影響分析

匡祥文，華 影

（鎮(zhèn)江市地質(zhì)勘探隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212021）

近年來，各礦山開采區(qū)周圍的地質(zhì)活動(dòng)十分頻繁，由此也引起了人們對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)烈關(guān)注，如何減輕地質(zhì)災(zāi)害已成為人們?cè)絹碓疥P(guān)注的問題。作為表征、研究地質(zhì)災(zāi)害變化特征的主要手段之一，反應(yīng)譜建立了地質(zhì)災(zāi)害特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)之間的橋梁，已在礦山工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用。從概念上說反應(yīng)譜是具有不同周期和一定阻尼的單質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在地面運(yùn)動(dòng)影響下最大反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振周期的關(guān)系曲線。反應(yīng)譜的平臺(tái)值αmax是表征反應(yīng)譜特征的一個(gè)重要參數(shù)，地表加速度反應(yīng)譜的平臺(tái)值主要受輸入地震動(dòng)和場(chǎng)地條件的影響。理論分析和實(shí)測(cè)的結(jié)果都證明：基巖之上的覆蓋地質(zhì)層對(duì)基巖輸入的震動(dòng)有明顯的放大作用，一般峰值加速度A 被放大2 倍～4 倍。

各類抗震規(guī)范中均對(duì)不同水平的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜譜形、平臺(tái)值及特征周期。我國現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)，主要是根據(jù)場(chǎng)地的覆蓋層厚度和等效剪切波速來進(jìn)行場(chǎng)地類別的劃分，并根據(jù)地層震動(dòng)強(qiáng)度和場(chǎng)地類別來確定設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。這種既便于實(shí)際應(yīng)用又能體現(xiàn)出地層震動(dòng)主要特點(diǎn)的簡(jiǎn)化方法，已在抗震設(shè)計(jì)等工作中發(fā)揮了巨大作用。覆蓋層的厚度對(duì)震害的影響，己廣泛被人們所了解，關(guān)于覆蓋層厚度對(duì)反應(yīng)譜的影響，我國研究者們已經(jīng)做了很多有價(jià)值的成果，可參考文章《典型土層剖面的地震反應(yīng)分析》、《粘彈性模型參數(shù)對(duì)土層地震反應(yīng)的影響》、《設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)選取中有關(guān)影響因素的研究》、《土層結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值的影響》、《土體參數(shù)對(duì)地表加速度峰值和反應(yīng)譜的影響》、《土層結(jié)構(gòu)對(duì)地表地震動(dòng)參數(shù)影響的研究》。

研究礦山工程施工中覆蓋層厚度對(duì)地表地震動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)深入理解地質(zhì)災(zāi)害具有重要的理論和實(shí)際意義。覆蓋層厚度這一場(chǎng)地條件對(duì)地層震動(dòng)的影響在很早就已被發(fā)現(xiàn)，很多案例都體現(xiàn)了覆蓋層厚度對(duì)地震動(dòng)的影響。本文就礦山工程施工覆蓋層厚度對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值αmax的影響這一當(dāng)前巖土工程抗震研究領(lǐng)域人們比較關(guān)注的問題進(jìn)行研究，揭示覆蓋層厚度這一場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜的影響。

1 地質(zhì)災(zāi)害反應(yīng)分析概述

地質(zhì)災(zāi)害反應(yīng)分析是礦山工程施工前所要研究的重要課題，也是研究不同場(chǎng)地條件對(duì)地層震動(dòng)影響的重要方法之一。目前關(guān)于土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型的問題還未圓滿解決，通常采用等效線性化方法處理地層非線性地震反應(yīng)問題，目前在礦山工程施工上廣泛應(yīng)用的是一維等效線性化地層地震反應(yīng)分析方法，其是在完全線彈性一維地層地震反應(yīng)基礎(chǔ)上應(yīng)用復(fù)阻尼理論和等效線性化解法提出的。

試驗(yàn)表明，在強(qiáng)烈動(dòng)荷載作用下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性。同時(shí)，這一關(guān)系受到密度、模量、含水量、圍壓、孔隙比、外荷載幅值、頻率、循環(huán)次數(shù)以及加載歷史等諸多因素的影響。然而，在工程應(yīng)用中，不可能把所有的因素都考慮進(jìn)去，只能根據(jù)礦山工程施工的需求需要來考慮其中的主要因素，選取恰當(dāng)?shù)耐馏w應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。

地質(zhì)體介質(zhì)沿豎向及兩個(gè)水平向都是變化的，嚴(yán)格從理論上講，地層地震反應(yīng)分析是一個(gè)三維動(dòng)力反應(yīng)問題，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可將場(chǎng)地簡(jiǎn)化為沿豎向及一個(gè)水平向變化明顯，沿另一個(gè)水平向變化不明顯或無變化的二維地層模型，即可用二維方法分析地層地震反應(yīng)，目前二維非線性方法還不很完善，較為成熟且己應(yīng)用于工程的是線性反應(yīng)分析方法。三維分析方法目前在工程上應(yīng)用還較少。

目前在工程上應(yīng)用較多的是一維地層地震反應(yīng)分析方法，基本假設(shè)是：①覆蓋層和下臥基巖為力學(xué)性質(zhì)豎向成層變化，橫向?yàn)榫鶆虻陌霟o限空間；②地震輸入是垂直向上入射的平面剪切波。即將地質(zhì)體介質(zhì)簡(jiǎn)化為均勻成層的一維地層模型來進(jìn)行地層地震反應(yīng)分析的方法，為了考慮地質(zhì)體的非線性效應(yīng)，一般采用等效線性化分析方法，直接時(shí)域非線性逐步積分方法也是考慮地質(zhì)體的非線性效應(yīng)的方法，但由于目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的、完善的本構(gòu)模型，未能推廣應(yīng)用。

表1 各剖面地層參數(shù)

2 地層劃分與各地層參數(shù)

本文直接利用實(shí)際強(qiáng)震記錄,選取了el centro 波做為基巖的地震動(dòng)輸入，為了從多角度對(duì)土層地震反應(yīng)進(jìn)行分析，把峰值分別取為50gal、100gal 和150gal，記為地震波A、B、C。圖1 所示為地震波A 的加速度時(shí)程，地震波B、C 的形狀相同，只是峰值高度有所不同。

圖1 地震波A 的加速度時(shí)程

圖2 所示為地震波A 的加速度反應(yīng)譜，同理，地震波B、C 的形狀也是如此，只是峰值高度有所不同。

圖2 地震波A 的加速度反應(yīng)譜

2.1 計(jì)算剖面的選取

在分析了多個(gè)礦山工程施工場(chǎng)地的鉆孔資料的基礎(chǔ)上，從中選取符合要求的典型剖面，且為了詳細(xì)的研究覆蓋層厚度對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值的影響，還人工構(gòu)造若干剖面。所選取和構(gòu)造的這些地層剖面既有地質(zhì)意義又有工程意義。在這些剖面中各地層的剪切波速按不同規(guī)律排列，既有遞增型的也有混合型的。共選取了16 個(gè)總厚度不同的剖面，每個(gè)剖面都分為12 層，各層的剪切波速、密度不變。地層厚度依次變?yōu)?m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m、65m、70m、75m、80m。剖面各地層的非線性資料均取自試驗(yàn)結(jié)果，具體地層計(jì)算參數(shù)見表1 和表2。

2.2 地層參數(shù)

表2 剖面各地層的非線性資料

表3 各剖面在三條地震動(dòng)輸入下的反應(yīng)譜平臺(tái)值αmax

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算過程與數(shù)據(jù)

首先通過一維地層地震反應(yīng)線性化計(jì)算程序計(jì)算出各剖面在不同地震動(dòng)輸入下的加速度反應(yīng)譜，再根據(jù)加速度反應(yīng)譜計(jì)算出反應(yīng)譜的平臺(tái)值αmax。由于加速度反應(yīng)譜的數(shù)據(jù)比較繁多，這里就不列舉了，直接寫出各剖面在三條地震動(dòng)輸入下的平臺(tái)值αmax。

3.2 結(jié)果及分析

圖3 覆蓋層厚度對(duì)地表反應(yīng)譜平臺(tái)值αmax 值的影響

由圖3 可得出：

（1）地表反應(yīng)譜平臺(tái)值αmax隨覆蓋地層厚度的改變而變化。

當(dāng)覆蓋地層厚度H 小于45m 時(shí)，αmax值隨H 變化較大。

當(dāng)覆蓋地層厚度H 大于45m 時(shí)，αmax值隨H 變化很小。

當(dāng)覆蓋地層厚度H 小于25m（地震動(dòng)A）、35m（地震動(dòng)B）、45m（地震動(dòng)C）時(shí)，αmax值隨H 的增加而增大。

當(dāng)覆蓋地層厚度H 大于25m（地震動(dòng)A）、35m（地震動(dòng)B）、45m（地震動(dòng)C）時(shí)，αmax值隨H 的增加而減小。

（2）對(duì)同一剖面，輸入的地震動(dòng)強(qiáng)度越大地表反應(yīng)譜的平臺(tái)值αmax值越大。

4 結(jié)語

本文利用礦山工程施工廣泛應(yīng)用的場(chǎng)地地震反應(yīng)分析的一維等效線性化波動(dòng)方法，計(jì)算了在不同地震動(dòng)輸入下的不同覆蓋土層厚度剖面的平臺(tái)值αmax，最后總結(jié)出了以下結(jié)論：①地表反應(yīng)譜平臺(tái)值隨覆蓋層厚度的改變而變化：當(dāng)覆蓋層厚度H 小于45m 時(shí)，αmax值隨H 變化較大；當(dāng)覆蓋層厚度H 大于45m 時(shí)，αmax值隨H 變化很小。②對(duì)同一剖面，輸入的地震動(dòng)強(qiáng)度越大地表反應(yīng)譜的平臺(tái)值αmax值越大。

本文研究的是覆蓋層厚度對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值αmax的影響，這是為以后實(shí)際工程中輸入地震動(dòng)的選擇做一點(diǎn)基礎(chǔ)性的研究工作，由于時(shí)間和作者的水平有限，還有許多方面需要進(jìn)一步的加強(qiáng)和完善。本人認(rèn)為以后應(yīng)該在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）其他場(chǎng)地條件：實(shí)際地層結(jié)構(gòu)的變化對(duì)反應(yīng)譜的影響更加明顯，因此有必要開展深入的研究。

（2）其他反應(yīng)譜特征：反應(yīng)譜的平臺(tái)值αmax只是表征反應(yīng)譜特征的重要參數(shù)之一。反應(yīng)譜的特征周期，反應(yīng)譜的整體形狀等等都對(duì)建筑工程、巖土工程有重要意義，都很有研究?jī)r(jià)值。

（3）地層反應(yīng)程序的改進(jìn)：一維土層反應(yīng)分析方法，考慮的覆蓋層及地表是水平成層并無限延伸的，是一種理想化的考慮，而實(shí)際情況就很復(fù)雜，因此很有必要對(duì)二維或三維土層地震反應(yīng)分析方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究。