海域不同類別場地地震動參數變化規律研究1

王篤國 尤紅兵 張 合 呂國軍

1）中國地震災害防御中心，北京 100029

2）河北省地震局，石家莊 050021

引言

近年來，隨著海上風電、海洋石油平臺、跨海大橋、海底隧道等海洋工程建設的不斷發展，對海域工程場地地震動參數的需求越來越迫切。《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306－2015）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局）是目前我國陸域新建、改建、擴建一般建設工程抗震設防基礎依據，而海域地震動參數區劃尚無國家標準，已不能滿足海洋工程建設相關需求。海域場地表層多具有較厚軟土，且覆蓋層較厚，場地條件與陸域場地具有較大差異（李小軍等，2020；Hu 等，2020），需建立與海域場地條件相適應的場地地震動參數確定方法。

海域工程地震安全性評價工作的開展為研究地震動在海域工程場地中的傳播規律積累了豐富資料，李小軍（2006）對海域工程場地地震動參數確定的特殊問題進行了分析，指出需特別重視海底軟弱土層場地對地震動參數的影響。王炳輝等（2007）、潘華等（2011）、孫田等（2013）、榮棉水等（2014）針對海域土體剪切波速隨深度變化規律、海域土體動模量和阻尼比等土體動力非線性參數問題展開了研究，分析了海域土體動力學參數變化規律。目前，關于海域工程場地地震動參數的研究主要集中于海域土體動力參數和土層反應分析方法等，關于海域不同類別工程場地地震動參數變化規律的研究相對較少。

基于海域場地分類標準（李小軍等，2021），選取南海海域典型鉆孔剖面作為計算模型。由于海域實測鉆孔資料有限，人工構造部分鉆孔計算模型，對126 條不同特性地震動輸入下5 種場地計算模型開展了土層反應分析計算，分析了不同地震動輸入下不同類別場地峰值加速度和特征周期變化規律。

1 地震動輸入確定

輸入地震動加速度反應譜采用《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306－2015）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局）給出的形式：

式中：Amax為設計地震動峰值加速度；β(T) 為設計地震動加速度放大系數反應譜；βm、T0、Tg、Tm、γ分別表示地震動放大系數反應譜平臺值、第一拐點周期、第二拐點周期（即特征周期）、周期值范圍上限值、下降段下降速度控制參數。本研究βm、T0、Tm、γ分別取2.5、0.10 s、6.0 s、0.9。峰值加速度取50、100、150、200、300 、400 gal，特征周期取0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.55、0.65 s，共42 種工況。峰值加速度為150 gal 時，不同特征周期下輸入地震動加速度反應譜如圖1 所示。考慮隨機相位的影響，每種工況計算3 個隨機相位加速度時程，采用三角級數法共合成126 條輸入地震動加速度時程。合成的時程均以0.02 s 為間隔，時程離散值點數均為4 096。目標反應譜在0.04～6 s 內取80 個控制點，以保證合成地震動時擬合目標反應譜精度。在合成過程中，利用逐步逼近目標譜的方法，使合成的加速度時程精確滿足目標峰值加速度，并近似滿足目標加速度反應譜，擬合目標加速度反應譜時的相對誤差＜5%。

圖1 輸入地震動加速度反應譜Fig. 1 Input earthquake acceleration response spectrum with different characteristic periods

2 計算模型

由于海域地震工程地質鉆孔資料相對缺乏，本研究選取部分海域鉆孔實測資料，另外，根據海域工程場地分類標準，人工構造部分鉆孔計算模型，以補充海域實測鉆孔資料的不足。根據表1 所示海域場地分類標準（李小軍，2021），人工構造3 個鉆孔計算模型，分別對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地（場地分類名稱為本文自定義），2 個實測鉆孔對應Ⅳ、Ⅴ類場地。

表1 海域場地分類標準Table 1 Site classification standards for ocean areas

2.1 實測鉆孔計算模型

依據南海海域海洋石油平臺地震安全性評價工作工程地質鉆孔（陸鳴等，2003，2005）構造實測鉆孔計算模型，分別對應Ⅳ、Ⅴ類場地，其中Ⅳ類場地表層為非常松散的砂土、粉質黏土，Ⅴ類場地表層為非常軟的粉質黏土。限于篇幅，僅給出Ⅴ類場地鉆孔計算模型，如表2 所示，海域土體動剪切模量比和阻尼比如圖2 所示。

表2 Ⅴ類場地計算模型Table 2 Calculation model for V classification site

圖2 土樣動剪切模量和阻尼比隨剪應變變化曲線Fig. 2 Change curves for shear modulus and damp ratio with shear strain of soil specimens

2.2 人工構造鉆孔計算模型

依據海域場地分類標準，主要參考Ⅴ類場地計算模型資料，土動力非線性參數采用圖2 給出的結果，人工構造3 個鉆孔計算模型，分別對應Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ類場地，限于篇幅，僅給出Ⅰ1類場地鉆孔計算模型，如表3所示。

表3 Ⅰ1 類場地鉆孔計算模型Table 3 Calculation model for Ⅰ1 classification site

3 計算方法

假定海域場地介質特性、地形變化沿水平面方向并不顯著，采用一維場地模型考慮場地條件對地震地面運動的影響。對一維場地模型地震地面運動影響的分析，采用《工程場地地震安全性評價》（GB 17741-2005）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局）推薦的一維土層剪切動力反應分析等效線性化方法，基本原理可參考Idriss（1992）的研究，本文不再詳細論述。

4 結果分析

基于126 條輸入地震動時程和5 種場地計算模型，采用等效線性化方法進行土層反應分析計算，得到場地地表地震動參數，并對不同類別場地條件下峰值加速度和特征周期變化規律進行分析。

4.1 地震動峰值加速度放大系數變化規律

峰值加速度放大系數定義為土層反應分析計算得到的峰值加速度與輸入地震動峰值加速度的比值，不同輸入地震動特征周期和峰值加速度下Ⅰ1類場地峰值加速度放大系數如表4 所示。由表4 可知，輸入地震動特征周期取值對峰值加速度放大系數的影響較小，輸入地震動強度對峰值加速度放大系數的影響較大，因此，在分析不同類別場地峰值加速度放大系數變化規律時，主要考慮地震動輸入強度的影響。

表4a Ⅰ1 類場地峰值加速度放大系數Table 4a Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site

表4b Ⅰ1 類場地峰值加速度放大系數Table 4b Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site

不同地震動輸入下不同類別場地峰值加速度放大系數如表5 所示，由表5 可知，同一場地類別下，隨著地震動輸入強度的增大，峰值加速度放大系數總體上越來越??；同一地震動輸入強度下，隨著場地變軟，峰值加速度放大系數越來越小；對于Ⅰ1、Ⅱ類場地，在本研究考慮的工況下，峰值加速度放大系數均＞1.0；對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類場地，當輸入地震動峰值加速度＞150 gal，甚至100 gal 的情況下，峰值加速度放大系數開始＜1.0，這是由于隨著地震動輸入強度的增大，厚軟場地非線性效應顯著，地震動高頻成分被濾掉，導致地表峰值加速度較輸入地震動峰值加速度小。

表5 不同類別場地峰值加速度放大系數Table 5 Statistical charts of peak acceleration amplification coefficient for different classification sites

4.2 地表反應譜特征周期變化規律

對場地地震動加速度反應譜進行規準，從而確定場地地表反應譜特征周期，規準譜與場地地表加速度反應譜的對比曲線如圖3 所示。由圖3 可知，利用同一加速度目標反應譜生成的3 個隨機時程進行土層反應分析計算時，得到的場地地表反應譜特征周期基本一致，因此對3 個隨機時程樣本地表反應譜特征周期取相同值。

圖3 場地地表加速度反應譜與規準譜Fig. 3 Relationship between site surface acceleration response spectrum and calibration spectrum

不同輸入地震動特征周期和峰值加速度下Ⅰ1類場地地表加速度反應譜特征周期如表6 所示，由表6 可知，場地地表反應譜特征周期與輸入地震動特征周期密切相關，輸入地震動特征周期越大，場地地表反應譜特征周期越大；輸入地震動強度對地表反應譜特征周期具有一定影響，輸入地震動強度越大，可能導致地表反應譜特征周期越大。

表6 Ⅰ1 類場地反應譜特征周期Table 6 Characteristic period of acceleration response spectrum for Ⅰ1 classification site

考慮我國陸域場地地震動參數區劃圖對特征周期進行調整時主要考慮場地類別的影響，本研究在歸納特征周期變化規律時采用了同樣原則，不同類別場地地表反應譜特征周期如表7 所示。由表7 可知，隨著場地變軟，特征周期變大，對于Ⅴ類場地，特征周期最高可達1.8 s，表明強地震動作用下厚軟場地呈現出強非線性特征，地震動長周期成分豐富。

表7 不同類別場地地表反應譜特征周期Table 7 Characteristic period of acceleration response spectrum for different classification sites

5 結論

在實測鉆孔模型和人工構造計算模型的基礎上，采用等效線性化方法，對不同輸入地震動下不同類別場地開展了土層反應分析計算，歸納總結了不同類別場地峰值加速度放大系數和特征周期變化規律，得出以下結論。

（1）海域不同類別場地峰值加速度放大系數隨著地震動輸入強度的增大，總體上呈減小趨勢，尤其是對于Ⅴ類場地，強地震動作用下地表峰值加速度僅為輸入地震動峰值加速度的50%左右。

（2）海域場地特征周期較大，很多工況下特征周期＞1 s，海域場地地震動長周期成分豐富，對于自振周期較長的海洋工程，應充分考慮長周期成分豐富的地震動對結構的影響。

本研究給出的海域不同類別場地峰值加速度放大系數和特征周期變化規律，可為海域工程抗震設防和編制海域場地地震動參數區劃圖提供參考。由于海洋工程地質條件復雜，本研究采用的計算模型和計算方法具有一定局限性，需對海域土體非線性動力特性和計算方法開展進一步研究工作，即采用多種計算方法開展多個不同類別海域場地地震反應分析研究，探討海域場地地震動工程特性，為海域工程抗震設防提供科學依據。