基于SOILQUAKE軟件方法的厚層淤泥場地設(shè)防地震動(dòng)參數(shù)確定探討

夏 峰

(中國地震局第一監(jiān)測中心, 天津 300180)

0 引言

土層地震反應(yīng)分析是場地條件對(duì)地震動(dòng)影響研究中一個(gè)重要研究內(nèi)容,是場地工程地震安全性評(píng)價(jià)工作中關(guān)鍵技術(shù)手段之一,其合理性和可靠性對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)影響很大[1-2]。

目前,國際上考慮場地條件對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)影響主要的還是一維土層地震反應(yīng)計(jì)算方法,其中最具有代表性的是SHAKE2000計(jì)算程序方法[3]和時(shí)域非線性DEEPSOIL5.0計(jì)算程序方法[4]。我國《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)》規(guī)范中推薦使用的方法是由廖振鵬和李小軍提出的等效線性化法[5],該方法在我國地震安全性評(píng)價(jià)工作中被廣泛采用。以上國內(nèi)外三個(gè)土層計(jì)算程序在一定程度上滿足了以往工程設(shè)防要求,但隨著應(yīng)用的深入和不斷的工程經(jīng)驗(yàn)積累,也發(fā)現(xiàn)存在不少問題。由于等效線性化方法是以線彈性分析為基礎(chǔ),是一種對(duì)土體非線性的近似處理方法,通過數(shù)值迭代方法來近似考慮土體非線性動(dòng)力特征的,并沒有真正地反映土體的非線性,在計(jì)算中存在過度的算法共振效應(yīng)現(xiàn)象,尤其是厚層軟土場地在強(qiáng)震作用下尤為明顯,計(jì)算反應(yīng)譜明顯呈現(xiàn)峰值低,反應(yīng)譜矮、寬[6-7]的現(xiàn)象,不能很好地反映出場地條件真實(shí)的地震響應(yīng),為后繼的設(shè)防參數(shù)確定帶來較大的不確定性,進(jìn)而留下工程隱患。

為此,袁曉銘等[8-9]采用頻率一致方法(FCM,Frequency-Consistent Method),提出了新一代土層地震反應(yīng)分析方法:SOILQUAKE軟件方法,在有限工況的初步檢驗(yàn)表明該程序表現(xiàn)良好。另外,李兆焱等[10]用該軟件檢驗(yàn)了巨厚場地計(jì)算結(jié)果,對(duì)比結(jié)果表明新一代土層地震反應(yīng)分析SOILQUAKE軟件方法結(jié)果與記錄結(jié)果吻合程度最高。本次工作以天津某厚層淤泥場地資料為基礎(chǔ),同時(shí)采用新一代土層地震反應(yīng)分析SOILQUAKE軟件方法和等效線性化方法進(jìn)行計(jì)算,對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果,為該地區(qū)類似厚層淤泥場地設(shè)防參數(shù)確定提供參考,進(jìn)而探索新一代土層地震反應(yīng)分析SOILQUAKE軟件方法對(duì)特定場地條件影響、特定地震影響環(huán)境和與當(dāng)前抗震規(guī)范銜接應(yīng)用問題。

1 場地地震構(gòu)造環(huán)境及場地條件概述

1.1 場地地震構(gòu)造環(huán)境

場地地震構(gòu)造環(huán)境是影響場地建、構(gòu)筑物設(shè)防的關(guān)鍵因素,它通常是客觀存在的,但又是隨著時(shí)間和認(rèn)知水平變化的,地震工作者的任務(wù)是在給定風(fēng)險(xiǎn)水準(zhǔn)條件下預(yù)估未來一段時(shí)間內(nèi)(通常與建構(gòu)、筑物設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期有關(guān))設(shè)防水準(zhǔn)。地震構(gòu)造環(huán)境在目前設(shè)防地震動(dòng)確定過程中最直接的體現(xiàn)就是潛在震源區(qū)分布圖及相關(guān)參數(shù),它代表了當(dāng)前對(duì)某地區(qū)地震及構(gòu)造工程應(yīng)用處理的認(rèn)知水平。圖1是新版區(qū)劃圖[11]給出的對(duì)工程場區(qū)有影響范圍的潛源分布圖。

由圖1可知,場址區(qū)域范圍潛源多數(shù)呈北東和北西向分布,表明該區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造也多呈北東向和北西向展布。場址位于北西向構(gòu)造控制26號(hào)大沽7.0級(jí)潛源上。此外,19號(hào)天津7.0潛在震源區(qū)和18號(hào)唐山8.0級(jí)潛在區(qū)離場址較近,對(duì)場址地震環(huán)境影響明顯。

圖1 工程場址區(qū)域潛源分布圖Fig.1 Potential source distribution map of the project site area

1.2 場地條件概述

2 計(jì)算模型建立

等效線性化方法所需的場地模型土層鉆孔剖面參數(shù)和土動(dòng)力學(xué)參數(shù)完全引用文獻(xiàn)[12],這里不再詳述。為了與等效線性化方法有可比性,SOILQUAKE軟件方法建模完全參照等效線性化方法分層建模,只是按照SOILQUAKE軟件方法輸入略作變換,見表1。其中土動(dòng)力學(xué)參數(shù)也完全參照文獻(xiàn)[12]中表2的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

表1 SOILQUAKE軟件方法場地模型土層鉆孔剖面參數(shù)

表2 兩種方法計(jì)算的場地地表峰值加速度結(jié)果Table 2 Calculation results of peak acceleration of ground surface by two methods

3 輸入地震動(dòng)參數(shù)確定

考慮最新版區(qū)劃圖[11]研究成果,本次工作采用新版區(qū)劃圖地震統(tǒng)計(jì)區(qū)、潛源參數(shù)和地震動(dòng)衰減關(guān)系,對(duì)場地進(jìn)行了場地地震危險(xiǎn)性概率分析計(jì)算。考慮到新版區(qū)劃圖給出了極罕遇地震動(dòng)參數(shù),故本次分別計(jì)算了場地100年超越概率1%和50年超越概率63%、10%、2%的基巖5%阻尼比的結(jié)果,分別對(duì)應(yīng)的場地設(shè)防水準(zhǔn)是極罕遇地震動(dòng)、罕遇地震動(dòng)、基本地震動(dòng)和多遇地震動(dòng)水平,如圖2所示,其對(duì)應(yīng)的基巖加速度峰值分別為554.8 gal、369.2 gal、186.1 gal和48.2 gal。

圖2 場地基巖不同超越概率反應(yīng)譜Fig.2 Response spectra of site bedrock for different exceedance probabilities

基巖加速度的工程特性,主要由加速度峰值、頻譜和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間這三個(gè)要素決定。將地震危險(xiǎn)性分析得到的基巖峰值加速度和反應(yīng)譜作為合成的目標(biāo)函數(shù),結(jié)合適應(yīng)本場址地區(qū)地震活動(dòng)特征的強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù),采用擬合目標(biāo)函數(shù)的三角級(jí)數(shù)迭加法合成基巖地震加速度時(shí)程,作為場地地震動(dòng)反應(yīng)分析的輸入基巖地震動(dòng)加速度的時(shí)程。給出三個(gè)以上相互獨(dú)立的隨機(jī)樣本時(shí)程,反應(yīng)譜擬合周期控制點(diǎn)數(shù)不得少于50個(gè),周期控制點(diǎn)應(yīng)大體均勻地分布于周期的對(duì)數(shù)坐標(biāo)上,控制點(diǎn)譜的相對(duì)誤差應(yīng)小于5%。本次工作在滿足上述技術(shù)要求前提下,以場地地震危險(xiǎn)性分析得到50年超越概率2%、10%、63%和100年超越概率1%的基巖反應(yīng)譜為目標(biāo)譜各合成三個(gè)相互獨(dú)立樣本時(shí)程,作為土層地震反應(yīng)分析的輸入(圖3)。

圖3 場地基巖不同超越概率人造地震動(dòng)時(shí)程Fig.3 Artificial ground motion time histories of site bedrock for different exceedance probabilities

4 地震反應(yīng)分析

4.1 峰值加速度計(jì)算分析

在上述人造地震動(dòng)時(shí)程輸入條件下分別采用等效線性化方法和SOILQUAKE軟件方法進(jìn)行了土層反應(yīng)計(jì)算,分別得到了地表峰值加速度值(表2)和加速度反應(yīng)譜(圖4,黑實(shí)線為不同相位計(jì)算地表反應(yīng)譜,紅粗線為標(biāo)定的設(shè)計(jì)譜)。

圖4 土層反應(yīng)計(jì)算地表反應(yīng)譜及標(biāo)定設(shè)計(jì)譜Fig.4 Surface response spectrum and calibration design spectrum calculated by soil response

從表2計(jì)算結(jié)果來看,等效線性化方法(LSSRLI-1程序)計(jì)算的峰值加速度除了場地多遇地震(50 a-63%)條件下有所放大外,其他場地概率水準(zhǔn)條件輸入下峰值加速度均有所減小,且輸入地震動(dòng)強(qiáng)度越大峰值加速度減小幅度越大,這與以往等效線性化計(jì)算認(rèn)識(shí)一樣;新一代土層地震反應(yīng)分析SOILQUAKE軟件方法計(jì)算的峰值加速度則較輸入值均有不同程度增幅,且增幅隨輸入地震動(dòng)強(qiáng)度減小峰值加速度增加幅度越大,在場地極罕遇地震動(dòng)(100 a-1%)輸入下仍是放大的,這與以往等效線性化方法計(jì)算認(rèn)識(shí)相左,但這一趨勢與美國國家減輕地震災(zāi)害計(jì)劃[13]認(rèn)識(shí)相一致。

4.2 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜計(jì)算分析

為了與當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相協(xié)調(diào),本次工作按建筑規(guī)范[14]給出的地震影響系數(shù)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)譜標(biāo)定,其表達(dá)式為:

式中:α(T)為地震影響系數(shù),αmax為地震影響系數(shù)最大值;Tg為特征周期;γ為衰減指數(shù);η1為直線下降段的斜率調(diào)整系數(shù),取為0.02;η2為阻尼調(diào)整系數(shù),取為1.0。

為了與新版區(qū)劃圖[11]結(jié)果有一定可比性,本次計(jì)算的設(shè)計(jì)譜標(biāo)定動(dòng)力放大系數(shù)βmax均取為2.5,標(biāo)定時(shí)先確定設(shè)計(jì)譜平臺(tái)段高度,然后反算出設(shè)計(jì)譜峰值加速度。表3列出了不同方法確定的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)結(jié)果。為了對(duì)不同方法不同概率水準(zhǔn)設(shè)計(jì)譜更直觀的比較,將表3的參數(shù)繪制成圖5所示。由于新版區(qū)劃圖結(jié)果僅給出設(shè)計(jì)譜峰值加速度,未給出設(shè)計(jì)譜特征周期值,圖5中新版區(qū)劃圖確定的極罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜特征周期值參照罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)

表3 不同方法確定的場地地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)Table 3 The design ground motion parameters of the ground surface determined by different methods

圖5 不同方法確定的場地地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜Fig.5 The design ground motion spectrum of the ground surface determined by different methods

譜特征周期值的結(jié)果給出。

從表3和圖5中不同方法確定的厚層淤泥場地不同概率水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)來看,不同方法差別較大。與新版區(qū)劃圖結(jié)果相比,等效線性化方法在多遇地震作用下明顯偏低;在基本地震作用下等效線性化方法設(shè)計(jì)譜在特征周期大于0.9 s時(shí)與新版區(qū)劃圖結(jié)果基本吻合,但在小于0.9 s時(shí)與新版區(qū)劃圖結(jié)果差別較大,且可能會(huì)低估場地設(shè)防烈度;在罕遇地震作用下等效線性化方法設(shè)計(jì)譜在特征周期約大于0.9 s時(shí)大于新版區(qū)劃圖結(jié)果,但在小于0.9 s時(shí)略小于新版區(qū)劃圖結(jié)果;在極罕遇地震作用下等效線性化方法設(shè)計(jì)譜在特征周期約大于1.3 s時(shí)大于新版區(qū)劃圖結(jié)果,但在小于1.3 s時(shí)與新版區(qū)劃圖結(jié)果差別較大;相較新版區(qū)劃圖方法和等效線性化方法確定的設(shè)計(jì)譜,新一代土層地震反應(yīng)分析方法確定的設(shè)計(jì)譜明顯偏高,地震動(dòng)輸入強(qiáng)度越弱越明顯,克服了文獻(xiàn)[6]提到的等效線性化方法在軟弱場地計(jì)算時(shí)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)譜明顯矮、寬現(xiàn)象,尤其是在強(qiáng)地震動(dòng)(極罕遇地震)輸入條件下與新版區(qū)劃圖結(jié)果較為接近,也與當(dāng)下美國最新版NEHRP 2015(簡稱NEHRP)認(rèn)識(shí)相一致。

5 結(jié)論

本文以天津?yàn)I海某厚層淤泥場地為例,采用新一代土層反應(yīng)方法和等效線性化方法進(jìn)行了分析計(jì)算,并與新版區(qū)劃圖結(jié)果進(jìn)行了比較,得到以下結(jié)論:

(1) 新一代土層反應(yīng)SOILQUAKE軟件方法在軟弱場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定時(shí)能體現(xiàn)一定的放大作用,尤其是強(qiáng)地震動(dòng)作用下,克服了等效線性化方法在軟弱場地計(jì)算時(shí)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)譜明顯矮、寬現(xiàn)象,與當(dāng)前認(rèn)識(shí)相一致,為軟弱場地重大工程設(shè)防參數(shù)確定提供了參考。

(2) 新一代土層反應(yīng)SOILQUAKE軟件方法在軟弱場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定較新版區(qū)劃圖結(jié)果設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有大幅度提高,考慮到相關(guān)抗震設(shè)防規(guī)范的協(xié)調(diào)性,還需進(jìn)一步對(duì)軟弱場地進(jìn)行大量強(qiáng)震記錄檢驗(yàn),以便在工程中更好地應(yīng)用。

(3) 本次分析結(jié)果僅以某厚層淤泥場地為例進(jìn)行不同水準(zhǔn)設(shè)防參數(shù)確定探討,對(duì)其他類型軟弱場地還需進(jìn)一步分析不同強(qiáng)度地震作用及其相關(guān)因素對(duì)設(shè)防參數(shù)確定的影響。

致謝:本文計(jì)算所采用的新一代土層反應(yīng)方法SOILQUAKE程序由中國地震局工程力學(xué)研究所袁曉銘課題組免費(fèi)提供,在程序使用過程中得到了李瑞山博士悉心指導(dǎo),在此一一致謝。