地层结构对地表地震响应的影响研究

蒋建平，闫泽丰

（上海海事大学海洋环境与工程学院，上海 201306）

地震会对地表的各类工程造成严重危害[1～3]。相关调查结果表明，地震所造成的建（构）筑物破坏，除了与地震烈度和结构物特性有关外，还与建筑物所在场地的地质条件有密切关系[4～10]。

早在1908年Wood在分析1906年旧金山大地震时，就已认识到场地条件对地震震害的重要影响。在这次地震中，市内软弱地基上的震害更为显著；1967年委内瑞拉地震时，场地覆盖层厚度不同，震害存在明显差异；1968年和1970年菲律宾马尼拉地震中，不同高度建筑物破坏程度随沉积土层厚度变化而明显不同。

地震波由震源向地表面传播，在经过不同地层时，因各地层对地震波的透射、反射、阻尼等性质不同，会造成地表各点的地震反应不一致。有时由于地层变化大，相邻场地的烈度可以相差1～2度，或在区域内出现小范围的震害异常区。

地层结构是场地地质条件的重要内容之一。地层结构是地层的叠覆、堆积或空间组合状态，地层的结构效应是工程地层学的重要研究内容[11]。目前有关地层结构对地震响应影响方面的研究很少[12～14]，相关技术规程也只是将不同地层按剪切波速作等效化处理[15]。

地层地震反应分析是当前工程场地地震安全性评价工作中的重要组成部分，直接为上部结构提供地震动参数，为建筑物的抗震设防提供必不可少的技术支持；地层地震反应分析也是地震工程中的重要研究领域，是结构抗震设计的基础。因此，本研究具有一定的理论价值和实际意义。

1 地层结构与地震波设定

本文采用三层地层结构并按5种结构类型模拟计算地震响应。选择软土地区常见的淤泥质粘土、粉质粘土、粉质粘土夹粉砂三种土性地层，分别代表土层强度的软、中、硬三类，并概化组合成不同地层结构形式。同时对三种地层的剪切波速进行等效化处理，作为均质土层，用于比较分析。为利于在理论上分析地层结构的影响，各土层设为同等厚度(2m)。地层基本特性及结构类型组合见表1、表2。

表1 地层基本特性Table 1 The basic characteristics of strata

表2 地层结构组合类型Table 2 The compositional type of strata structure

地震动是在地层下部的基岩面输入水平地震波，选用频谱差异较大的El-Centro地震波和Concrete地震波，其加速度时程曲线如图1所示。从图2的F谱曲线上可发现两地震波的频谱特性有较大差异，El-Centro地震波的频率范围较宽，而Concrete地震波的频率范围较窄，主要集中在4Hz以内。本文计算中抗震设防烈度采用8度，因此两地震波的加速度峰值都调整到0.30g。

具体计算时是采用ABAQUS软件中的动力模块，土体采用摩尔库伦模型，动力边界采用吸收边界。

图1 地震波加速度时程曲线Fig.1 The acceleration time history curves of seismic waves

图2 地震波Fourier谱曲线Fig.2 The Fourier spectrum of seismic waves

2 模拟结果及其分析

通过计算得到地面点有关位移、加速度、速度的时程曲线、峰值曲线及Fourier谱、能量谱、反应谱曲线如图3～图13所示。

图3 地面点水平位移时程曲线Fig.3 The displacement-time curves of point on the ground

图4 地面点水平位移峰值Fig.4 The displacement peak value curves of point on the ground

图5 地面点水平位移残余值比较Fig.5 The displacement residual value curves of point on the ground

图6 地面点加速度时程曲线Fig.6 The acceleration time history curves of point A on the ground

图7 地面点加速度峰值Fig.7 The acceleration peak value curves of point on the ground

图8 地面点速度时程曲线Fig.8 The velocity time history curves of point on the ground

图9 地面点速度峰值比较Fig.9 The velocity peak value curves of point on the ground

图10 地面点Fourier谱曲线Fig.10 The Fourier spectrum of point on the ground

图11 地面点能量谱曲线比较Fig.11 The Power spectrum of point on the ground

图12 地面点反应谱(频率)曲线比较Fig.12 The Response spectrum (frequency)of point on the ground

图13 地表A点的反应谱(周期)曲线比较Fig.13 The Response spectrum (Period)of point on the ground

由图3的地面点水平位移时程曲线比较图中可发现，在地震波作用下，虽然同一地震动作用下波形类似，但都显示出不同的地层结构可导致地面点位移时程的差异。在El-Centro地震波作用下，ΙΙ、ΙΙΙ地层结构类型的曲线位于等效均质土层结构V曲线上方，Ι、ΙV地层结构类型曲线则位于V曲线下方。说明淤泥质粘土的C1地层与粉质粘土夹粉砂的C3地层位于粉质粘土的C2地层上时，其地面点的位移大于地基为均质层C0时的位移；而当C1、C2地层位于C3地层上时，地面点位移小于C0时的位移。在Concrete地震波作用下，代表均质层的V曲线基本上与ΙΙΙ曲线在大部分时段几乎重合，ΙΙ曲线位于V曲线上方，Ι、ΙV曲线位于V曲线下方。说明从上往下C3、C1、C2排列的地层结构情形下地面点的位移大于地基为均质层C0时的位移；而当地层C1、C2位于地层C3上时，则小于C0状态下位移。

图4显示，各地层结构情形下地面点的水平位移峰值也各不相同，特别是El-Centro地震波作用条件下。具体来说，El-Centro地震波作用下，C1、C2、C3排列的地层结构的水平位移峰值最大；C2、C1、C3排列，C1、C3、C2排列，C3、C1、C2排列地层结构的位移峰值都小于均质层C0的位移峰值。在Concrete地震波作用下，C1、C3、C2地层结构的水平位移峰值最大；C1、C2、C3地层结构与C0均质层的水平位移峰值相等；C3、C1、C2结构类型则与C2、C1、C3排列的水平位移峰值相等。

从图5上可看出，两种地震波作用下地面点的水平位移残余值的形态类似，都显示C1C2C3、C2C1C3地层结构的位移残余值大，C3C1C2、C1C3C2地层结构的位移残余值小，而C0均质层的位移残余值处于中间层次。

从图6可发现，地面点的各加速度时程曲线与原输入波的波形类似；对两种地震波，C0均质层的波形幅度处在中间层次，C1C2C3与C1C3C2地层结构的波形幅度处在较大层次，而C3C1C2与C2C1C3的地层结构处在较小层次。图7的加速度峰值曲线也显示出这一特点。图8、图9所示的地面点速度时程曲线、速度峰值，也显示了与加速度类似的结果。

图10反映El-Centro及Concrete地震波作用下地面点的Fourier谱曲线簇，两种地震波的作用效应有相似规律。图示表明，El-Centro地震波作用下，C0均质层的波形高度处在中间层次，C1C2C3、C1C3C2排列的地层结构的波形幅度处在较高层次，而C3C1C2、C2C1C3排列的地层结构的波形大小处在较低层次；Concrete地震波作用下，C1C2C3、C1C3C2排列的地层结构的主频率集中在2.5Hz左右，C3C1C2、C2C1C3排列地层结构的主频率集中在2.0Hz左右，而C0均质层的主频率集中在2.25Hz左右。

同样，从图11的地面点能量谱曲线簇，也可得出与之类似的结论。

图12为两地震波作用下以频率为横坐标的地面点反应谱曲线簇，且其中还加进了输入波的反应谱曲线。从图上可看出：C0均质层的谱高度处在中间层次，C1C2C3、C1C3C2排列的地层结构的谱高度处在较高层次，而C3C1C2、C2C1C3地层结构的谱高度处在较低层次；各情形的主频值与图10、图11一致；输入波的谱高处于较低层次，其主频值也偏小。

图13为两地震波作用下以周期为横坐标的地面点反应谱曲线簇，同样可得出与图12类似的结论，只是主频率较大的其主周期变成了较小。

3 结论

本文利用软土地区常见的三种岩性土层，通过不同的地层结构组合，模拟分析了地震波作用下地面点的响应，得出如下认识：

（1）其它条件相同而地层结构不同，则地表的地震响应也不同。所以，工程场地地震反应分析，应考虑作为地质条件重要内容之一的地层结构的影响，不可忽视。

（2）在基岩面输入频谱特性有较大差异的El-Centro及Concrete地震波时，地表的地震响应虽不相同但规律性类似，说明地震作用下地层结构的影响普遍存在。

（3）地震波作用下，地表的加速度时程与峰值、速度时程与峰值、位移时程与峰值、位移残余值，以及Fourier谱、能量谱、反应谱，基本上都存在均质地层的值处在中间层次，软-中-硬地层结构、软-硬-中地层结构的值较大，而硬-软-中地层结构、中-软-硬地层结构的值较小。说明从上往下，土层弹性模量依次为高-低-中及中-低-高的地层组合结构的抗震效果较好。

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