液化与非液化场地加速度反应谱对比

孙 锐，赵倩玉，袁晓铭

（中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080）

1 引 言

地震下场地的地面运动（地震动）决定着地基和工程结构地震响应的输入，是岩土动力学的重要研究内容，已有很多研究工作开展[1-3]，但以往的认识主要针对的是常规场地[4-6]，不包含液化土这种特殊场地。现有抗震设计规范[7]中，不论场地是否液化，对任何类型工程结构地震动均按土层为非液化进行计算，即地表上的设计反应谱不考虑液化层的存在，输入的反应谱不会因土层液化而改变。

一般认为，从振动角度，液化土层对地震动主要具有减震效应[8-9]，也有计算分析结果表明，液化土层不仅对地震动高频部分减震，而且对低频分量有显著放大作用[10-11]。如果液化土层对地震动主要是减震作用，那么从振动角度进行抗震设计时，液化将导致偏于安全的结果。如果液化土层对地震动长周期部分有加震作用，那么长周期建筑物在地震液化时除了受到原有的液化灾害威胁，如地基失效，还有地震动加强的危险，按现有规范设计将得到偏于危险的结果。液化场地地震动与常规场地地震动实际关系如何是工程抗震设计上需要解决的课题，对这一问题最有力的回答来自于实际观测资料，但这需要一次地震下能够得到不同类型场地的地震记录，也同时能够得到液化场地上的记录，而这种机会以往没有遇到。这样，一方面以往的一些理论计算结果没法得到检验，另一方面液化场地上的地震动与现有常规场地地震动区别的定量认识也无法得到。

2011年新西兰发生的6.3 级地震中，在不同类型场地均得到了强震记录，同时在一些液化场地上也得到了记录，为了对比不同类型场地对地震动的影响创造了条件，本文分析了此次地震中得到的场地地震动资料，获取包括液化土层这种特殊场地在内的几种典型场地地震动的特征及其相互间关系的认识，可为特殊场地上工程结构抗震设计提供新的线索。

2 场地条件及近场强震记录

2011年2 月22 日新西兰克莱斯特彻奇市发生里氏6.3 级地震，震中距市区10 km，震源深度约5 km。此次地震最显著的现象就是大规模的土层液化。

国外学者对此次地震中液化土层对地震动的影响已有一些初步认识，例如，市中心坎特伯雷电视大楼（CTV 大楼）是造成此次地震人员伤亡最严重的建筑物，其造成的死亡人数占此次地震总数的2/3，有115 人遇难，包括来自中国和日本的留学生。日本岩土工程专家根据考察结果指出，CTV 大楼破坏可能是受到了“地盘液化”的影响，即此次地震最初几秒波形变化很规则，建筑物的内部出现一些破损，之后整个城市开始出现液化，晃动周期开始变长，建筑物的晃动周期开始变长，晃动程度开始变大，最终扭曲变形，导致坍塌，因于CTV 大楼附近没有地震记录，日本学者的这一观点被认为仅是一种推测，缺乏实测资料支持，并未被认可和广泛接受。

克莱斯特彻奇市及其郊区的大部分区域是由海滩、河口、泻湖形成的沼泽地。近地表地层具有层状特点，系松散的全新世粉土、砂土、砾等，地质构造较为复杂。地下水位从东部深1～2 m 到西部深5 m，地下水位深度逐渐增大[13]。

本文收集了此次地震震中距小于50 km 且峰值大于0.05g 的23个强震台站的加速度记录[14]，台站及地表加速度峰值（PGV），地面速度峰值（PGA），见表1，台站分布见图1。由于缺少台站的剖面资料，因而无法按我国规范对场地类别进行划分。表1 中，各台站的场地类别划分标准为新西兰NZS1170.5(2004)规范[15]，23个台站中包括1个A 类场地、1个B 类场地、1个C 类场地、17个D 类场地和2个E 类场地，另一个场地类别不清，有9个场地为液化场地，其余为非液化场地，几个类别场地的性质见表1 说明。水平向加速度峰值最大为HVSC 台站记录到的14.27 m/s2，最小为DSLC 台站记录到的0.444 m/s2。本文将利用这些记录，讨论不同类型场地上地震加速度的放大系数谱和傅氏谱的特征及其相互关系，获取一般性的规律。

图1 强震台站分布Fig.1 Google map of the selected seismic stations

3 不同场地加速度反应谱的对比

为研究不同场地上地震动的特征，本文采用特征周期、平均谱周期及低频谱烈度等参数进行比较。

采用下面公式计算加速度反应谱的特征周期gT[16]：

式中：Vmax为地表峰值速度；Amax为地表峰值加速度。同时，采用Rathje 等[17]提出的方法计算加速度放大系数谱的平均周期：

式中：β(T)为加速度放大系数谱；Ti为谱周期。

为研究不同场地对加速度低频分量的影响，本文定义低频谱烈度为

式中：Sa(T)为加速度反应谱；S ILF为周期大于0.8 s的谱烈度，代表反应谱中低频部分的能量。

特征周期、平均周期和低频谱烈度均取两水平向的均值。23个不同类型场地强震记录特征量的计算结果见表1。

表1 2011年新西兰地震中不同类型场地强震记录及其特征量Table 1 The seismic records and their characteristics for different sites in the 2011 New Zealand earthquake

3.1 硬场地

本文将不同类型的场地归结为3 类：硬场地（非液化的A、B 和C 类场地）、软场地（非液化的D 和E 类场地）以及液化场地。为方便对比，将各台站的加速度反应谱以无量纲的放大系数谱β(T)形式表达。

图2为MQZ 和LPCC 两个台站场地加速度放大系数谱，其中MQZ 台站为A 类场地，即坚硬岩石，LPCC为B 类场地，即岩石场地。从图中可以看出，其卓越周期在0.07～0.20 s之间。图3为HVSC台站场地加速度放大系数谱，该台站场地为C 类场地，覆盖层较浅，代表中硬场地，其放大系数的卓越周期范围为0.1～0.4 s。

图2 岩石场地加速度放大系数谱Fig.2 Amplification coefficient spectra for the rock sites

图3 中硬场地加速度放大系数谱Fig.3 Amplification coefficient spectra for the medium stiff sites

由图2、3 及表1 可见，此次地震中3个硬场地的卓越周期范为0.4 s 以内，特征周期均小于0.3 s，平均周期为也都小于0.3 s，低频谱烈度在0.8 s 以内。

3.2 软土场地

23个强震记录中，有10个为非液化的软土场地（D 类），其加速度放大系数谱如图4 所示。由图可以看出，除PPHS 场地外，D 类场地的放大系数的卓越周期在0.1～0.6 s 范围内。由表1 可以看出，ROLC 场地的特征周期为0.18 s，其余9个非液化D类场地的特征周期均在0.30～0.45 s 范围内；10个场地的低频谱烈度基本在0.8～2.1 s 之间，平均周期也基本在0.24～0.40 s 之间。

3.3 液化场地

9个液化场地的反应谱放大系数如图5 所示。9个场地放大系数的卓越周期在0.3～2.0 s 范围内，特征周期基本为0.5～1.0 s，低频谱烈度为2.5～4.5 s 之间，平均周期为0.39～0.60 s。

4 加速度反应谱特征量的对比

硬场地、软场地以及液化场地这3 类场地的加速度反应谱特征量对比见表2。由表可见，硬场地的反应谱卓越周期在0.4 s 以内，特征周期和平均周期都小于0.3 s，低频谱烈度小于0.8 s；软场地卓越周期、特征周期和平均周期分别在0.1～0.6 s、0.3～0.4 s 和0.2～0.4 s 间，低频谱烈度范围为0.8～2.1 s；液化场地的这几个参数则分别为0.3～2.0 s、0.5～1.0 s 和0.39～0.60 s 范围内，低频谱烈度为2.5～4.5 s 之间。由此可以看出，对于几个特征量，3 类场地均有很大不同，从小到大的次序依次为硬场地、软场地和液化场地，并且液化场地较软场地的几个特征量的差异性比软场地较硬场地的更大一些。

图4 未液化软土场地加速度放大系数谱Fig.4 Amplification coefficient spectra for the non-liquefied soft sites

图5 液化场地加速度放大系数谱Fig.5 Amplification coefficient spectra for the liquefied sites

表2 不同场地加速度反应谱特征量对比Table 2 Comparison of amplification coefficient spectra characteristics on the different types of sites

3 种类型场地的加速度放大系数谱的均值如图6 所示。从图中可以看出，3 类场地放大系数谱有明显区别，硬场地、软场地和液化场地的卓越周期分别为0.07～0.15 s、0.2～0.3 s 和0.5～1.0 s。与以往的认识一样，软场地较硬场地高频成分减少，低频成分明显增多，但需注意的是，液化场地较软场地高频成分也减少，低频成分也明显增多，且与软场地较硬场地增加量相比，液化场地对软场地低频分量增大程度明显大。图7为软场地较硬场地放大系数谱增量与液化场地较软场地放大系数谱增量的对比。体现了3 种类型场地频率成分的差异，更充分地说明了液化土层对地震动周期有显著延长的作用。

进一步结合图6，可以得到如图8 所示的液化场地加速度放大系数谱与其他两类场地放大系数谱的比值。从图中可以看出，与非液化的硬土场地相比，液化使高频结构（自振周期0.2 s）的反应减小了1/2，使长同期结构（自振周期1.0 s）的反应放大了5.0 倍；与非液化的软土场地相比，液化使高频结构的反应减小了一半，使长同期结构的反应放大了2.5 倍。

新西兰克莱斯特彻奇市中心的CTV 大楼在2011年地震中受到严重破坏。根据现场调查，可排除由于液化导致地基失效的可能，引起大楼的破坏应为地震下的振动效应所致。CTV 大楼的自振周期大约是0.7 s，而本文分析表明，此次地震中土层的液化使场地加速度反应谱的卓越周期明显加长，由开始的0.1～0.3 s 增大到0.5～1.0 s 左右，与大楼的自振周期吻合，这一结果支持了CTV 大楼地震下的振动破坏是受到液化影响的推测。

图6 3 种类型场地加速度放大系数谱平均值的对比Fig.6 Averages of amplification coefficient spectra for 3 types of sites

图7 3 种类型场地加速度放大系数增量谱对比Fig.7 Increments of amplification coefficient spectra for 3 site class

图8 加速度放大系数谱比Fig.8 Ratio of amplification coefficient spectra for 3 types of sites

5 结 论

（1）液化场地上的地震动特征与常规场地有明显区别，液化场地已经构成一个与硬土和软土场地并列的独立单元。

（2）硬场地上反应谱的卓越周期在0.4 s 内，特征周期、平均周期和低频谱烈度的平均值分别为0.23、0.21、0.68 s。软场地上反应谱卓越周期在0.6 s 内，特征周期、平均周期和低频谱烈度的平均值分别为0.35、0.33、1.80 s。液化场地上反应谱的特征周期、平均周期和低频谱烈度的平均值则分别为1.40、0.64、0.49、3.33 s。硬场地、软场地和液化场地上三者反应谱的特征层次分明，差别显著。

（3）此次地震中液化场地地震动最重要的特征是对低频显著的放大作用，与非液化场地相比，液化可使短周期结构反应减小一半，而使长周期结构的反应放大2.5～5.0 倍。

（4）土层的液化对2011年新西兰克莱斯特彻奇地震中市中心CTV 大楼的破坏应有很大影响，大楼的自振周期约为0.7 s，此次地震中土层的液化使场地加速度反应谱的卓越周期由开始的0.1～0.3 s增大到0.5～1.0 s 左右，与大楼的自振周期吻合，应是加重大楼震害的重要原因。

以此次地震为鉴，按现有规范地震动设计方法，就液化场地而言对长周期结构将导致很危险的结果，今后进行抗震设计时，从振动角度考虑可液化场地地震动应进行单独分析。

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