输入界面对场地地表地震动参数的影响

曹均锋 冯伟栋 董双林 原贺军

安徽省地震局，安徽合肥市长江西路558号230031

0 引言

在工程场地地震安全性评价工作中，场地土层地震反应分析主要是用水平成层模型来模拟工程场地，并假设地震动从半无限弹性基岩空间与非均匀土层空间的交界面输入(胡聿贤，2003)。而事实上理想的交界面并不存在，工程中通常选取基岩顶面或者剪切波速不小于500m/s的土层顶面作为地震输入界面。但在实际现场勘测中，由于部分场地覆盖层包含的强风化岩层较厚，有的甚至超过20m，且强、中风化岩层界限并不明确，常常出现终孔深度处土层剪切波速达不到500m/s的情况，导致终孔土层不能满足作为输入界面的要求，易给场地土层地震反应分析结果带来误差。

本文在前人研究成果(陈国兴等，2005;刘峥等，2007;施春花等，2009;王冲等，2011)的基础上，以江淮地区典型场地资料为原型，选取不同深度的强、中风化岩层位置作为地震动输入界面，采用一维频域等效线性化波动方法重点分析了输入界面的差异对场地地震动参数的影响。同时，有研究表明输入界面剪切波速值的变化对场地地震动参数也存在一定的影响(林建生等，2006;曹均锋等，2013)，本文也初步探讨了输入界面剪切波速值差异对场地地震动参数的影响。

1 分析方法和计算参数

1.1 基本计算剖面

本文在江淮地区某场地资料的基础上，结合一维频域等效线性化波动方法的要求，确定2个典型钻孔ZK4、ZK24作为基本计算剖面。其中ZK4的覆盖层厚42.3m，主要由填土、粘土、中粗砂和砂岩组成，属于中硬场地土;ZK24的覆盖层厚29.4m，主要由填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、中粗砂、砾石和砂岩等组成，属于中软场地土。基本计算剖面的土层分布情况及实测剪切波速见图1。土层非线性动力参数主要是通过现场取典型土样进行动三轴试验得到的，部分土层动力参数采用经典推荐值(袁晓铭等，2000)。

1.2 输入界面的确定

对于基本剖面ZK4，选取土层顶面深度23.2～42.3m的5个不同位置作为输入界面;对于基本剖面ZK24，选取土层顶面深度20.6～29.4m的4个不同位置作为输入界面，不同输入界面的相关情况见表1。

表1 不同输入界面的深度及剪切波速值

1.3 输入基岩地震动

根据输入地震动的选取原则，本次选取了Taft、Kobe和E1centro 3条符合要求的实际强震记录的时程(图2)，选取持时均为40s。然后将强震记录的加速度峰值分别调整为50gal、100gal、200gal、400gal，并将幅值缩小50%的时程作为基岩的地震动输入。

2 输入界面位置差异的影响分析

2.1 地震反应分析结果

本文基于ZK4、ZK24基本剖面，针对同一剖面采用不同输入界面分别建立土层反应分析模型，分别选取调整后的3组地震波作为输入地震动，共108个工况进行土层地震反应分析，得到各地表峰值加速度Amax及反应谱的特征周期Tg如表2～表3所示。表中Amax和Tg取同一峰值下3条输入波计算结果的均值。其中反应谱的特征周期Tg(s)取反应谱平台值Amaxβm与反应谱曲线的右相交点的横坐标周期值，根据《中国地震动参数区划图》宣贯教材中的相关统计结果(胡聿贤等，2001)，统一取本次反应谱的放大系数βm=2.5。

表2 不同输入界面下的峰值加速度A m ax(gal)

图2 3条基岩输入强震记录

表3 不同输入界面下的反应谱特征周期T g/s

图3～4为ZK4、ZK24两剖面输入Kobe波时不同输入界面下的地表加速度反应谱。由图可看出:

(1)在同一基本剖面下，随着输入界面的埋深逐渐增加，地表加速度反应谱值逐渐增大，但增幅呈逐渐减小的趋势。

(2)随着输入界面埋深的逐渐增加，地表加速度反应谱仅在0～1.0s较短周期范围内呈现略微变化，周期越短，反应谱变化越显著，反应谱在1.0s以后受输入界面的影响有限。

(3)相较而言，剖面ZK24不同输入界面下地表加速度反应谱的差异比场地相对较硬的剖面ZK4差异小，表明输入界面的位置变化对场地地表地震动的影响程度与场地土层结构有关，ZK24受软弱土的非线性变形特性影响，起到某种程度的减震作用，因此其计算结果对输入界面的变异不敏感。

图3 ZK4不同输入界面下的地表加速度反应谱

2.2 对比分析

为直观表示差异，以中风化砂岩输入界面计算结果为基准，表4、表5分别给出了不同的强、中风化砂岩输入界面计算结果的相对偏差。

表4 地表峰值加速度对比结果

表5 地表加速度反应谱特征周期对比结果

从以上结果可以看出:

图4 ZK24不同输入界面下的地表加速度反应谱

(1)在同一基本剖面下，选取不同深度的强、中风化岩层作为输入界面，得到的计算结果的确存在差异。对于ZK4而言，地表峰值加速度的相对差异最高达24.8%，反应谱特征周期的相对差异最高达8.8%;对于ZK24而言，地表峰值加速度的相对差异最高达14.9%，反应谱特征周期的相对差异最高达4.3%。

(2)随着输入界面埋深的增加，场地地表峰值加速度逐渐增大，但增幅呈逐渐减小的趋势。当选取输入界面处的剪切波速超过450m/s时，强、中风化岩层输入界面的峰值加速度的相对差异基本控制在10%以内。

(3)输入界面埋深对地表加速度反应谱特征周期的影响有限，随着输入界面埋深的增加，地表加速度反应谱特征周期仅略微增大。

3 输入界面剪切波速值差异的影响

为分析输入界面剪切波速值差异对场地地震动参数的影响，本文以中风化岩层输入界面计算剖面作为新基本模型(即实际基岩输入面，ZK4取界面5，ZK24取界面9)，在此基础上将输入界面的剪切波速值依次设为 500m/s、550m/s、600m/s、650m/s、700m/s、750m/s、800m/s，建立了14个新的土层模型。分别选取调整后的3组地震波作为输入地震动，对共168个工况进行土层地震反应分析，得到各地表峰值加速度Amax(gal)及反应谱的特征周期Tg(s)分别如图5和6所示。从图中可以看出，输入界面剪切波速值对地表峰值加速度影响较为显著，随着输入界面剪切波速值的增大，地表峰值加速度也逐渐增大;相较而言，输入界面剪切波速值的变化对地表加速度反应谱特征周期影响有限，地表加速度反应谱特征周期基本不随剪切波速值的增加而变化。

图5 输入界面不同剪切波速下的地表峰值加速度

图6 输入界面不同剪切波速下的地表加速度反应谱特征周期

图7 输入界面不同剪切波速变化对地表峰值加速度的影响

为进一步分析输入界面剪切波速对地表峰值加速度的影响，以安评工作中输入界面的剪切波速值最低要求500m/s为基准，不同输入界面剪切波速下的地表峰值加速度相对偏差如表6所示。

从比较结果可以看出，地表峰值加速度随着输入界面剪切波速的增大而增大，且二者的增幅呈现近似的线性关系(图7)。例如ZK4剖面，基岩输入峰值200gal条件下，当界面波速值增加10%时(即550m/s)，地表峰值加速度增加3.3%，当界面波速值增加40%时(即700m/s)，地表峰值加速度增加13.2%。同时，剖面ZK24输入界面不同剪切波速下地表峰值加速度的差异比场地相对较硬的剖面ZK4差异小，表明输入界面的剪切波速变化对场地地表地震动的影响程度也与场地土层结构有关。

表6 输入界面不同剪切波速下的地表峰值加速度比较结果

4 结语

本文以江淮地区典型场地资料为原型，采用一维频域等效线性化波动方法重点分析了土输入界面位置差异及输入界面剪切波速值差异对场地地震动参数的影响。研究结果表明:

(1)随着输入界面埋深的增加，场地地表峰值加速度逐渐增加，且增幅呈逐渐减小的趋势;但输入界面深度对地表加速度反应谱特征周期的影响有限，随着界面埋深的增加，地表反应谱特征周期仅略微增大0.01～0.02s。

(2)当选取输入界面处的剪切波速超过450m/s时，不同位置输入界面的计算结果相对差异基本控制在10%以内。这表明对于一些量大面广的工程，如仅考虑地表加速度峰值、地表加速度反应谱特征周期时，输人界面的选择可以适当放宽。

(3)输入界面剪切波速值的变化对地表加速度反应谱特征周期影响有限，但对地表峰值加速度影响较为显著，地表峰值加速度随着输入界面剪切波速的增大而增大，且两者的增幅呈现近似的线性关系。由于基岩输入界面的厚度与地震反应分析结果无关，且实际计算中输入界面波速值的选取存在随意性，易使场地地表峰值加速度的取值具有可控性。建议在进一步修订地震安评规范过程中充分考虑该因素，针对输入界面的选取制定更为科学、规范的标准。