广西覆盖型岩溶区Ⅱ类场地地震效应分析1

张忠利 齐文浩 袁 媛 罗 云



广西覆盖型岩溶区Ⅱ类场地地震效应分析1

张忠利1,2）齐文浩3）袁 媛1,2）罗 云1,2）

1）广西壮族自治区地震局，南宁 530022 2）广西工程防震研究院，南宁 530022 3）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

针对广西特殊的覆盖型岩溶区的场地地质条件，通过收集区内的393个地震工程地质钻孔，利用大量的剪切波速及土工测试资料，建立了土层地震动反应分析模型，采用一维波动的等效线性化方法，对Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3三个亚类分别计算得到了地表峰值加速度及相关反应谱，并拟合得到了规准化反应谱，定量分析了广西覆盖型岩溶区Ⅱ类场地地震动的效应。结果表明，三个亚类场地动力放大系数均较大，场地对反应谱平台值的放大作用与对峰值的放大作用并不一致；Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3峰值加速度放大倍数分别为1.17、1.31、1.26，而平台值的放大倍数分别为1.49、1.52、1.38；反应谱特征周期分别为0.26s、0.33s和0.39s，反应谱下降段受控于输入反应谱下降段；同时给出了场地反应谱平台值、特征周期和衰减系数的推荐值。上述结果可为确定广西覆盖型岩溶区设计地震动参数提供参考。

覆盖型岩溶区 Ⅱ类场地 地震效应 反应谱

引言

《中国地震动参数区划图（GB 18306-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）规定的平均场地（中硬场地）的地震动峰值加速度是利用地震危险性分析得到的自由基岩峰值加速度与峰值转换系数的乘积，其中峰值转换系数反映的是全国一般场地放大效应的特征。在实际工程的应用中，首先根据场地的地理位置分别确定峰值加速度和特征周期分区，然后再根据场地类别调整设计反应谱特征周期，而不考虑场地条件对峰值加速度、地震动力系数最大值和最大影响系数的影响，即场地地震动峰值不随场地地震效应而变化。然而，场地条件对地震动参数的影响不仅表现在地震动的频谱特征上，而且还表现在地震动峰值的变化上。为此，许多学者开展了关于土层结构、土层动力学参数对地震动幅值及频谱特性影响的研究（王绍博等，2001；薄景山等，2003a；2003b；刘红帅，2005；兰景岩，2006；兰景岩等，2007；李平等，2011）。研究表明，同一场地类别地表地震动峰值和频谱特征也存在较大的变化。高孟潭等（2009）、姜慧等（2010）、吕悦军等（2011）、刁颋（2011）分别对湖南、广东、北京、山东地区的场地地震动效应进行了研究，结果表明场地地震动参数调整系数具有明显的区域性，若用《中国地震动参数区划图（GB 18306-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）规定的调整系数可能会高估或低估特定地区的地震风险，不能客观地反映某一地区的场地和地震特点。为了反映广西覆盖型岩溶区Ⅱ类场地对地震动的放大效应，本文收集了广西覆盖型岩溶区195个工程场地（393个钻孔）地震工程地质条件勘测资料，利用一维等效线性化分析方法进行了场地地震反应计算，分析了广西覆盖型岩溶区Ⅱ类场地条件对地震动参数影响的特点，以期为抗震设计提供参考依据。

1 地震工程地质条件和场地计算模型

1.1 地震工程地质条件

广西区内岩溶发育，分布广泛，裸露岩溶区约占全区总面积的41%，覆盖型岩溶区约占全区总面积的10%。覆盖型岩溶区土层厚度多在15m左右，一般不会超过30m，场地等效剪切波速分布范围在140—350m/s，土层结构较简单，土类较单一。总体上看，以粘性土为主；在河漫滩、河流阶地、冲积平原等地带还存在砂性土、卵石等；在坡积群、洪积锥（扇）或平原地带还存在含砾粘性土、含碎石粘性土等。其中最具代表性的为碳酸岩出露区的岩石，经风化形成的棕红、褐黄等色的红粘土，它具有高含水量、高饱和度、高塑性指数、高孔隙比，而且容重大、压缩性中等偏低、强度高等特点。红粘土的含水量、孔隙比及压缩系数值随着深度的增加而增大，同时由于表层的红粘土失水较多具有较高的塑性指数，使得表层土强度高、含水量少且处于硬塑状态。而位于下层的红粘土，则处于饱和状态，故含水量大，表现为可塑或软塑状态。由此可见，含水量是影响红粘土特征的重要因素之一。地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水。其中，上层滞水主要赋存于上层表土中，部分存于土体裂隙中，补给来源主要为大气降水，由于水量不大，不具统一水位且水位不甚稳定，明显受大气降水影响；而基岩裂隙水主要赋存于白云岩、砂岩基岩裂隙中，受大气降水入渗补给，水量较丰富。由于上述红粘土特征及地下水的影响，场地土层常出现“上硬下软”的现象。图1为3个典型的工程场地钻孔柱状图。

1.2 场地计算模型

本文收集整理了广西覆盖型岩溶区近几年的勘测资料，工程场地主要分布于桂东北（桂林）、桂东南（玉林、贵港）、桂中（柳州、来宾）、桂西北（河池市）及桂西南（靖西、崇左）等地区，具体分布如图2所示。图中红色或为采样点所在行政区，括号中数字为钻孔数，地震动峰值加速度为设计基本地震加速度。场地钻孔均达到基岩，满足相关规范对输入界面剪切波速不小于500m/s的要求。根据土层结构、剪切波速测试和土层非线性试验情况，共选取了195个工程场地中的393个钻孔建立土层地震反应计算模型，模型参数主要取场地实测结果，部分土层非线性参数采用袁晓铭等（2000）给出的推荐值。依据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）上述钻孔资料均来自Ⅱ类场地，为了更好地分析Ⅱ类场地覆盖土层厚度对场地地震效应的影响，对研究区内Ⅱ类场地划分成3个亚类，分别为Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3，其典型剖面如图1所示。Ⅱ类场地亚类划分方法及场地计算模型主要参数分布情况如表1所示。

表1 场地亚类划分及场地计算模型主要参数分布情况

2 场地地震效应计算与分析

2.1 输入地震动

考虑到研究区无强震记录的实际情况，本文利用三角级数迭代方法合成地震动作为地震反应分析的输入地震动。广西覆盖型岩溶区的设计基本地震加速度分别为50、100、150、200gal，罕遇地震峰值加速度分别为100、200、300、400g，因此输入地震动峰值加速度分别取50、100、150、200、300、400gal。研究区设计地震分组为第一组，因此基岩输入加速度反应谱特征周期选Ⅰ1类场地特征周期，即为0.25s。地震动加速度反应谱S()由公式（1）确定。

其中，地震动峰值加速度max分别取50、100、150、200、300、400gal，反应谱特征周期T取0.25s，这样可得到不同强度的目标反应谱。按照《工程场地地震安全性评价（GB 17741—2005）》（中华人民共和国国家标准，2010）有关合成基岩地震动时程的规定，反应谱横轴在对数坐标0.04—6s范围内等间距选取60个反应谱控制点，合成地震动反应谱控制点与目标反应谱的相对误差小于5%，对不同强度的地震动反应谱分别合成具有不同随机相位的3条基岩地震动时程曲线，其中峰值加速度为50gal的输入地震动如图3所示。

2.2 计算结果

利用一维波动等效线性化土层地震反应分析方法，对上述计算剖面、地震动强度、地震动相位进行组合，形成了7074个计算工况，并分别计算出各亚类地表处地震动峰值加速度及相关反应谱值。同时采用公式（1）并结合工程场地土层地震反应，分析了不同输入峰值加速度阻尼比为0.05的计算反应谱，得到了相应的规准化反应谱主要参数，具体如表2—表4所示。表中max为输入地震动峰值加速度；smax为地表地震动峰值加速度；smax为地表地震影响系数最大值；1为反应谱平台段起始周期；T为反应谱特征周期；为反应谱曲线下降系数。另外，在确定设计地震动峰值加速度时，取地表地震动峰值加速度的平均值；在确定反应谱平台高度时，综合考虑加速度反应谱在高频段（0.2s左右）的反应谱值。在图4—图6中，黑细线为地表加速度反应谱；蓝色粗实线为自由基岩加速度反应谱；红色粗实线为规准化反应谱。

表2 计算剖面地表地震动峰值加速度及反应谱参数（3—5m）

表3 计算剖面地表地震动峰值加速度及反应谱参数（5—15m）

续表

amaxasmaxbsmaxαsmaxT1 /sTg /sg 1501982.60.5150.080.321.11 2002612.60.6790.080.321.1 3003852.61.0010.080.341.1 4005052.51.2630.080.371.1 平均值2.60.331.11

表4 计算剖面地表地震动峰值加速度及反应谱参数（15—30m）

2.3 结果分析

为了便于说明场地对地震动的放大作用，本文引入了2个统计量ksmax/max和ksmax/max，（max为输入地震影响系数最大值）用于反映场地对地震动峰值加速度和反应谱平台值

表5 场地地表地震动峰值及反应谱平台值放大系数的统计值

续表

amax /galⅡ1Ⅱ2Ⅱ3kakαkakαkakα 1001.171.561.331.601.301.44 1501.171.511.321.531.291.43 2001.171.461.311.511.271.35 3001.161.451.281.481.221.30 4001.161.401.261.401.171.25 平均值1.171.491.311.521.261.38

从表5的计算结果和2个统计量中可以看出：

（1）总体上看，随着覆盖土层厚度和地震动强度的增大，反应谱平台值具有减小的趋势，反应谱特征周期具有增加的趋势；地震动峰值加速度随地震动强度增加而减小，但随着土层厚度的增加，呈现先增大后减小的趋势。同时，场地对反应谱平台段的放大作用与峰值的放大作用并非一致。从规准反应谱曲线图中可以看出，利用平台段标定场地的放大作用更合理一些。

（2）Ⅱ1类场地对地震动的峰值加速度放大倍数值小（平均值为1.17倍），而对反应谱平台段具有较大的放大倍数（平均值为1.49倍），但反应谱特征周期较小（平均值为0.26s）。这表明该类场地对自由基岩反应谱平台段有较大的放大作用，而对反应谱下降段影响不大。

（3）Ⅱ2类场地与Ⅱ1场地相比，对地震动的峰值加速度放大倍数值明显增大（平均值为1.31倍），而对反应谱平台段的放大倍数略微增大（平均值为1.52倍），反应谱特征周期平均值为0.33s。这表明该类场地对自由基岩反应谱的平台段和下降段的首段具有较大的放大作用，导致了反应谱特征周期略微增加。

（4）Ⅱ3类场地与Ⅱ2场地相比，对地震动的峰值加速度放大倍数略微减小（平均值为1.26倍），而对反应谱平台段的放大倍数明显减小（平均值为1.38倍），反应谱特征周期平均值为0.39s。这表明除对自由基岩反应谱下降段末段无影响外，对其他段均有较大的放大作用。

（5）三个亚类反应谱动力系数均较大，反应谱下降段基本受自由基岩反应谱下降段控制。这说明反应谱在平台段有较大的放大作用，对低矮刚性房屋有较大的破坏作用，也为岩溶区“小震级，高烈度”提供了佐证。

3 结论与建议

本文收集了广西覆盖型岩溶区的393个实际土层剖面，并将其按覆盖层厚度划分为三个亚类，即Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3。采用一维等效线性化波动分析方法，分类计算了每一亚类内土层剖面的地震反应。分析了不同亚类地表峰值加速度、反应谱平台值及反应谱特征周期的变化趋势。研究表明：

（1）覆盖型岩溶区场地土层对反应谱的平台值具有较大的放大作用，且高于《中国地震动参数区划图（GB 18306-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）中关于Ⅱ类场地对地震动参数的放大作用。建议对Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亚类场地反应谱平台值，可考虑分别取1.49×max、1.52×max、1.38×max。

（2）覆盖层厚度小于5m时，反应谱特征周期小于《中国地震动参数区划图（GB 18306-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）中的规定值；大于5m时，与《中国地震动参数区划图（GB 18306-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）中规定值基本一致。建议对Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亚类场地特征周期，可考虑分别取0.26、0.33、0.39s。

（3）场地对反应谱长周期段影响较小，地表反应谱长周期段主要受基岩反应谱值控制，反应谱衰减系数可适当增加。建议对Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3亚类场地反应谱衰减系数，可考虑分别取1.02、1.11、1.16。

薄景山，李秀领，刘德东等，2003a．土层结构对反应谱特征周期的影响．地震工程与工程振动，23（5）：42－45．

薄景山，李秀领，刘德东等，2003b．土层结构对反应谱平台值的影响．地震工程与工程振动，23（4）：29－33．

刁颋，2011．山东Ⅱ、Ⅲ类场地地震动峰值加速度放大效应分析．中国地震，27（1）：92－98．

高孟潭，陈学良，肖和平等，2009．湖南中强地震活动地区Ⅱ类场地放大效应研究．中国地震，25（2）：140－150．

姜慧，黄剑涛，卢帮华等，2010．基于地震作用和场地影响确定广东省设计地震动参数．震灾防御技术，5（4）：398－408．

兰景岩，2006．土的动力学参数对场地设计反应谱的影响．哈尔滨：中国地震局工程力学研究所．

兰景岩，薄景山，吕悦军，2007．剪切波速对设计反应谱的影响研究．震灾防御技术，2（1）：19－24．

李平，薄景山，孙有为等，2011．场地类型对反应谱平台值的影响．地震工程与工程振动，31（1）：25－29．

刘红帅，薄景山，吴兆营等，2005．土体参数对地表加速度峰值和反映谱的影响．地震研究，28（2）：167－171．

吕悦军，彭艳菊，施春花等，2011．北京地区中硬场地地震动效应研究．防灾减灾工程学报，31（5）：523－528．

王绍博，丁海平，2001．土动力参数对土层动力反应的影响．地震工程与工程振动，21（1）：105－108．

袁晓铭，孙锐，孙静等，2000．常规土类动剪切模量比和阻尼比试验研究．地震工程与工程振动．20（4）：133－139．

中华人民共和国国家标准，2001．中国地震动参数区划图（GB 18306-2001）．北京：中国标准出版社．

中华人民共和国国家标准，2005．工程场地地震安全性评价（GB17741-2005）．北京：中国标准出版社．

中华人民共和国国家标准，2010．建筑抗震设计规范（GB50011-2010）．北京：中国标准出版社．

Seismic Effect of Type ⅡSite in Overlaying Karst Area of Guangxi

Zhang Zhongli1,2）, Qi Wenhao3）, Yuan Yuan1,2）and Luo Yun1,2）

1）Seismological Bureau of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China 2）Guangxi Academy of Engineering Shock Prevention, Nanning 530022, China 3）Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, harbin 150080, China

According to the geological conditions of the Guangxi special karst area, we collected 393 earthquake engineering geological drilling in the region, and established regional seismic dynamic model by using shear wave velocity and soil test data. The peak ground acceleration and response spectrum under site condition sub type Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3were calculated by using one-dimensional equivalent linear method of soil seismic response on the wave motion mode. By fitting the normalized response spectrum, we analyzed the effect of Guangxi covered karst area of ground motion. The results indicate that dynamic amplification coefficients of sub type Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3sites are relatively high, amplification effect on flat section value of response spectrum and the peak ground acceleration are not consistent, the peak ground acceleration magnification is respectively 1.17, 1.31, 1.27, but the flat section value of response spectrum magnification is respectively 1.49, 1.52, 1.38. The characteristic period of response spectrum is respectively 0.26s, 0.33s, 0.39s. The descending segment of response spectrum is basically not affected. At the same time, the recommended values of the flat section value, the characteristic period and the attenuation coefficient of response spectrum are obtained. Our results can be used to provide reference for the determination of design ground motion parameters in overlaying karst area of Guangxi.

Overlaying karst area; Type Ⅱ site; Seismic effect of site; Response spectrum

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻12426001-5）资助

2015-04-08

张忠利，男，生于1977年。硕士。主要从事岩土地震工程研究工作。E-mail：421530917@qq.com