天津地区覆盖层土动力学参数统计分析

天津地区覆盖层土动力学参数统计分析

夏峰， 宋成科， 孟庆筱， 郭保正

(中国地震局第一监测中心，天津300180)

摘要：收集天津地区近年来有代表性的具有完整土动力学参数作为实验数据的地震安全性评价报告66份，用两种统计方法按不同深度统计分析粉质黏土、黏土、粉土、砂土、淤泥质土等的实测土动力学参数，给出动剪切模量比和阻尼比平均值。选取2个典型工程场地，构建土层分析模型，进行土层地震反应分析计算。结果表明，本文得到的统计2值在天津地区具有一定的代表性和适用性，与实测值结果更为接近。对于获得原状土样困难的场地，特别是对于较薄的夹层土，可参照统计2结果进行分析计算。

关键词：天津地区； 土动力学参数； 土层地震反应； 统计分析； 地表反应

收稿日期：*2014-08-01

作者简介：夏峰(1980-)，工程师，硕士，主要从事地震监测、GPS数据处理分析、工程地震及数值模拟相关工作.

作者简介：郭保正(1976-)，工程师，主要从事大地形变测量与工程变形监测技术应用研究.E-mail：13302117792@163.com

中图分类号:TU44文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0048

Analysis of Soil Dynamic Parameters of Overburden in the Tianjin Area

XIA Feng， SONG Cheng-ke， MENG Qing-xiao， GUO Bao-zheng

(FirstCrustMonitoringandApplicationCenterofChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China)

Abstract：The dynamic shear modulus ratio and damping ratio are two important parameters in seismic risk assessment and can directly affect the soil dynamics of engineering sites.The analysis of seismic hazards and soil layer seismic response showed that dynamic soil parameters were the key aspects that influenced the results of the analysis.In this study，66 recent seismic risk assessment reports in the Tianjin area were collected，which contained representative and completeexperimental data of soil dynamics parameters.Using two statistical methods，the dynamic parameters of experimental soils in these reports (e.g.，silty clay，clay，silt，sand，silt soil，etc.) were statistically analyzed by depth and the average value of the dynamic shear modulus ratio and damping ratio.Next，the soil analysis models of two representative engineering sites (located at the Tianjin urban district and Tangu suburban district) were developed and the soil layer seismic response was calculated.The analysis showed that the two statistical values were representative and adaptable in the Tianjin area，and were more consistent with the practical measured values.Therefore，the two statistical values that were derived could be used to conduct the soil seismic response analysis for sites in which it was difficult to acquire undisturbed soil samples，especially for the thin interbed soil.

Key words： Tianjin area； soil dynamic parameters； seismic response of soil layers； statistical analysis； response spectrum of soil surface

0引言

土的动剪切模量比和阻尼比是工程场地地震安全性评价工作中非常重要的两个参数，能直接反映工程场地的土动力特性。震害经验和土层地震反应分析结果均表明，土动力学参数是影响土层地震反应分析结果的主要原因之一[1-2]。《工程场地地震安全性评价》[3]规定：Ⅰ级地震安全性评价工作应对钻孔揭示的各自然分层土取样，并对土样进行动三轴和共振柱试验；Ⅱ级地震安全性评价工作和地震小区划应对钻孔揭示的自然分层中有代表性的土样进行动三轴或共振柱试验。目前在进行土层地震反应分析时，如果出现土动力学参数资料不全的情况，一般是利用《工程场地地震安全性评价工作规范》[4]中各类参数的推荐值。但大量的实验研究表明[1，5-7]，这些参数并不具有实用性，因为土动力学参数的选取还必须考虑区域性，不同区域的土动力学参数与土的成分、来源、含水量、形成年代及其所处的环境密切相关。针对特定区域土动力学参数的研究已取得一些有价值的研究成果，如吕悦军等[6]对渤海海底土类进行了研究；陈国兴等[8]分析了南京及邻近地区新近沉积土土动力学参数特征；施春花等[9]统计分析了北京地区粉质黏土土动力学参数特征；史丙新等[10]对天津滨海场地土动力学参数进行统计分析；张小平等[11]对大连地区场地土动力学参数初步研究。然而，这些针对特定地区的土动力学参数的统计结果未对本地区相关建设标准作进一步分析。本文将主要对天津地区的土动力学参数的两种统计结果与天津市工程建设标准《岩土工程技术规范》[12](下文简称“建标”)及实测结果进行对比分析。

本文收集整理了天津地区近10年来66份具有完整土动力学参数实验数据的地震安全性评价报告，共计168个取样钻孔，动三轴数据1 480组；统计分析这些报告中不同类型土的实测土动力学参数，给出两种统计方法下不同深度的动剪切模量比和阻尼比平均值；在天津市区(Ⅲ类场地)和塘沽区(Ⅳ类场地)各选取1个典型工程场地，构建土层分析模型，进行土层地震反应分析，并对比分析两种方法得到的统计值与典型工程场地的实测值及建标的推荐值对土层地震反应分析计算结果的影响。

1数据统计分析

1.1数据来源与分布

近年来，由于地铁、高层建筑以及一些改扩建等重大工程建设的需要，天津地区开展了许多地震安全性评价工作，实测了大量的土动力学参数试验数据。本文收集整理了天津地区近10年来66份具有完整土动力学参数实验数据的地震安全性评价报告，共计168个取样钻孔，动三轴数据1 480组，场点分布情况如图1所示，主要分布在天津市区及周边和塘沽部分地区。据钻孔资料显示，天津市区及周边的覆盖层厚度大多在100 m以内，塘沽地区均在100 m以上。本文筛选了土体埋深在120 m以内的各类动三轴实验参数，考虑到试验仪器和方法、试验条件、数据分析等不同引起的数据差异主要以天津市科维防灾研究所完成的动三轴试验数据为统计资料，一共1 480组。

图1　收集的地震安全性评价报告场点分布图 Fig.1　The distribution of sites in collected seismic safety evaluation reports

1.2统计结果分析

同类土体的土动力学参数随深度和压力的变化而不同，且由于地层的连续性，在现有的试验条件下统计土性参数随深度的变化具有一定的可行性和实际意义。为此根据样本量随深度的分布情况，选取不同深度间隔作为统计区间进行统计。在统计中舍去了明显偏高或偏低的异常值，以尽量减小其对分析结果的影响。为便于与建标的推荐值及实测值进行比较，本次统计分析工作按如下两种方法进行：统计1方法类似于建标，按固结压力大致代表的深度范围进行统计，不同类型土样本量分布情况见表1；统计2方法在70 m以内按每10 m一区段、70～90 m及90 m以上等区段进行统计。按岩性不同，覆盖层大致可分为淤泥质土、粉土、粉质黏土、黏土、砂土五大类。分别对这5类土样的样本量按不同统计方法(统计1和统计2)及埋深进行了分组统计，统计结果见表1和表2。表3仅给出统计2方法中的粉质黏土各区间组平均值及标准差最大值，图2仅给出了粉质黏土0～10 m区间内动剪切模量比与阻尼比统计平均值，其他土类型及不同深度区间的统计关系大同小异，由于篇幅关系，不一一给出。以统计2方法给出的0～10 m粉质黏土为例，图2给出了样本值与平均值的统计情况。对各区间内样本在不同剪应变下标准差进行分析，结果表明：当剪应变为10×10-4时，动剪切模量比的标准差最大；当剪应变为100×10-4时，阻尼比的标准差最大(表3)。

表 1去异常值后不同土类型各区间组样本量统计1

Table 1Statistics 1 of different types of soil samples in all interval groups after removing outliers

土类型区间组/m0～1010～1515～2020～3030～4040～8080以上粉质黏土85119146251149黏土24988粉土5131628339砂土467137101淤泥质土34

图2　统计2方法0～10 m区间内动剪切模量比与阻尼比统计平均值 Fig.2　Mean values of dynamic shear modulus ratios 　　　 and damping ratios in interval group of 0～10 m 　　　in statistics 2

表 2　去异常值后不同土类型各区间组样本量统计2

表 3　统计2粉质黏土各区间组平均值及标准差最大值

2土层地震反应分析及结果

本文为研究天津地区的动力学参数实测值统计结果对该地区土层地震反应分析结果的影响，选取了2个典型工程场地(表4)即模型1(Ⅲ类场地)和模型2(Ⅳ类场地)，分别采用场地实测值(方案1)、本文统计值1(方案2)、本文统计值2(方案3)和建标推荐值(方案4)4种土动力学参数，进行土层地震反应分析计算。分析地表峰值加速度及反应谱对选用不同土动力学参数时的响应，进而分析哪种方法给出的土动力学参数在天津地区更具有实用性。

2.1土层计算参数的选取

场地模型1和2分别位于塘沽区(Ⅵ类场地)和天津市区(Ⅲ类场地)，钻探深度分别为120 m和110 m，土性资料均较全，具体土层相关参数见表4。在计算中各土层动剪切模量比和阻尼比分别采用以上4种方案的参数，其余土层的土动力学参数以及波速和密度均为钻孔实测值。

表 4　场地模型土层钻孔剖面参数

2.2基岩输入地震动时程的确定

基岩输入地震动采用人工合成地震动，基岩加速度反应谱分别采用模型1和模型2所在场地的地震危险性分析结果(图3)，按照50年超越概率63%、10%、2%三种概率水准合成基岩加速度时程，其中每一种概率水准合成1条时程曲线(图4)，时程离散步长为0.02 s，离散点数2 048个，选用56个周期作为拟合目标谱的控制点。按照《工程场地地震安全性评价》规定要求[2]，这些控制点的周期0.04 s到6.00 s按照对数等间距分布，目标谱与拟合谱之间相对误差小于5%。模型1和模型2人造地震动3个概率水准峰值加速度分别为53.3 gal、182.3 gal、348.9 gal和51.5 gal、165.1 gal、313.1 gal。以基岩地震动时程幅值的50%作为输入地震波进行地震反应分析，确定地表峰值加速度、峰值速度及反应谱。

2.3计算结果及分析

采用一维等效线性化波动方法进行土层地震反应分析计算(廖振鹏等，1989a)，以2.2节合成的地震动时程为输入，计算得到2个场地模型地表峰值加速度、峰值速度和反应谱，再利用双参数标定方法确定出反应谱的特征周期Tg(廖振鹏等，1989b)。具体计算结果见图5和表5，反应谱特征周期Tg采取双参数法确定，表达式为：

式中，Vmax为峰值速度；Amax为峰值加速度。

从图5可以看出：(1)模型1(Ⅳ类场地)的计算结果明显比模型2(Ⅲ类场地)离散性大，表明场地土质越软对土动力学参数值越敏感；(2)模型1和模型2的计算结果均表明概率水平越低其离散性也越大，表明地震动强度越大对土动力学参数值越敏感，这也提醒我们在确定大震设防标准时应更慎重(目前的设防标准尤为关注大震不倒问题)；(3)模型1和模型2的计算结果均表明反应谱中高频段较低频段对土动力学参数选用响应明显，这要求我们注意在以中高频段控制设防参数确定时选用土动力学参数更要慎重；(4)模型1和模型2的计算结果均表明：对地表加速度峰值而言，统计2的计算结果与实测结果更接近。

图3　模型1和2场地基岩不同超越概率反应谱图 Fig.3　 The site rock response spectrum curves of model l and 2 in different exceeding probabilities

图4　模型1和2(M1和M2)场地基岩不同超越概率人造地震动时程 Fig.4　The artificial acceleration time-histories of the site rocks of model 1 and 2 (M1 and M2) in different exceeding probabilities

50年超越概率水准峰值加速度Amax/(cm·s-2)峰值速度Vmax/(cm·s-1)特征周期Tg/s规范统计1统计2实测规范统计1统计2实测规范统计1统计2实测模型12%361.0378.6313.1282.664.166.363.059.30.790.780.890.9310%171.0182.1164.9153.720.119.621.720.70.490.490.490.4763%59.276.062.161.45.55.55.85.60.410.320.410.41模型22%284.5289.9292.3309.855.555.955.757.00.870.860.850.8210%163.7169.2170.8175.617.918.818.918.60.520.480.580.6063%58.159.859.961.85.45.65.65.60.410.420.420.40

图5　模型1和2(M1和M2)在50年不同概率水平下的地表反应谱图 Fig.5　The surface response spectrum curves of model 1 and 2 (M1 and M2)in different exceeding probabilities

从表5的计算结果可以看出：(1)由建标推荐值和统计1方法计算的地表峰值加速度值在模型1(Ⅳ类场地)大震(本场地相当于Ⅷ度强)水平下略有放大，这与以往工程及震害经验不符，而统计2及实测值则不存在这一现象；(2)特征周期值的计算结果受峰值加速度大小影响显著，(3)取不同的土动力学参数值计算Tg结果在Ⅳ类场地大震(本场地相当于Ⅷ度强)水平作用下差异明显，其他均差别不大，统计2值与实测值更接近。

3结语

本文给出了天津地区的土动力学参数不同方法得到的统计值，为了说明建标推荐值和统计值的适用性和合理性，选取该区具有代表性的场地建立计算模型，分别运用建标值、实测值、统计1值和统计2值进行了土层反应计算，结果表明：

(1) 土质越软、地震输入强度越大对土动力学参数越敏感，反应谱的中高频较低频段对土动力学参数响应明显。

(2) 本文统计2值得到的反应谱形状与实测值得到的反应谱形状最接近，且能克服在该地区Ⅳ类场地条件下建标值对强地震动输入存在的放大现象问题。

(3) 反应谱特征周期的标定值受峰值加速度值影响明显，即取不同的土动力学参数值计算Tg结果除Ⅳ类场地在大震(本场地相当于Ⅷ度强)水平差异明显外，其他均差别不大，统计2值与实测值更接近。

综上所述，本文统计2方法的土动力学参数值较建标而言更适用于天津地区，对该地区各类工程建设的场地地震安全性评价工作具有一定的借鉴和参考价值；然而，本次工作仅选用了两个代表性的场地进行验算，其实用性还有待进一步验证，同时随土动力学参数实验数据的不断积累及新统计方法的不断尝试，有待进行更深入的统计分析工作。

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使用彩色多普勒超声造影模式，通过超声造影剂声诺维5毫升生理盐水，将其溶解后为其抽取2.4毫升。后期使用10毫升的生理盐水冲洗，并对产妇的子宫螺旋动脉和胎儿结局详细研究。

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