土层分层厚度对场地地表地震动参数的影响

原贺军，解惠婷，曹均锋

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

土层分层厚度对场地地表地震动参数的影响

原贺军，解惠婷，曹均锋

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

以江淮地区典型场地资料为原型，选取不同的土层分层厚度，构造多种场地土层计算模型，选择Taft、Kobe和El Centro三条强震记录作为地震输入，采用一维频域等效线性化波动方法分析了分层厚度对场地地表地震动参数的影响。研究表明：土层分层厚度对场地地震动参数存在影响，主要表现为采用较大分层厚度计算得到的地表峰值加速度Amax和反应谱特征周期Tg相对偏低，应采用尽可能小的土层分层厚度；分别采用1.0m和2.0m分层厚度计算得到的地表加速度反应谱形状基本重合，Amax和Tg也基本一致，最小选取2.0m土层分层厚度可以满足工程精度的要求。

分层厚度；反应谱；峰值加速度；特征周期

0 引言

在场地土层地震反应计算中，确定场地土的类型、分层和厚度等模型参数是必不可少的工作。为确保计算土层层内各点的剪应变幅值大体相等，合理地反映较厚土层中不同深度位置土体的非线性程度的差别，需要对厚波速土层做进一步的细分，使计算土层厚度足够小。理论上计算分层厚度值越小计算结果精度越高。然而，计算分层厚度越小其计算量越大，影响计算效率。对于土层分层厚度的取值，《工程场地地震安全性评价》（GB 17741—2005）中并没有明确规定，仅原则性提出“计算土层厚度值控制在所考虑的有效地震波最短波长的1／20～1／5范围内，计算土层厚度与土层的波速值成正比例关系”。然而受剪切波速测试精度、土动力参数选取等因素的制约，针对同一场地模型，会有多种分层厚度可供选择，比如1.0m、2.0m、3.0m……，当各等波速土层较小时，甚至不再对等波速土层进行细分。有研究表明，不同的计算分层厚度可能使计算结果产生一定的差异。

为进一步了解土层分层厚度对场地地表地震动参数的影响，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分析了不同的土层分层厚度对场地地表地震动参数的影响，重点是对地表峰值加速度、反应谱特征周期的变化趋势和规律进行研究，以期为同类地区重大工程抗震设防提供参考。

1 分析方法和计算参数

1.1 分析方法

目前，场地土层地震反应分析计算的方法较多，如线弹性波动（及振动）分析方法、等效线性化波动分析方法、直接时域非线性积分分析方法等。工程上广泛采用的方法是一维频域等效线性化波动方法，也是国家标准《工程场地地震安全性评价》（GB17741—2005）推荐使用的方法［1］。该方法是在总体动力学效应大致相当的意义上用一个等效的剪切模量和阻尼比代替所有不同应变幅值下的剪切模量和阻尼比，将非线性问题转化为线性问题，利用频域线性波动方法求解［2－5］。本文在土层地震反应分析中即运用该种方法。

1.2 确定计算模型

本文在收集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，对同一钻孔采用1.0m、2.0m及不细分等3种计算分层厚度分别建立土层模型。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，等效剪切波速为253m／s，场地类别为Ⅱ类；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，等效剪切波速为177m／s，场地类别为Ⅱ类。基本计算剖面的土层分布情况及剪切波速从现场钻孔实测获得，测点间隔为1.0m（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获得，部分土层动力参数采用经典推荐值［6－8］。

1.3 输入基岩地震动

根据输入地震动的选取原则，所选地震波的卓越周期应尽可能与场地的特征周期接近，因此本文选取了Taft、Kobe和El Centro三条符合要求的实际强震记录，图2为选取的地震动时程及对应的傅里叶幅值谱，选取的持时均为40s，频率主要分布在0.1～10Hz频段。将强震记录的加速度峰值均分别调整为50gal、100gal、200gal、400gal，并将幅值缩小一半的时程作为基岩的地震动输入。

2 不同计算分层厚度的土层地震反应结果分析

本文基于ZK4、ZK24基本剖面，针对同一钻孔选用以上3种不同的计算分层厚度建立土层反应分析模型，分别选取调整后的El Centro、Kobe和Taft作为输入地震动，共对72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），如表1～表2所示。其中，反应谱的特征周期Tg（s）取反应谱平台值

与反应谱曲线的右相交点的横坐标周期值。场地设计地震动反应谱为：Sa（T）＝Amaxβ（T），式中Amax为地震动峰值加速度，β（T）为设计地震动放大系数反应谱。根据《中国地震动参数区划图》宣贯教材中的相关统计结果［9］，反应谱平台值的放大系数βm统一取2.5。

表1 不同分层厚度下的峰值加速度Amax（gal）Tab.1 The acceleration peak Amax（gal）under different layer thickness

表2 不同分层厚度下的反应谱特征周期Tg（s）Tab.2 The characteristic period of response spectrum Tg（s）under different layer thickness

图3～图5为ZK4基本剖面输入地震动分别为调整后的El Centro、Kobe和Taft波时不同分层厚度下的地表加速度反应谱，图6为ZK24基本剖面在不同分层厚度下的反应谱特征周期，由计算结果可知：

（1）在同一基本剖面下，对于给定的输入地震动，采用1.0m和2.0m两种计算分层厚度得到的地表加速度反应谱形状基本重合，地表峰值加速度和反应谱特征周期也基本一致。其中ZK4的地表峰值加速度在2.0m和1.0m两种分层厚度下计算值的差异最大仅为0.26%，表明采用2.0m的计算分层厚度的计算结果与实际结果非常接近。

（2）在同一基本剖面下，对于给定的输入地震动，不细分层与小分层厚度的地表峰值加速度的确存在一定的差异，主要表现为不细分层计算得到的地表峰值加速度普遍偏小。其中ZK4基本剖面的地表峰值加速度计算值在输入峰值为

50gal，输入地震动为Kobe波时不细分层比1.0m分层厚度下减小幅度最大，达到18%。表明不细分层的计算结果与实际结果相差较大，不能真实反映土体在地震作用下的受力特性。

（3）相较而言，ZK24不同计算分层厚度下地表加速度反应谱的差异比场地相对较硬的ZK4差异小，表明不同计算分层厚度的取值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［10］，因此其计算结果对不同分层厚度的取值敏感度相对较弱。

（4）计算分层厚度对反应谱特征周期的影响因场地而异。对于ZK4基本剖面，主要表现为不细分层计算得到的反应谱特征周期普遍偏小。例如在输入峰值为400gal，输入地震动为Taft波时ZK4不细分层比1.0m分层厚度下计算得到的反应谱特征周期偏小幅度达0.27s。对于ZK24基本剖面而言，由于受淤泥质软弱土层的影响，不细分层计算得到的反应谱特征周期与小分层厚度的反应谱特征周期基本一致。

3 设计地震动参数的对比

采用前述公式，根据上述基本剖面土层地震反应所得地震动峰值加速度和反应谱得到相应的场地设计地震动参数和设计地震动反应谱。表3和图7分别为ZK4基本剖面在输入峰值为100gal，输入地震动为El Centro时的设计地震动参数和设计地震动反应谱。

从对比结果可以看出，在同一基本剖面下，对于给定的输入地震动，采用1.0m和2.0m两种计算分层厚度得到的场地设计地震动反应谱形状基本重合，表明采用2.0m分层厚度得到的场地设计地震动参数与实际结果非常接近；采用不细分层得到的场地设计地震动反应谱形状明显偏低，表明其所对应的场地设计地震动参数偏于不安全。在实际工作中，应尽可能将各等波速土层进

行细分，以提高场地地震动参数的安全性。

表3 设计地震动参数Tab.3 Design ground motion parameters

4 结论

本文基于江淮地区的典型场地剖面，采用3种不同土层分层厚度建立土层模型，分析分层厚度变异性对场地地震动参数的影响。研究结果表明：

（1）分层厚度对场地地震动参数的确存在一定的影响。主要表现为采用大分层得到的地表峰值加速度和加速度反应谱特征周期普遍比小分层厚度的偏低，导致采用大分层确定的地震动参数偏于不安全。

（2）通过两种小分层厚度的计算结果比较，认为土层地震反应分析工作中，选取2.0m的土层分层厚度是足够的，可以合理地反映较厚土层中不同深度位置土体非线性程度的差别，而不必选取更小的分层厚度，进而提高效率。

［1］ 工程场地地震安全性评价（GB17741—2005）［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［2］ 廖振鹏，李小军.地表土层地震反应的等效线性化解法［M］.地震小区划—理论与实践.北京：地震出版社.1989：141－153.

［3］ 齐文浩，薄景山.土层地震反应等效线性化方法综述［J］.世界地震工程，2007，23（4）：221－226.

［4］ 刘德东，齐文浩，张宇东，等.现行土层地震反应分析存在的问题［J］.防灾科技学院学报，2009，11（3）：34－37.

［5］ 李瑞山，袁晓铭，李程程.中硬场地下两种土层地震反应方法与精确解的对比［J］.地震工程学报，2015，37（2）：565－570.

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

［7］ 梁久亮，曹均锋，王立会，等.滁州地区覆盖层厚度对场地地震动参数的影响［J］.防灾科技学院学报，2015，17（1）：40－46.

［8］ 曹均锋，冯伟栋，董双林，等.输入界面对场地地表地震动参数的影响［J］.中国地震，2015，31（2）：353－361.

［9］ 胡聿贤，高孟潭，杜玮，等.《中国地震动参数区划图》宣贯教材［M］.北京：中国标准出版社，2001：85－87.

［10］ 曹均锋，童远林，李光，等.软弱土层对场地地震动峰值的影响［J］.地震研究，2013，36（2）：192－197.

Effect of Soil Layer Thickness on the Ground Motion Parameters of Site Surface

Yuan Hejun，Xie Huiting，Cao Junfeng
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

Based on the data from typical sites in Jianghuai Region，many kinds of soil layer sites for the seismic response was modeled by choosing different layer thickness.The layer thickness effect on ground motion parameters was analyzed with the one dimension equivalent linear method in frequency domain by choosing the Taft，Kobe and El Centro strong motion records as the earthquake input.The results have shown that the soil layer thickness has effect on the ground motion parameters.The peak ground acceleration Amaxand the characteristic period of response spectrum Tgcalculated by the larger layer thickness are relatively low，the soil layer thickness should be divided as small as possible.The shape of ground acceleration response spectrum obtained by 1.0m and 2.0m layer thickness calculation are basically coincident，and the Amaxand Tgare also basically consistent，the minimum soil layer thickness of 2.0m can satisfy the requirement of engineering precision.

layer thickness；response spectrum；peak acceleration；characteristic period

P315.9

A

1673－8047（2016）03－0030－08

2016－07－22

安徽省地震科研青年基金项目（20120707；20140301）

原贺军（1988—），男，硕士，助理工程师，主要从事工程抗震及地震工程方面工作。