硬夹层埋深对场地地震动参数的影响

张 海， 李克强， 尤红兵， 周泽辉

(1.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384； 2.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；3.中国地震灾害防御中心,北京 100029)

硬夹层埋深对场地地震动参数的影响

张 海1,2， 李克强2， 尤红兵3， 周泽辉2

(1.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384； 2.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；3.中国地震灾害防御中心,北京 100029)

选取某重要工程场地A3钻孔的厚度、剪切波速、密度等实际勘探数据，通过改变硬夹层的埋深，分析硬夹层不同埋深、不同地震时程对场地地震动参数的影响。研究结果表明：在硬夹层厚度不变和模型总厚度不变的情况下，地表水平向的峰值加速度随硬夹层埋深的增大而增大，但增幅逐渐减小；硬夹层埋深到达一定深度时不再影响地表水平峰值加速度；随着硬夹层埋深的增加，整个反应谱的谱值普遍增大。

埋深； 地震动； 峰值加速度； 反应谱

0 引言

地震动特性受场地局部条件的影响相对较大，近年来场地中硬夹层对地震动特性的影响是地震工程领域研究的热点之一。范留明等[1]指出目前主要采用数值模拟和应力波传播理论方法来分析软弱夹层；李小军等[2-3]的计算分析表明场地局部条件对地震动峰值和地震动频谱特性有较大影响；李恒等[4]对软夹层和硬夹层场地的地震反应做过计算分析，指出当夹层处于覆盖层上部时对高频地震动有较强的放大作用，而处于覆盖层下部时对高频地震动有隔震作用；张倩[5]使用一维等效线性化土层地震反应方法对各类场地模型进行计算，认为硬夹层有增大和减少场地地震反应的可能性，但总体影响很小，可不予考虑；金丹丹[6]指出软夹层埋深达到一定深度有减震作用，且随其埋深的增加特征周期变大。

本文主要运用时域非线性化方法对某典型含硬夹层的场地进行一维地震反应分析，探究硬夹层埋深对场地地震反应的影响，以期为核电站、地下工程等工程的抗震设计提供重要的参考。

1 场地概述及计算参数

某重要工程场地土层分布如图1所示，地表为较软的粉质黏土及粉砂，中间为厚度不等的玄武岩及火山角砾岩组成的硬夹层。硬夹层厚度为18.5～168.3 m，西北部埋深浅，往东南方向埋深略微有所增大，东北、西南方向差异不明显。岩石厚度及岩性沿西北方向差异较明显，西北部玄武岩厚度较大，玄武岩以下为沉火山角砾岩,向东玄武岩逐渐变薄，靠近东南部玄武岩尖灭，仅揭露沉火山角砾岩。

为研究硬夹层对场地地震反应的影响，选择A3钻孔建立计算模型进行地震反应分析。其中，场地土体的各种参数来源于场地钻孔资料，土的动力参数则通过动三轴试验获取。A3钻孔计算场地模型资料以及各类土的剪切模量比和阻尼比与剪切应变的关系见表1，根据场地模型资料建立的A3钻孔模型图见图2。

图2 A3钻孔模型Fig.2 Drilling model A3

2 计算方法和地震动输入

(1) 本文采用美国学者开发DEEPSOIL软件进行一维土层场地地震反应分析，其包括线性、等效线性化和时域非线性等多种分析方法，并可考虑孔隙水压的影响(Hashash等，2001),其计算精度早已得到证明[7]。

表 1 各类土的剪切模量比和阻尼比与剪切应变的关系

(2) 输入地震时程对场地地震动参数有较大影响，甚至其得出的地震动参数结果差别很大。为了最大限度地反映结构遭受的接近于实际的地震作用，利用逐步逼近目标谱的方法，拟合如图3所示的5个时程样本(5个时程的峰值加速度、频谱特性、持续时间等信息如表2所列)，并以此作为场地地震反应分析的输入。

图3 输入地震时程Fig.3 Time history of input seismic wave

时程要素持续时间/s峰值加速度/g最大傅里叶幅值谱/(g·s-1)及所对应的频率/Hz样本一39．660．20．192430/2．185059样本二40．160．20．286544/1．757813样本三38．020．20．180868/2．575684样本四39．730．20．203350/1．989746样本五36．770．20．180379/0．781250

3 算例分析

以A3钻孔计算场地模型为基础，将硬夹层的总厚度设定为100 m，夹层动力学参数取表1中21号基岩的实测值，剪切波速取1 500 m/s，容重取21.12 kN/m3。这样模型的总厚度变为283.8 m(44.3 m+100 m+139.5 m)。为保证模型总厚度不变、刚度递增的原则，更改硬夹层在模型中的位置，即更改硬夹层的埋深，建立以下4个模型：

(1) 硬夹层埋深不变(44.3 m)。

(2) 将硬夹层位置下调，埋深更改为98.3 m(44.3 m+54 m)，即将硬夹层放置在序号23土层下方，21～23号土层上调至硬夹层之上。

(3) 将硬夹层位置下调，埋深更改为143.3 m(44.3 m+99 m)，即将硬夹层放置在序号26土层下方，21～26号土层上调至硬夹层之上。

(4) 将硬夹层位置下调，埋深更改为183.8 m(44.3 m+139.5 m)，即将硬夹层放置在序号30土层下方，21～30号土层上调至硬夹层之上。

此4个土层模型图见图4。

图4 土层模型图Fig.4 The soil model diagram

模型建立后，分别输入地震时程样本一～五(图3)进行时域非线性计算。由于篇幅有限，本文仅展示样本一和样本二的计算结果：地表加速度反应谱图(图5)、硬夹层表面加速度反应谱图(图6)、地表傅里叶谱图(图7)、硬夹层表面傅里叶谱图(图8)以及地表水平向峰值加速度统计表(表3)。

通过图5的对比，发现随着硬夹层埋深的增加，整个反应谱的谱值都普遍增大，尤其周期在1～2 s范围内此规律更加明显,而长周期的加速度反应谱几乎保持不变。通过对比图6，发现在0.2～0.4 s范围内，随着埋深的增加整个反应谱的谱值也普遍增大，而长周期的加速度反应谱也几乎保持不变。

通过表3对比可知 ，在硬夹层厚度和模型总厚度不变的情况下，地表的水平向峰值加速度随埋深的增大而增大；且随着埋深的不断增大，水平向峰值加速度增幅逐渐减小，由14.7%降至0.05%，再变为1.38%，最后趋于不变，增幅作用越来越不明显，即硬夹层埋深到达一定的深度时不再影响地表水平峰值加速度。

表 3 地表的水平向峰值加速度(单位：gal)(ZK41钻孔)

图5 地表加速度反应谱Fig.5 Ground acceleration response spectrum

图6 硬夹层表面加速度反应谱Fig.6 Acceleration response spectrum of the hard interlayer’s surface

图7 地表傅里叶谱对比图Fig.7 Comparison of ground Fourier spectrum

对于地表傅里叶谱图(图7)而言：0～0.2 Hz间谱值较小且平缓；然后逐渐增大，在1～1.5 Hz间出现谱峰值；之后谱值又降低了，在1.5～5 Hz出现第二峰值；5 Hz之后谱值降低下来。对于不同埋深所对应的傅里叶谱而言：0～1 Hz范围内谱值的变化不大,1 Hz之后，4种埋深不同的情况下先后出现峰值。以地震时程样本一为例：硬夹层埋深为44.3 m时，谱峰值出现在1.51 Hz，为0.48g；硬夹层埋深为98.3 m时，谱峰值出现在1.28 Hz，为0.49g；硬夹层埋深为143.3 m时，谱峰值出现在1.15 Hz，为0.51g；硬夹层埋深为183.8 m时，谱峰值出现在1.07 Hz，峰值为0.47g。由此可知，由于硬夹层埋深的不同，地震动最大能量在频域的分布也有所不同。随着埋深的增加地表傅里叶谱的谱峰值的位置向左偏移，即自振频率向左偏移。对于第二峰值而言，也出现了相似的现象,其原因是硬夹层的埋深越深其卓越频率减小，更加接近地震波的固有频率，发生共振，出现峰值。此现象和规律与反应谱是相符的。

从图8看，硬夹层的不同埋深的影响频率主要集中在0.5 Hz左右，埋深越大，谱值反而越小。而对于图6硬夹层表面加速度反应谱而言，反应谱谱值随着硬夹层埋深的增加而普遍减小，这一规律在1～5 s区段表现得尤为明显。其原因是硬夹层埋深越大，地震波的反射作用越弱，波的反射过程能量发生损失，在共振区域此现象更为明显。

4 结语

场地设计地震动参数的确定是工程场地地震安全性评价中的一个重要组成部分，参数的确定是否合理直接关系到上部结构抗震设防的安全和经济，而在场地土层地震动反应分析中确定设计地震动反应谱将直接影响分析结果的可靠性。

(1) 硬夹层的存在以及其厚度的增加有一定的减震作用。硬夹层由于厚度的不同，对地表地震动影响的频段也有所不同。根据土层地震反应分析的计算，硬夹层的厚度对0.25 s和0.7 s附近的谱值有一定的影响。

(2) 场地中硬夹层埋深对地表峰值加速度有一定的影响，埋深越小其影响越大，埋深小使得水平加速度峰值偏小，而随着埋深的增大，水平峰值加速度趋于一个稳定值。建议重要工程中，若其区域含有硬夹层，应尽量选择硬夹层埋深较大的场地进行建设。

References)

[1] 范留明，闫娜，李宁.薄弹性软弱夹层的动力响应模型[J].岩石力学与工程学报，2006,25(1):88-92. FAN Liu-ming,YAN Na,LI Ning.Dynamic Response Model for Thin Soft Interlayer Considering Interbedded Reflecting Waves[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(1):88-92.(in Chinese)

[2] 李小军,彭青.刘文忠.设计地震动参数确定中的场地影响考虑[J].世界地震工程，2001,17(4)：34-41. LI Xiao-jun，PENG-Qing，LIU Wen-zhong.Consideration of Site Effects for Determination of Design Earthquake Ground Motion Parameters[J].Word Earthquake Engineering,2001,17(4)：34-41.(in Chinese)

[3] 李小军,彭青.不同类别场地地震动参数的计算分析[J].地震工程与工程震动，2001，21(1)：29-36. LI Xiao-jun，PENG-Qing.Calculation and Analysis of Earthquake Ground Motion Parameters for Different Site Categories[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2001，21(1)：29-36.(in Chinese)

[4] 李恒,张静波,吴建超.软夹层和硬夹层对地表地震动特性的影响[J].地震工程学报，2014,36(3):441-445. LI Heng,ZHANG Jing-bo，WU Jian-chao.Effect of Soft and Hard Interlayers on Ground Motion Characteristics[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):441-445.(in Chinese)

[5] 张倩.场地土层地震反应特征研究[D].中国地震局地球物理研究所，2002. ZHANG Qian.Study on Characteristics of Seismic Response of Soil Layers[D].Beijing:Institute of Geophysics,CEA,2002.(in Chinese)

[6] 金丹丹,陈国兴,董菲蕃.软夹层土对福州盆地地表地震动特性的影响[J].武汉理工大学学报，2012,34(12):83-88. JIN Dan-dan，CHEN Guo-xing,DONG Fei-fan.Effects of Soft Interlayer on Ground Surface Seismic Response of Fuzhou Basin[J].Journal of Wuhan University of Technology,2012,34(12):83-88.(in Chinese)

[7] 张海,王震,周泽辉.基于DEEPSOIL的软土场地地震反应研究[J].震灾防御技术,2015,10(2):291-304. ZHANG Hai,WANG Zhen,ZHOU Ze-hui.The Study of Seismic Response in Soft Soil Site Based on DEEPSOIL[J].Technology for Earthquake Disaster Prevention,2015,10(2):291-304.(in Chinese)

Influence of the Buried Depth of Hard Interlayer on Ground-motion Parameters

ZHANG Hai1, 2, LI Ke-qiang2, YOU Hong-bing3, ZHOU Ze-hui2

(1.TianjinKeyLaboratoryofSoftSoilCharacteristicsandEngineeringEnvironment,Tianjin300384,China; 2.CollegeofCivilEngineeringofTianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China； 3.ChinaEarthquakeDisasterPreventionCenter,Beijing100029,China)

Ground motion characteristics are seriously influenced by local site conditions, and in recent years, one of the hot spots in the field of earthquake engineering has been the impact of a hard site interlayer on ground motion characteristics. This paper selects the thickness, shear-wave velocity, density, and other actual exploration data from borehole A3 in a certain project site by changing the buried depth of the hard interlayer to analyze the influence of depth and different seismic time history data on ground motion parameters. In this paper, a one-dimensional seismic response analysis of a typical site with a hard interlayer was conducted by using the time domain nonlinear method. Research has shown that when the thickness of the hard interlayer and the total thickness of the model remain invariable, the surface horizontal peak-ground acceleration increased with the buried depth of the hard interlayer, but its amplification reduced gradually, until it was no longer affected when the hard interlayer's buried depth reached a certain value. Furthermore, as the buried depth increased, the values of the response spectrum generally increased. From the surface Fourier spectrum diagram, we found the spectrum values were small and flat in the range of 0～0.2 Hz, and then increased gradually to a range of 0.2～1 Hz. Spectrum values peaked and then reduced again in the range of 1～1.5 Hz. Spectrum values hit the second peak in the range of 1.5～5 Hz, and then dropped down after 5 Hz. For the Fourier spectrum at different buried depths, spectrum values didn't change much in the range of 0～1 Hz. These results will provide an important reference for the seismic design of deep foundation pit engineering such as nuclear power station and underground engineering.

buried depth; ground motion; peak acceleration; response spectrum

2015-09-25 基金项目：国家自然科学基金项目(51248004)；天津市应用基础与前沿技术研究计划(13JCQNJC07400)；天津市高校中青年骨干创新人才培养计划；天津市“131”创新型人才培养工程人选

张 海(1977-)男，博士,教授，主要研究领域：工程波动理论、城市综合防灾减灾。E-mail:zhanghai@tju.edu.cn。

尤红兵(1970-)，男，研究员级高工,主要研究领域：地震工程。E-mail: hbyou@126.com。

P315

A

1000-0844(2016)06-0935-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0935