《铁路工程抗震设计规范》中各类场地的地震响应对比研究

杨彦鑫，林大富，马建林，裴浩翔

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

地震对铁路路基具有破坏性，震害程度取决于局部场地的地质环境[1-2]。相关学者对场地响应开展了研究，文献[3]研究了季节性冻土区各类场地在不同冻土深度与剪切波速下的地表反应谱。文献[4]根据强震台网记录数据计算分析覆盖层厚度对场地放大因子计算方法的影响。文献[5]根据余震记录，对比分析不同的场地非线性响应分析方法。文献[6]统计得到了场地放大效应与基岩输入地震波和场地指数的表达式。场地响应分析可分为线性分析法和非线性分析法。文献[7]等提出等效线性分析方法，但在强震作用下，土体应力应变关系表现为非线性。文献[8]用双曲线模型描述土的非线性关系。文献[9]等提出黏弹性-塑性本构模型，表达土体的剪切模量衰减和滞回阻尼曲线。

铁路修建会面临不同场地条件，而对铁路规范场地分类条件下的非线性场地响应分析的研究较少。本文在不同地震震级下，利用Deepsoil程序对现行铁路规范中的3类场地进行非线性响应分析。

1 场地响应分析

在土体大变形条件下，需利用非线性分析方法分析场地条件对地震动特性的影响[10]。Deepsoil能考虑孔压消散模型，进行一维非线性分析，采用修正双曲线本构模型描述土体的应力应变关系[11]，采用参数β，s提高本构模型的精度。模型也定义了参考剪切应变，引入参数b，并根据竖向有效应力确定。Deepsoil程序采用Masing准则来构造滞回曲线，采用完全瑞利阻尼方法，该方法不会导致高频的过阻尼，也适用于大应变时的非线性分析。

2 计算模型及参数

根据GB 50111—2006，构造25 m厚的砂土类场地S和黏土类场地C，并分别设置3类场地(Ⅰ类场地不作考虑)，主要考虑对中硬土，中软土及软弱土进行场地响应分析。

3种不同剪切波速的砂土记为S1，S2，S3。3种不同剪切波速的黏土类场地，记为C1，C2，C3。对2种类型场地，剪切波速Vs分别设置为 150，200，375 m/s。以剪切波速150 m/s时黏土质场地为示例，土体动力特性参数见表1。

表1 Vs＝150 m/s时土层动力特性参数

3 不同场地条件下的场地响应

采用时程分析法进行地震响应分析时需选择至少2条实际强震记录。本文选取了2条Northridge(北岭地震)地震波作为出露输入地震波，地震波1的峰值加速度为0.217g，距离断层距离为26.8 km，地震震级为6.7级。地震波2的峰值加速度为0.098g，距离断层距离为43.4 km，地震震级为6.7级。分别缩放2条地震波峰值加速度为 0.05g，0.15g，0.3g，0.4g，对应 6，7，8，9 度地震烈度。

4 计算结果与分析

假设土层在基岩上且均匀成层，在2条所选的地震波作用下，分析3种等效剪切波速Vsc情况下砂土和黏土场地的地震响应。

4.1 不同地表土性对地震动峰值加速度的影响

砂土层、黏土层地表峰值加速度as与输入加速度ae比见表2、表3。可知:砂土类场地在强地震动的作用下，as/ae值最小为0.253。黏土场地地表对地表峰值加速度的缩放作用强于砂土场地，在Ⅲ，Ⅳ类场地中这种区别更为明显。对同一场地而言，随着输入加速度的增大，as/ae值减小；具有不同等效剪切波速Vsc的2类场地地表对地表峰值加速度的影响作用由放大转变为缩小。

表2 砂土层地表峰值加速度与输入加速度比

表3 黏土层地表峰值加速度与输入加速度比

在不同地震波作用下地震动峰值加速度随深度变化曲线见图1。可知，类土性的场地地表对地表动峰值加速度的放大作用均是在Vsc＝375 m/s时较为明显，且该放大作用随输入加速度增大而减弱。对于Ⅱ类场地，低烈度地震造成的震害作用不容忽视。

图1 不同地震波作用下地震动峰值加速度随深度变化曲线

4.2 最大剪切应变的比较

不同地震波作用下最大剪应变随深度变化曲线见图2。可知，各类场地的最大剪应变由基底到地表大体呈减小趋势，最小值均出现在地表。在同一高烈度地震波作用下，相同等效剪切波速的砂土类场地土层最大剪应变大于黏土类场地。而在低烈度地震作用下，两者差距不大。随着地震烈度的增大，土层剪应变由线性趋于非线性。

图2 不同地震波作用下最大剪应变随深度变化曲线

4.3 地震反应谱分析

地震波作用下各类场地反应谱见图3。可知，在地震波1作用下，卓越周期集中在0.15～0.20 s；在地震波2作用下，卓越周期集中在0.40～0.70 s。

图3 地震波作用下各场地反应谱

表4与表5分别为在地震波作用下砂土场地和黏土场地反应谱的拟加速度反应谱最大值。各类场地在同一类型地震波作用下，拟加速度反应谱值随输入地震波地表动峰值加速度增大而增大，且拟加速度反应谱曲线随时间的走势相近。黏土质场地的拟加速度反应谱值高于同等条件下的砂土质场地。

表4 地震波作用下黏土场地反应谱的拟加速度反应谱最大值 g

表5 地震波作用下砂土场地反应谱的拟加速度反应谱最大值 g

5 结论

本文采用的计算模型较简单，考虑了基岩上覆盖土层为多种土性的情况，只适用于均质单一场地的分析。同时，采用不同本构模型也会对场地响应计算结果造成影响，而文中只考虑了MKZ模型(Matasovic，1993)。本文只讨论了2条地震波的响应规律，而地震波的频谱成分相应地对各类场地造成的影响未考虑。根据计算分析得出以下结论:

1)在同一地震输入作用下，黏土场地的地表峰值加速度与输入地表加速度比较砂土场地大，地震输入对应为6级烈度时，对于Ⅱ类场地，2种土性场地的放大效应最为明显。

2)高烈度地震输入条件下，砂土场地的最大剪应变大于黏土场地，土层剪应变随着烈度增大，由线性趋于非线性；

3)在同一地震输入作用下，拟加速度反应谱值随着地震输入的增加而增大，黏土场地的拟加速度反应谱高于砂土场地。