海域不同类别场地地震动参数变化规律研究1

王笃国 尤红兵 张 合 吕国军

1）中国地震灾害防御中心，北京 100029

2）河北省地震局，石家庄 050021

引言

近年来，随着海上风电、海洋石油平台、跨海大桥、海底隧道等海洋工程建设的不断发展，对海域工程场地地震动参数的需求越来越迫切。《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局）是目前我国陆域新建、改建、扩建一般建设工程抗震设防基础依据，而海域地震动参数区划尚无国家标准，已不能满足海洋工程建设相关需求。海域场地表层多具有较厚软土，且覆盖层较厚，场地条件与陆域场地具有较大差异（李小军等，2020；Hu 等，2020），需建立与海域场地条件相适应的场地地震动参数确定方法。

海域工程地震安全性评价工作的开展为研究地震动在海域工程场地中的传播规律积累了丰富资料，李小军（2006）对海域工程场地地震动参数确定的特殊问题进行了分析，指出需特别重视海底软弱土层场地对地震动参数的影响。王炳辉等（2007）、潘华等（2011）、孙田等（2013）、荣棉水等（2014）针对海域土体剪切波速随深度变化规律、海域土体动模量和阻尼比等土体动力非线性参数问题展开了研究，分析了海域土体动力学参数变化规律。目前，关于海域工程场地地震动参数的研究主要集中于海域土体动力参数和土层反应分析方法等，关于海域不同类别工程场地地震动参数变化规律的研究相对较少。

基于海域场地分类标准（李小军等，2021），选取南海海域典型钻孔剖面作为计算模型。由于海域实测钻孔资料有限，人工构造部分钻孔计算模型，对126 条不同特性地震动输入下5 种场地计算模型开展了土层反应分析计算，分析了不同地震动输入下不同类别场地峰值加速度和特征周期变化规律。

1 地震动输入确定

输入地震动加速度反应谱采用《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局）给出的形式：

式中：Amax为设计地震动峰值加速度；β(T) 为设计地震动加速度放大系数反应谱；βm、T0、Tg、Tm、γ分别表示地震动放大系数反应谱平台值、第一拐点周期、第二拐点周期（即特征周期）、周期值范围上限值、下降段下降速度控制参数。本研究βm、T0、Tm、γ分别取2.5、0.10 s、6.0 s、0.9。峰值加速度取50、100、150、200、300 、400 gal，特征周期取0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.55、0.65 s，共42 种工况。峰值加速度为150 gal 时，不同特征周期下输入地震动加速度反应谱如图1 所示。考虑随机相位的影响，每种工况计算3 个随机相位加速度时程，采用三角级数法共合成126 条输入地震动加速度时程。合成的时程均以0.02 s 为间隔，时程离散值点数均为4 096。目标反应谱在0.04～6 s 内取80 个控制点，以保证合成地震动时拟合目标反应谱精度。在合成过程中，利用逐步逼近目标谱的方法，使合成的加速度时程精确满足目标峰值加速度，并近似满足目标加速度反应谱，拟合目标加速度反应谱时的相对误差＜5%。

图1 输入地震动加速度反应谱Fig. 1 Input earthquake acceleration response spectrum with different characteristic periods

2 计算模型

由于海域地震工程地质钻孔资料相对缺乏，本研究选取部分海域钻孔实测资料，另外，根据海域工程场地分类标准，人工构造部分钻孔计算模型，以补充海域实测钻孔资料的不足。根据表1 所示海域场地分类标准（李小军，2021），人工构造3 个钻孔计算模型，分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地（场地分类名称为本文自定义），2 个实测钻孔对应Ⅳ、Ⅴ类场地。

表1 海域场地分类标准Table 1 Site classification standards for ocean areas

2.1 实测钻孔计算模型

依据南海海域海洋石油平台地震安全性评价工作工程地质钻孔（陆鸣等，2003，2005）构造实测钻孔计算模型，分别对应Ⅳ、Ⅴ类场地，其中Ⅳ类场地表层为非常松散的砂土、粉质黏土，Ⅴ类场地表层为非常软的粉质黏土。限于篇幅，仅给出Ⅴ类场地钻孔计算模型，如表2 所示，海域土体动剪切模量比和阻尼比如图2 所示。

表2 Ⅴ类场地计算模型Table 2 Calculation model for V classification site

图2 土样动剪切模量和阻尼比随剪应变变化曲线Fig. 2 Change curves for shear modulus and damp ratio with shear strain of soil specimens

2.2 人工构造钻孔计算模型

依据海域场地分类标准，主要参考Ⅴ类场地计算模型资料，土动力非线性参数采用图2 给出的结果，人工构造3 个钻孔计算模型，分别对应Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ类场地，限于篇幅，仅给出Ⅰ1类场地钻孔计算模型，如表3所示。

表3 Ⅰ1 类场地钻孔计算模型Table 3 Calculation model for Ⅰ1 classification site

3 计算方法

假定海域场地介质特性、地形变化沿水平面方向并不显著，采用一维场地模型考虑场地条件对地震地面运动的影响。对一维场地模型地震地面运动影响的分析，采用《工程场地地震安全性评价》（GB 17741-2005）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局）推荐的一维土层剪切动力反应分析等效线性化方法，基本原理可参考Idriss（1992）的研究，本文不再详细论述。

4 结果分析

基于126 条输入地震动时程和5 种场地计算模型，采用等效线性化方法进行土层反应分析计算，得到场地地表地震动参数，并对不同类别场地条件下峰值加速度和特征周期变化规律进行分析。

4.1 地震动峰值加速度放大系数变化规律

峰值加速度放大系数定义为土层反应分析计算得到的峰值加速度与输入地震动峰值加速度的比值，不同输入地震动特征周期和峰值加速度下Ⅰ1类场地峰值加速度放大系数如表4 所示。由表4 可知，输入地震动特征周期取值对峰值加速度放大系数的影响较小，输入地震动强度对峰值加速度放大系数的影响较大，因此，在分析不同类别场地峰值加速度放大系数变化规律时，主要考虑地震动输入强度的影响。

表4a Ⅰ1 类场地峰值加速度放大系数Table 4a Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site

表4b Ⅰ1 类场地峰值加速度放大系数Table 4b Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site

不同地震动输入下不同类别场地峰值加速度放大系数如表5 所示，由表5 可知，同一场地类别下，随着地震动输入强度的增大，峰值加速度放大系数总体上越来越小；同一地震动输入强度下，随着场地变软，峰值加速度放大系数越来越小；对于Ⅰ1、Ⅱ类场地，在本研究考虑的工况下，峰值加速度放大系数均＞1.0；对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类场地，当输入地震动峰值加速度＞150 gal，甚至100 gal 的情况下，峰值加速度放大系数开始＜1.0，这是由于随着地震动输入强度的增大，厚软场地非线性效应显著，地震动高频成分被滤掉，导致地表峰值加速度较输入地震动峰值加速度小。

表5 不同类别场地峰值加速度放大系数Table 5 Statistical charts of peak acceleration amplification coefficient for different classification sites

4.2 地表反应谱特征周期变化规律

对场地地震动加速度反应谱进行规准，从而确定场地地表反应谱特征周期，规准谱与场地地表加速度反应谱的对比曲线如图3 所示。由图3 可知，利用同一加速度目标反应谱生成的3 个随机时程进行土层反应分析计算时，得到的场地地表反应谱特征周期基本一致，因此对3 个随机时程样本地表反应谱特征周期取相同值。

图3 场地地表加速度反应谱与规准谱Fig. 3 Relationship between site surface acceleration response spectrum and calibration spectrum

不同输入地震动特征周期和峰值加速度下Ⅰ1类场地地表加速度反应谱特征周期如表6 所示，由表6 可知，场地地表反应谱特征周期与输入地震动特征周期密切相关，输入地震动特征周期越大，场地地表反应谱特征周期越大；输入地震动强度对地表反应谱特征周期具有一定影响，输入地震动强度越大，可能导致地表反应谱特征周期越大。

表6 Ⅰ1 类场地反应谱特征周期Table 6 Characteristic period of acceleration response spectrum for Ⅰ1 classification site

考虑我国陆域场地地震动参数区划图对特征周期进行调整时主要考虑场地类别的影响，本研究在归纳特征周期变化规律时采用了同样原则，不同类别场地地表反应谱特征周期如表7 所示。由表7 可知，随着场地变软，特征周期变大，对于Ⅴ类场地，特征周期最高可达1.8 s，表明强地震动作用下厚软场地呈现出强非线性特征，地震动长周期成分丰富。

表7 不同类别场地地表反应谱特征周期Table 7 Characteristic period of acceleration response spectrum for different classification sites

5 结论

在实测钻孔模型和人工构造计算模型的基础上，采用等效线性化方法，对不同输入地震动下不同类别场地开展了土层反应分析计算，归纳总结了不同类别场地峰值加速度放大系数和特征周期变化规律，得出以下结论。

（1）海域不同类别场地峰值加速度放大系数随着地震动输入强度的增大，总体上呈减小趋势，尤其是对于Ⅴ类场地，强地震动作用下地表峰值加速度仅为输入地震动峰值加速度的50%左右。

（2）海域场地特征周期较大，很多工况下特征周期＞1 s，海域场地地震动长周期成分丰富，对于自振周期较长的海洋工程，应充分考虑长周期成分丰富的地震动对结构的影响。

本研究给出的海域不同类别场地峰值加速度放大系数和特征周期变化规律，可为海域工程抗震设防和编制海域场地地震动参数区划图提供参考。由于海洋工程地质条件复杂，本研究采用的计算模型和计算方法具有一定局限性，需对海域土体非线性动力特性和计算方法开展进一步研究工作，即采用多种计算方法开展多个不同类别海域场地地震反应分析研究，探讨海域场地地震动工程特性，为海域工程抗震设防提供科学依据。