北部湾吹填场地卓越周期演化特征分析

张剑钊，杨 猛，周 东

(1.广西大学 a.土木建筑工程学院；b.土木建筑工程国家级实验教学示范中心，南宁 530004；2.广西百东投资有限公司，广西 百色 533000)

0 引 言

不同外界条件对卓越周期的影响存在差异, 当场地卓越周期与建筑结构自振周期相近将会产生“地震动-场地结构物”系统共振效应, 从而加大建筑结构震害。北部湾盆地是我国华南地区地震最活跃的地区之一, 不仅受到近场短周期地震动的影响, 还易受到远场长周期地震动的影响。北部湾吹沙填海, 场地含有大面积厚层海底沉积软土, 会对地震波产生放大效应[1], 并且场地在外界不断扰动下土层性状持续变化, 从而导致场地的卓越周期处于不断演化状态[2-3], 给吹填场地抗震设防带来严重的挑战。

地震中的许多震害均与场地卓越周期密切相关, 前人对场地卓越周期的影响因素展开了大量的研究, 如场地是否含有软弱夹层[4]、 地下水位的升降[5-6]、 覆盖层厚度[7-8]、 地形差异[9]、 基础形式的应用[10]等。以往的震害研究大都是在近场地震动作用下进行的, 忽略了远场地震动作用下场地产生共振效应的危害, 且对于吹填场地卓越周期的外界影响因素研究相对较少。

本文以北部湾吹沙型填海场地为背景, 在进行室内试验获取其土层基本物理力学参数的基础上建立ABAQUS二维数值分析模型, 研究北部湾吹填场地在近、 中、 远场不同周期不同幅值地震动作用下的卓越周期演化特征, 并探索堆载预压加固处理对吹填场地卓越周期的影响, 以期为北部湾吹填场地的抗震防灾提供参考和依据。

1 力学参数的确定

吹填场地土层的基本参数如表1所示。由于外界因素的影响, 场地海积软土与吹填砂土的土层性状不断变化, 其力学参数也处于持续变化的过程中。为了获取其物理力学参数, 课题组研制了一套浸泡-加载联动试验装置(图1)[11]。该装置利用杠杆原理, 将施加在杠杆端部的砝码通过样品顶部与杠杆相连的刚性活塞转换成面荷载施加于试样上方, 使试样固结。该装置侧向位移受限, 竖向位移可变, 实现荷载的平稳与无扰动施加, 侧面设置密集小孔, 使试样在固结过程中可与浸泡桶内的海水自由进行离子交换, 以模拟海水环境和固结排水过程。试验土取自广西北部湾某吹填场地的海积软土和吹填砂土, 并采集了该场地所处海域的海水作为室内试验材料。

表1 场地土层的物理力学参数

图1 浸泡-加载联动试验装置Fig.1 Test device of soak-load linkage

以100、 200、 300 kPa三个等级荷载作用于上部竖向放置百分表的试样上, 监测试样固结过程中的沉降变形量, 当试样加载后百分表读数变化小于0.01 mm/d开始读数。在浸泡-加载联动试验的基础上, 根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999), 通过室内试验获取在预压加载作用下海积软土土层的物理力学参数(表2), 在不同相对密实度下吹填砂土土层的物理力学参数(表3)。

表2 海积软土物理力学参数

表3 吹填砂土物理力学参数

2 模型建立

北部湾吹填场地形式十分复杂, 为了方便建模, 将场地土层看成水平层状结构体, 假设各层之间紧密连接, 应力与位移相互协调, 同一层土的性质相同, 地下水位对场地的影响用经折减的方法考虑[12], 不考虑砂土液化和水土耦合作用, 场地计算剖面土层参数见表1, 其中吹填砂土层厚度取5.0 m, 海积软土层厚度取10.0 m, 中风化岩层为底部基岩层, 其剪切波速为543.0 m/s, 覆盖层厚度按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2011)取值。

针对表2、 3不同的工况组合, 建立ABAQUS二维数值模型, 本构模型选取Drucker-Prager模型, 运用Rayleigh Damping进行解耦分析, 采用粘弹性人工边界(图2)条件, 并运用相应的地震动输入方法[13], 在对边界条件和地震动输入方法进行精度验证[3, 13]达标后, 将选取的地震动由模型底边垂直入射, 监测模型顶部中心的加速度时程并将其转化为反应谱幅值与周期之间的关系, 读取反应谱峰值对应的周期作为模型场地的卓越周期。

图2 粘弹性人工边界示意图Fig.2 Viscoelastic artificial boundary diagram

北部湾地区缺乏地震记录台站,历史上虽发生过多次地震但均无记录,本文选取3条汶川地震基岩台站实际强震动记录,即四川茂县台站、松潘台站和湖北恩施台站记录。茂县波中有大量高频部分,属于近场地震波; 松潘波属于中场地震波; 恩施波中有大量低频部分, 属于远场地震波。部分处理后的地震动加速度时程曲线和傅里叶谱如图3、 4所示。

图3 基岩输入地震动加速度时程曲线Fig.3 Time history curves of bedrock input ground motion acceleration

图4 基岩输入地震动傅里叶谱Fig.4 Fourier spectrums of bedrock input ground motion

广西北部湾吹填地区设计基本地震加速度峰值为0.05g, 由于北部湾吹填场地内存在重点设防类工业建筑, 因此本文将对输入地震动幅值进行3个等级(0.05g、 0.10g、 0.20g)的研究。

3 不同周期成分地震动作用下吹填场地卓越周期演化特征分析

茂县波、 松潘波、 恩施波构成了近、 中、 远场且周期成分不同的地震动, 选择持时为30 s, 幅值为0.10g的地震动作为输入地震动作用于吹填场地上, 海积软土层力学参数取自表2中A1所对应的数值, 吹填砂土层力学参数取自表3中的B1所对应的数值, 模型建立按第2节所述设置, 计算分析结果如图5所示。

图5 不同周期成分地震动作用场地反应相关成果Fig.5 Field reaction related results of ground motions with different periodic components

在近、 中、 远场不同周期成分地震动作用下, 加速度反应谱峰值均被放大, 加速度反应谱峰值放大倍数也依次增长, 分别为1.091、 1.891、 1.915, 表明吹填场地对近、 中、 远场地震动均具有放大效应, 且在远场地震动作用下放大效果最为明显。其原因是含有大量低频成分的远场长周期地震动与场地海积软土层产生了共振效应, 导致在长周期地震动作用下, 加速度反应谱峰值放大了近两倍。

在近、 中场不同周期成分地震动作用下, 加速度反应谱短周期部分对应的幅值均被衰减, 而在远场地震动作用下反而增大; 加速度反应谱长周期部分对应的幅值在不同地震动作用下均被放大, 在周期为0.7～2.0 s段较为显著, 表明吹填场地对地震波的放大和衰减作用具有明显的选择性, 对短周期地震动高频部分具有衰减作用, 对长周期地震动低频部分具有放大作用。在近、 中、 远不同周期成分地震动作用下, 场地卓越周期均向长周期方向偏移, 偏移量分别为188.89%、 75.00%、 15.38%, 其中场地卓越周期在远场长周期地震动下偏移量最小, 表明吹填场地更易与远场长周期地震动产生共振效应, 从而加大震害。

4 不同幅值地震动作用下吹填场地卓越周期演化特征分析

将持时为30 s、 幅值分别为0.05g、 0.10g、 0.20g的茂县地震动作为输入地震动，海积软土层和吹填砂土层力学参数分别为表2中A1和表3中B1所对应的数值，模型建立按第2节所述设置，计算分析结果如图6所示。

图6 不同幅值地震动作用场地加速度反应谱Fig.6 Site acceleration response spectrums of different amplitude ground motion

随着输入地震动幅值增大，加速度反应谱峰值呈增加的趋势，加速度反应谱峰值放大倍数呈减小的趋势，依次为1.364、 1.091、 1.056，其原因是输入地震动的幅值增加导致土层变形增大、吸收能量增强[14]，从而使加速度反应谱峰值放大倍数逐渐减小。

当幅值为0.05g时, 场地卓越周期向长周期方向偏移了0.22 s, 场地对输入地震动短周期高频部分具有衰减效应, 范围为0.04～0.20 s, 而对长周期低频部分具有增大效应, 范围为0.70～1.65、 1.80～2.2 s。当幅值为0.10g时, 场地卓越周期向长周期方向偏移了0.32 s, 相对于幅值为0.05g时, 场地卓越周期向长周期方向偏移量更大, 场地对输入地震动短周期高频部分衰减作用更加明显、 范围更广(0.04～0.38 s), 对输入地震动长周期低频部分放大程度更加明显, 但被放大范围较为一致。当幅值为0.20g时, 场地卓越周期也向长周期方向偏移了0.32 s, 与幅值为0.10g地震动相比, 虽然卓越周期偏移量相同, 但场地对输入地震动短周期高频部分的衰减效应和对长周期低频部分的放大效应更加显著。

5 不同预压荷载下吹填场地卓越周期演化特征分析

根据北部湾吹填场地地基处理对软土层的影响实例[15]，选择加固影响深度为15.0 m范围内的土层，其中海积软土土层厚度为10.0 m，吹填砂土土层厚度为5.0 m，其物理力学参数见表2、 3。输入地震动持时为30.0 s、 幅值为0.10g的松潘波，模型建立第2节所述设置，计算分析结果如图7所示。

图7 不同工况下场地地表中心加速度反应谱Fig.7 Response spectrums of ground surface central acceleration under different working conditions

随着堆载预压加固处理程度增加, 加速度反应谱峰值(6.520、 6.150、 5.039、 4.568 m/s2)依次减小, 表明堆载预压加固处理能够减弱震害。堆载预压荷载从0～300 kPa, 场地卓越周期依次为0.90、 0.84、 0.84、 0.80 s, 均向长周期方向发生了偏移, 偏移量分别为0.42、 0.36、 0.36、 0.32 s。堆载预压加固处理场地与未处理场地相比, 场地卓越周期分别向短周期偏移了0.06、 0.06、 0.10 s, 堆载预压200 kPa相对于堆载预压100 kPa, 虽然场地卓越周期与其偏移量大小相同, 但在输入地震动峰值周期(48 s)时, 200 kPa对应的加速度反应谱幅值更大; 随着堆载预压加固荷载的增大, 短周期对应的反应谱幅值不断增大, 表明随着堆载预压加固荷载增大, 吹填场地对输入地震动短周期高频部分抑制作用减弱, 场地卓越周期有逐渐向短周期方向偏移的趋势。随着加固程度加大, 大于各场地卓越周期段, 长周期对应的加速度反应谱幅值逐渐减小, 表明在堆载预压加固处理作用下, 场地对输入地震动长周期高频部分放大作用减弱, 从而有效减弱远场长周期地震动作用对场地的动力响应。

随着加固程度增大, 根据《地震区工程选址手册》可知, 吹填场地逐渐由Ⅳ类场地(卓越周期>0.8 s)向Ⅲ类场地(卓越周期为0.4～0.8 s)过渡。当堆载预压为300 kPa, 吹填场地砂土层相对密实度达到90.0%时, 场地卓越周期变为0.8 s, 吹填场地成为Ⅲ类场地。

6 结 论

(1)在近、 中、 远场不同周期成分地震动作用下, 北部湾吹填场地对短周期地震动高频部分具有衰减作用, 对长周期地震动低频部分具有放大作用, 在周期为0.7～2.0 s段较为明显, 且其卓越周期均向长周期方向偏移。远场长周期地震动有大量的低频成分, 在远场长周期地震动作用下, 加速度反应谱峰值放大了近两倍, 场地卓越周期相对偏移量最小, 场地易产生共振效应, 增大地震灾害。在抗震设防时, 北部湾吹填场地要着重考虑远场长周期地震动作用下的动力响应。

(2)随着输入地震动幅值增大, 吹填场地对其高频成分抑制效果增强, 范围变广, 对其低频成分放大显著, 范围相对一致, 吹填场地卓越周期具有向长周期方向演化的趋势。

(3)堆载预压加固处理能使加速度反应谱长周期部分幅值、 加速度反应谱峰值有效衰减, 从而使场地地震动响应减弱, 尤其是场地在远场长周期地震动作用下的动力响应。随堆载预压加固程度增大, 吹填场地卓越周期逐渐向短周期方向演化, 堆载预压加固达到一定程度时, 场地卓越周期由0.9 s变为0.8 s, 吹填场地由Ⅳ类场地变为Ⅲ类场地。