软弱土层对场地地震反应的影响分析

田守岐

中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124010

软弱土层对场地地震反应的影响分析

田守岐

中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124010

目的 研究软弱土层不同排列方式、在土层结构中的位置及其厚度变化对地表加速度反应谱的影响.方法 应用一维波动理论等效线性化分析方法。结果 求出了含软弱土层的不同土层结构在地震作用下地表加速度反应谱，分析了反应谱加速度峰值及特征周期Tg的变化趋势。结论 同样都是Ⅲ类场地情况下，软弱土层的存在使地表地震动参数值与不含软土层的场地得到的值相比有很大变化，软弱土层在土层结构中的位置不同地震动参数值的差异也很大。

软弱土层；土层结构；反应谱；特征周期

引言

现有的土层地震反应分析方法有波动法、集中质量法等。本文计算所使用的是目前我国地震安全性评价和地震小区划研究工作中广泛采用的一位波动理论等效线性化解法。多数情况下，工程场地土层的力学性质在横向的变化较之沿深度的变化为小，在估算土层地震反应时通常先予考虑土体和岩石力学性质沿深度的变化；同时，通常在计算地震反应时假定地震输入是竖直向上的剪切波，因此，土层地震反映问题通常简化为一维波动问题。

1 输入地震波的选择

图1 天津波加速度时程曲线

选真实地震记录天津波104.3gal（图1）作为由基岩向上入射的地震波，选择Ⅲ类场地作为研究对象。所有计算土层结构均为13层，场地覆盖层厚度取110m。文中软弱土层指剪切波速小于140m/s的土层。土层结构按软弱土层的不同位置划分为在底部、顶部和中部三种情况，其确定方法为：底部为倒数第二、三层，顶部为第一、二层，中部为底部和顶部之间的其他各层。构造不含软弱土层的正常剖面时，只将其中软弱土层换为非软弱土层。调整软土夹层埋深及其厚度的同时保证场地的类别不变。

对于弹性均匀介质半无限空间问题，地震动场在自由表面处的值为入射波场值的二倍，基于这一理论结果对实际问题进行近似处理，规定地震输入界面处的地震波应按自由基岩地震动时程幅值的50%输入。

2 数值计算分析

依据《工程场地地震安全性评价工作规范》（DB 001-94），取各土层动剪切模量比G/Gmax与阻尼比 随剪应变 的变化关系。

利用一维等效线性化波动理论方法计算了不同场地剖面在不同地震动输入下地表加速度峰值和速度峰值，并采用双参数标定设计反应谱的方法确定了加速度反应谱拟合谱的特征周期。

2.1 软弱土层埋深对反应谱的影响

选取厚度为2.1m、6.6m及8.1m的软土层，剪切波速值为97.5m/s，密度值为1.63t/m3，并分别计算三种厚度软土层居于土层结构的不同位置时的地表加速度反应，分析其对地表峰值加速度及特征周期的影响。图中D表示软弱土层的埋置深度，hr表示软弱土层的厚度。

图2 Tg随软弱土层埋深的变化曲线

图3 随软弱土层埋深的变化曲线

由图2、图3可知：

(1) Tg值随着软弱土层埋置深度的增加变化比较复杂，总体随着埋深增加Tg值有所增大。当埋深小于8m的时候增大的趋势较明显，随后有一个逐渐减小的过程，埋深达到60m 的时候又开始逐渐增加，8.1m厚的软夹层Tg值变化比其他两种明显；

(2) 地表峰值加速度amax随着软夹层的埋深有着明显的减小趋势，只有在8m～15m之间有微小的增加，形成一个台阶转折。埋深小于8m的时候减小趋势最明显，大于15m时减小趋势相对较小。

2.2 软弱表层对反应谱的影响

软弱表层取剪切波速为97.5m/s，密度值为1.63t/m3，厚度由0.1m～10.1m变化，按照淤泥质土计算。与其对应的正常土层剪切波速为187.5m/s，密度值为1.85t/m3，按照表土计算，其他土层结构及参数保持一致。

图4 Tg随软表土层厚度变化曲线

图5 随软表土层厚度变化曲线

由图4、图5可以得出以下结论：

(1) 含软表土层的反应谱特征周期Tg值与不含软表层的Tg相比有明显减小，软弱表层厚度1.6m～2.6m之间时Tg达到最低，约0.375s，之后随着厚度增加Tg值逐渐增大，当达到7.6m时Tg值趋于平衡约0.625s。

(2) 含软表土层的地表峰值加速度amax与不含软表层的场地地表峰值加速度相比有明显增大，增大倍数约为1.6～1.8，由此可见软弱表层会对地震地面作用产生放大的影响；hr小于2.6m时amax随着软表土层厚度的增加而增大，0.1m～1.6m之间增大明显，1.6m～2.6m为最大区域；hr在2.6m～6.0m时amax随着hr的增加而减小，之后趋于平缓约135gal。

3 结语

虽然场地类别一致，但由于软弱夹层的存在，地震作用及地震动参数都可能有很大的变化，因而在场地类别划分时考虑软弱土层的影响是很必要的，本文研究得到的初步成果能够对场地类别划分的方法及地震动参数的确定方法起到一些借鉴作用。

本文着重研究了不同情况下软弱土层对地震反应的影响，得到主要结论有以下几点：

(1) 对反应谱特征周期Tg的影响

同样厚度的软弱土层的埋深对Tg影响不是很大，总体有随埋深增加的趋势。同样都是Ⅲ类场地情况下，软弱土层的存在使Tg值与不含软土层的场地得到的值相比有很大变化，软弱土层在土层结构中的位置不同Tg值的差异也很大。处于场地表面时Tg值与正常相比明显减小，最大差达到0.3s；处于土层结构20m时，Tg值随着软弱土层厚度的增加而增大；处于基岩表面时，Tg值明显大于正常场地剖面计算的结果。

(2) 对地表峰值加速度的影响

软弱土层埋置深度越深，地表峰值加速度越大。同样都是Ⅲ类场地情况下，当软弱土层处于地表和埋深20m处时，地表峰值加速度都比正常场地计算结果大，对地震影响起到放大的作用；软弱土层处于基岩顶面时，地表峰值加速度与正常场地计算结果相比要小，能够使地震作用削弱，当厚度达到一定值时可以起到隔震的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.16.006