軟夾層的位置對土層地震反應(yīng)計算結(jié)果的影響

1、軟夾層的位置對土層地震反應(yīng) 計算結(jié)果的影響作者: 日期：軟夾層的位置對土層地震反應(yīng)計算結(jié)果的影響摘要：大量的震害表明，地表地形對地面運動有很強的放大和縮小作用，因而直接影 響到震害的分布。對地形條件進行研究的目的有兩個 ，一是解釋地震時地面運動的放大 作用和空間變化，再就是預(yù)測在將來受地震時地面運動的特性。因此地形對地面運動的 影響分析是地震工程學(xué)中非常重要且具吸引力的領(lǐng)域。本文就以探討地形對地震動的影響規(guī)律為研究目標(biāo)，通過有限元軟件計算分析。主要研究軟夾層位置的變化對地震動峰 值加速度、反應(yīng)譜最大值以及反應(yīng)譜最大值所對應(yīng)的最大周期的影響。關(guān)鍵詞:地震動 軟夾層地震動峰值加速度反應(yīng)譜目 錄引言

2、?錯誤!未定義書簽。1、場地條件與輸入地震動的特性？錯誤!未定義書簽1.1場地條件1.1.2維地震反應(yīng)分析方法？錯誤!未定義書簽。2、 人工合成地震動輸入時程 53、 某場地地層分布情況以及工程概況 64、模型的設(shè)計與計算？錯誤!未定義書簽。4 .1模型設(shè)計錯誤!未定義書簽。4.2模型設(shè)計？錯誤!未定義書簽。4.3模型設(shè)計？錯誤!未定義書簽。4 .4結(jié)果的比較與分析 .錯誤!未定義書簽。5、結(jié)論?錯誤!未定義書簽。致謝錯誤!未定義書簽。參考文獻 .錯誤!未定義書簽。引言近年來，場地條件對地震地面運動的影響已引起了人們的重視，并在此方面進行了 諸多研究。江河下游地區(qū)或沿海地區(qū)多是深厚軟弱的沉積層

3、，由于形成年代與成因類型的差異,各土層的動力特性也表現(xiàn)出明顯的不均勻性，層狀構(gòu)造較為顯著。土層結(jié)構(gòu)對 場地地震效應(yīng)有很大的影響，很多研究人員在此方面進行了研究工作。在軟土地區(qū)，軟弱土層所處土層位置和厚度的不同都可能對場地地震效應(yīng)產(chǎn)生影 響。當(dāng)軟弱土層位于地表時，對地表地震動有著顯著的影響。當(dāng)軟弱土層位于土層內(nèi)部 , 也就是含軟土夾層場地的地震效應(yīng)也有不少工程地震科研者進行過研究，這些研究主要指出此類場地的地震地面運動有兩個重要特征：一是地面加速度放大作用被削弱，而削弱程度與軟土層的剪切波速、波阻抗、軟夾層厚度及埋深有關(guān)；二是地面加速度反應(yīng)譜 曲線呈現(xiàn)出雙峰特征。本文將著重研究軟弱夾層土埋深對深

4、厚軟弱場地地表地震動參數(shù) 的影響。1、場地條件與輸入地震動的特性1.1場地條件地球地表及近地表的介質(zhì)十分復(fù)雜，地球表面的局部場地地形和覆蓋土層情況千差 萬別，從而形成了地球表面的局部場地條件。局部場地條件包括局部場地地形條件和覆 蓋土層條件。局部地形條件指場地自由地表的地形變化和覆蓋土層下臥基巖面的地形變 化情況,覆蓋土層條件包括場地局部范圍內(nèi)土層的豎向變化和水平向變化情況。地震發(fā) 生時，地震波從震源體發(fā)出經(jīng)地殼介質(zhì)傳播至地球表面，引起地球表面局部場地震動，即場地地震動。場地地震動包括人們關(guān)心的場地范圍內(nèi)的自由地表處及工程建設(shè)所要求 深度處的地震動。地震動時程是地震動的直接描述量，但工程中常利

5、用地震動的一些特 征參數(shù)來描述地震動，以反映地震動的主要特性，這些參數(shù)包括地震動的峰值（峰值加速 度、峰值速度及峰值位移）、加速度反應(yīng)譜和持續(xù)時間等。場地地震動的特性與地震震源特性、地震波從震源傳播至場地的途徑及介質(zhì)性質(zhì)有 關(guān)，特別是它還與地球近地表的局部場地條件有關(guān)。局部場地條件對地震動的影響不僅 體現(xiàn)在場地土層介質(zhì)空間分布不均勻性的影響方面，同時還包括場地土層介質(zhì)動力特性變化的影響，也就是場地土體動力非線性特性的影響。局部場地條件對地震波的傳播有較大影響，它表現(xiàn)為對場地地震動的放大或縮小，并直接影響到地震災(zāi)害程度的分布。震害現(xiàn)象分析和理論研究結(jié)果表明，場地條件對地震動的影響不僅僅表現(xiàn)在地震

6、動幅值(如地震動峰值加速度)的變化上，而且還表現(xiàn)在 地震動頻譜特性的變化上。場地地震動參數(shù)確定中，通常首先考慮地震震源特性及波傳 播途徑對地震動的影響，而后在此基礎(chǔ)上考慮局部場地條件對地震動的影響。在工程中，場地的大小隨研究區(qū)域或工程項目而定，大體相當(dāng)于單項工程所在地、 街區(qū)或自然村的范圍。地震小區(qū)劃以城鎮(zhèn)、縣城、廠礦為工作范圍，其范圍內(nèi)可能包括 不同類別的場地。場地和地殼介質(zhì)之間的界線并不明確，大多數(shù)研究以不存在工程結(jié)構(gòu)、 地形起伏、深基礎(chǔ)等影響的平整基巖面為界，亦工程基巖面。場地以工程基巖面以上的 水平或起伏的土層為主，有時也包括起伏的基巖。由于部分場地的埋伏基巖因風(fēng)化層厚 或其他原因不易

7、確定,可以用波速超過一定數(shù)值的層面(如500 m/s或70 0 m/s)為工程 基巖面。在地震危險性分析和確定設(shè)計地震動中，一般都是先確定基巖面的地震動，然后考慮土層反應(yīng)的影響。地面破壞也集中在地表及淺層，因此場地條件指局部的地質(zhì)構(gòu)造和 地基特性，包括近地表幾十米至上百米內(nèi)的地基巖土結(jié)構(gòu)和特性、地形地貌、淺表斷層、地下水等工程地質(zhì)要素。這些因素對地震動和地面破壞有強烈的影響，對結(jié)構(gòu)抗震有至 關(guān)重要的作用。土層中軟夾層可能有隔震作用。1 9 76年唐山地震，唐山市區(qū)達到X -幻度，但市區(qū) 北部和東部陡河沿岸地區(qū)出現(xiàn)低破壞區(qū)帶。河兩岸300-400m范圍內(nèi)多層磚房一般裂而未 倒,墻體開裂顯示地基失

8、效的破壞特征。 此處地下3-5m深處有淤泥質(zhì)粘土層,厚1-3m最厚 達5 mb本文僅針對軟夾層位置對土層地震反應(yīng)計算結(jié)果的影響。1 .2 一維地震反應(yīng)分析方法對于水平成層模型，假設(shè)基巖地震波垂直入射，則土層中同一平面內(nèi)質(zhì)點運動相同， 只需要一個垂直坐標(biāo)Z表示，地震反應(yīng)是一維波動現(xiàn)象。橫向非均勻變化場地要考慮界 面和巖土特性隨空間的變化，求解是二維或是三維波動問題。先看線性彈性土層地震反應(yīng)，設(shè)平面波入射到平面界面上，反射波和透射波 與入射波的關(guān)系。假定是諧波入射。zU=Es in w (t+ c)(1)反射波和透射波也一定是相同頻率，相同波速的諧波：z反射波：U r = F sinw(t-c);

9、透射波：Ut=E'i n w( t + c)(2 )注意反射波的小括號中辯負號，表示向下傳播：投射波的波速變位c，表示進入另 一個介質(zhì)。現(xiàn)在的問題是由振幅E確定反射波振幅F和透射波振幅E.兩個未知數(shù),需要兩 個定解條件，即位移和應(yīng)力連續(xù)。U+ Ur= Ut T+T t =Tt應(yīng)力等于剛度乘應(yīng)變因為是剪切波，所以用剪切剛度，又因為是一維平面波，只有一個坐標(biāo) 乙應(yīng)變等21 E,1于位移除以長度。帶入求解得到:F= 1 E，pc'式中=PC稱為波阻抗比。對于N層土層,在每個分界面上，有很多來回的反射波和透射波，因為是諧波，總可 以合并成上行波和下行波，由此可由簡單的兩層推廣到多層土。

10、對于某一個界面來說，可以得到界面上下兩側(cè)波幅系數(shù)的關(guān)系：1 a 1 a自亡臼自2 2這是重要的關(guān)系式，連接土層界面上下波幅的關(guān)系。由此可以一層套一層連接起來, 推導(dǎo)出轉(zhuǎn)換矩陣表示鄰層振幅的遞推關(guān)系：H n 1TnH n, n 1,2,3n=1式中:Hn= En ,Fn'為第n層的波幅矢量。轉(zhuǎn)換矩陣T n為:n21 asin (kA)-二 si n(心九)2 1sin( knhn)1 an1 a-sin(KnHn )21 anTn=2an式中：PnccKn=W/C為第N層的波數(shù)。由此可推得頂Pn lCn 1 ; H n為第N層的厚度;層與任一層間的波幅轉(zhuǎn)換關(guān)系：Hn TnH1(5 )t1

11、1 t12式中：T n稱為傳遞矩陣：Tn Tn 1T2T1 切t22(6 )傳遞矩陣只與土層的厚度，密度和波速有關(guān)，與輸入無關(guān)。帶入地表應(yīng)力為零的邊界條件E仁F1 ,en E 1式中：et12t11;fn t21 t22。由此可得到地表地震動向基巖內(nèi)反射波與基巖地震于是可得：Fn fnF1(7 )動波幅為間的轉(zhuǎn)換關(guān)系E 丄E匚1匚NenFn 屯EneN(8)將基巖的暫態(tài)輸入通過傅立葉變換展開成諧波，得到每個諧波的穩(wěn)態(tài)解后， 再經(jīng)過傅立葉反變換就得到地表或任意一層的地震動。注意如果用基巖表面的地震動為 輸入時,考慮地表的放大作用，可減半作為埋伏基巖的輸入。地震動的時程的離散化使 得計算結(jié)果在有限

12、頻段內(nèi)有效,低頻截止頻率為fc 1/T，高頻截止頻率為fch二1/2 本文使用的是場地地震反應(yīng)的一維模型分析方法，計算流程如圖1:輸入計算控制數(shù)據(jù)、土層剖面資料、加速度時程計算輸入加速度時程的傅氏譜對輸入自然土層剖面進行計算分層非線性關(guān)系數(shù)據(jù)，并計算初始等效波速值計算每兩層土界面上的波阻抗GnGnonfO-計算土層位移及剪應(yīng)變的傳遞函數(shù)計算土層等效剪應(yīng)變及對應(yīng)的等效值GnGnoGnon nOn0計算并輸入加速度時程、反應(yīng)譜及其他量圖1.場地地震反應(yīng)的一維模型分析方法2、人工合成地震動輸入時程本論文以防災(zāi)科技學(xué)院工程地震實訓(xùn)中心工程場地地震危險性分析結(jié)果, 程序，改變隨機數(shù)人工合成3條地震動時程

13、，結(jié)果如下：人工合成地震動時程曲線II. j I I I n e jii 0.4JL汕 Li t|Jj|l J11015202530354045時間（s）圖2-1人工合成地震動時程曲線g（ 度 速 加時間（s）圖2-2人工合成地震動時程曲線5104 3 2 100 0 0 0一一度速加15202530354045時間（s）3、某場地地層分布情況以及工程概況本文選取了有代表性的某場地不同深度處，厚度均為2m的淤泥質(zhì)粘土軟弱層。其深 度分別位于6m、10m 16m勺軟弱層。表3-1 土層地震反應(yīng)分析模型參數(shù)分層序號巖土類型剪切波 速（m/s）分層厚度（m）密度（g/cm 3）土動力學(xué) 參數(shù)序號1雜

14、填土1 7 0.40. 51.8012粉質(zhì)粘土188. 31.51.9 623粉質(zhì)粘土206.12.01. 9624粉質(zhì)粘土225.42.01.9 625粘土277.82.01.9936粘土2 8 7 .52.01.9937密實砂土33 6 .22 .02.0148密實砂土35 4. 62.02 .0149密實砂土396. 72.02. 0141 0中風(fēng)化花崗巖444.32.02. 0551 1中風(fēng)化花崗巖4 7 2 .02 .02. 05512基巖52 8. 92.02.206場地土層剖面資料表3-2深度（米）波速（米/秒）深度（米）波速（米/秒）0.5170. 41233 6 .221 8

15、8 .31 4354.64206.11 6396.7622 5 .418444.382 7 7.82047 2 .01 02 87. 52 2528.94 、模型的設(shè)計與計算4.1模型設(shè)計4. 1.1模型I為了研究軟夾層的埋深對土層加速度反應(yīng)峰值 Am ax及其反應(yīng)譜最大值Smax速度 最大值Vmax深度DmaX勺影響,以上述場地為研究對象,將剪切波速為129.1 m /s，密度 為1 .82g /m3 ,厚度為2米的淤泥質(zhì)粘土層替換場地剖面位置6米處的土層。如下表：表4 -1 土層地震反應(yīng)分析模型參數(shù)分層序 號巖土類型剪切波速(m / s)分層厚度(m)密度（g/ cm3）土動力學(xué) 參數(shù)序號

16、1雜填土170. 40. 51.8 012粉質(zhì)粘土1 8 8.31 .51.9 623粉質(zhì)粘土20 6 .12.01.9624淤泥粉質(zhì)粘土1 2 9.12.01.8 235粘土27 7 .82.01. 9946粘土2 87. 52 .01.9 947密實砂土3 36.22. 02. 0158密實砂土354.62 .02. 0159密實砂土3 9 6.72.02. 0 1510中風(fēng)化花崗巖4 44.32.02.0561 1中風(fēng)化花崗巖47 2 .02. 02. 0 5612基巖528.92. 02.207備注：第四層為軟弱夾層4. 1 .2 .計算過程(1) 通過程序(RTELTR)進行計算，得

17、出輸出文件R es-1,Re s -2,Res 3,將三個反應(yīng)譜曲線1文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入e xc e l畫圖得出結(jié)果如下圖時程一一 時程二 時程三圖4-1:軟夾層對反應(yīng)譜譜值的影響 通過執(zhí)行程序(Rs le i bm)得出五個輸出文件rte 11, rtel2 , r t el3 , rtel4,rt e l 5 ,經(jīng)過查找文件內(nèi)容得出Ama x, Vm ax, Dmi x的最值，列表如下表4-2時程Ama<Vma<Dmax10.24150.024580.0104 10 .009220.21 0 80. 0 2456 530.25 3 00.023520.015720. 230.0 2

18、0.0117 9平均值514178(3)根據(jù)公式Tg=4.44* Vma/A max可根據(jù)表5 -3得到卓越周期的值Tg=4 .4 4 *0. 0 241 7 /0 . 2351 =0.4 56 54. 2模型設(shè)計4.2 . 1模型U為了研究軟夾層的埋深對土層加速度反應(yīng)峰值 Am ax及其反應(yīng)譜最大值Sma x，速度 最大值Vmax,深度D max的影響,以上述場地為研究對象,將剪切波速為129.1m/ s,密 度為1.82 g / m 3,深度為10米,后2米的淤泥質(zhì)粘土層替換場地剖面位置處的土層。表4- 3 土層地震反應(yīng)分析模型參數(shù)分層序號巖土類型剪切波 速(m/s)分層厚度(m)密度（g

19、/ c m3）土動力學(xué) 參數(shù)序號1雜填土170 .40.51.8012粉質(zhì)粘土1 88. 31 .51.9 623粉質(zhì)粘土2 06 .12 .01.9624粉質(zhì)粘土22 5 .42.01 .9625粘土2 77.82 .01.9 936淤泥粉質(zhì)粘土129. 12. 01.8 247密實砂土336.22.02 .0158密實砂土35 4. 62. 02 .0159密實砂土396.72. 02. 0 1510中風(fēng)化花崗巖444. 32. 02 .0561 1中風(fēng)化花崗巖472.02. 02 .0 5612基巖5 2 8.92.02. 207備注:第六層為軟弱夾層圖4. 2.2計算過程？1)通過程序

20、(RTE LTR)進行計算，得出輸出文件Re s-1,Res-2,R es -3 ,將三個文件的 數(shù)據(jù)導(dǎo)入e x c el畫圖得出結(jié)果如下圖圖4-2 :軟夾層對反應(yīng)譜譜值的影響(2) 通過執(zhí)行程序(Rsleib m)得出五個輸出文件r t el 1 ,rtel 2 ,r t e 1 3,rt e 14 ,r t el5,經(jīng)過查找文件內(nèi)容得出Amac, Vmax DmaX勺最值,列表如下表4 -4時程AmaxV ma xDmax0. 1 4 70. 0 1 9137 20 .010290.0 0 820.137 20.027038930 .024330.1 7 1750.016 8 6平均值0.

21、15210. 02370.01 2 01(3) 根據(jù)公式T g =4.44*Vmax/A max,可根據(jù)表5- 5得到卓越周期的值T g=4.44 衣 0.0237/0 . 1 52 1=0.69 1 84.3模型設(shè)計4. 3. 1模型川為了研究軟夾層的埋深對土層加速度反應(yīng)峰值A(chǔ)max及其反應(yīng)譜最大值Sm ax,速度最大值Vmx ,深度Dma的影響，以上述場地為研究對象，將剪切波速為129.1m/s,密度為1. 8 2g/m3,厚度為16米,厚2米的淤泥質(zhì)粘土層替換場地剖面位置處的土層。表4- 5 土層地震反應(yīng)分析模型參數(shù)分層序號巖土類型剪切波 速(m/s)分層厚度(m)密度(g/cm3)土動

22、力學(xué) 參數(shù)序號1雜填土170.40 .51.8012粉質(zhì)粘土188.31 .51.9623粉質(zhì)粘土20 6.12. 01. 9624粉質(zhì)粘土2 2 5 .42.01. 9625粘土277.82.01. 9936粘土28 7. 52. 01.9937密實砂土3 36.22 .02. 0 148密實砂土354.62.02. 0 149淤泥粉質(zhì)粘土1 2 9.12.01.82510中風(fēng)化花崗巖444 .32. 02.05611中風(fēng)化花崗巖4 7 2 .02.02.0561 2基巖528.92.02. 2 07備注:第九層為軟弱夾層圖4. 3.2計算過程1)通過程序(RTELTR)進行計算，得出輸出文

23、件Res - 1, Res -2,R e s-3,將三反應(yīng)譜曲線譜值個文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入exc e l畫圖得出結(jié)果如下圖時程一一 時程二 時程三圖4-3 :軟夾層對反應(yīng)譜譜值的影響(2)通過執(zhí)行程序(R s 1 ei b m 得出五個輸出文件rte 1 1, rt e 1 2,rt el 3, r te 1 4,rtel5 ，經(jīng)過查找文件內(nèi)容得出 Amac, Vmax DmaX勺最值，列表如下表4-6時程A maxVm axDma x10. 11590 .021440. 0 110. 02 220.020.112 48093750.022 730 .135810 .017 10 .02 20. 0

24、124平均值0.1 2 13149(3)根據(jù)公式Tg =4. 44 *Vmax/Amax ,可根據(jù)表5- 7得到卓越周期的值Tg=4.44*0.02214/ 0.1 21 3=0. 8 104 4.4結(jié)果的比較與分析 4.4.1峰值加速度的比較通過對表4 - 2 , 4 -4,4 6,的比較，得到表7表4-7深度(m)AmaxVmxD max60 .23510. 024170.011798100.1 5 210 .023 70.01201160.12130.0 2 2 1 40. 0 12494.4.2反應(yīng)譜最大值的比較通過對圖4 1,4 -2,4- 3的比較，找出對應(yīng)反應(yīng)譜的平均值進行比較得到下表 表48深度(m)周期T/sSa最大值60.57380 .863436100.8 1