（岩土工程专业论文）土层结构对场地传递函数的影响研究.pdf

摘要 摘要 场地条件对地震动的有着显著的影响。近十年来，作为场地条件的一 个重要内容的土层结构对地震动的影响受到了人们的普遍关注。由于土层 的复杂性，在工程抗震研究领域，人们从不同的角度来研究土层结构对地 震动的影响。本文借助于传递函数的概念研究已知基岩输入情况下，不同 土层结构对地震动“放大作用 的影响，并利用放大倍数具体表述。传递 函数是频域分析中的一个重要概念，它严格的数学概念是针对线性系统在 已知输入和传递函数的情况下，求解系统的输出。在岩土工程抗震领域内， 人们借助传递函数的概念，研究非线性系统输入和输出的关系。在给定地 震动输入的情况下，研究对地震动有影响的场地条件，进而了解场地对地 震动的放大作用，这一方面的研究是当前岩土工程抗震领域的重要内容之 一，有重要的理论和现实意义。本文利用土层地震反应分析的等效线性化 方法，借助传递函数的概念，重点研究了土层结构对输入地震动的“放大 作用 这一问题，完成的主要工作如下： 1 简要总结了场地条件对地震动影响研究的国内外现状，详细介绍了 土层结构对地震动影响研究的若干进展，对有关问题进行了详述和讨论。 2 介绍了传递函数概念和其在岩土抗震研究中的应用。详细介绍了土 层地震反应分析一维等效线性化方法。具体介绍了传递函数在这一方法中 的具体实现，对具体的计算程序进行了详细分析和解读。 3 在课题组原有工作基础上，作者收集和整理了全国数百个工程场地 的钻孔资料，对所收集的钻孔资料进行了分类整理和分析研究，从中选出 了近百个具有代表性的土层剖面作为分析计算的基本模型。根据研究的需 要，本文还人工构造了若干个土层剖面作为计算模型。本文对模型选取和 构造的原则、方法做了规定，并介绍了计算参数选取的原则。 4 本文利用土层地震反应分析一维等效线性化的方法，计算了不同土 层结构条件下，若干土层剖面的输出结果。在土层结构方面重点考虑了软 弱夹层的厚度、位置和总覆盖层的厚度对地震动输出结果的影响，对计算 结果进行了系统的分析，得到了一些有意义的结论。 5 本文还对利用场地的传递函数来估计场地卓越周期，进行了初步的 讨论。 众所周知，工程场地是一个复杂的系统，地震波在这一复杂系统内的 传播以及响应是一个极其复杂的科学问题。自上世纪初以来，人们对这一 中国地震局工程力学研究所硕上学位论文 复杂问题的探索一直没有间断，并且得到了一重要价值的研究成果。相信， 这一领域的研究还将收到岩土工程界的广泛关注。本文只是初步探索了土 层结构对传递函数某些特征值的影响，由于水平所限，缺点和错误在所难 免，敬请各位赐教。 关键词：场地，土层结构，传递函数，卓越周期 a b s t r a c t a bs t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o n t e n t ，p e o p l eh a v eb e e nc o n c e m e da b o u tt h ei n f l u e n c e o fs o i ll a y e rs t r u c t u r et og r o u n dm o t i o n ，e s p e c i a l l yf o rs i t ec o n d i t i o n t h ee f f e c t s a r es t u d i e df r o md i f f e r e n td i r e c t i o ni na n t i s e i s m i ce n g i n e e r i n gb e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo ft h es o i ll a y e nt h ea m p l i f i c a t i o ne f f e c tt og r o u n dm o t i o nd u et o d i f f e r e n ts o i ls t r u c t u r er e c u r st ot h ec o n e e d to ft r a n s f o r mf u n c t i o nu n d e rg i y e n i n p u t a n db ed e s c r i b e db ya m p l i f i c a t i o n t h et r a n s f o i t nf u n c t i o ni sa ni m p o r t a n t c o n c e p tw h i c ht og i v e ni n p u ti nf r e q u e n c ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t et h eo u t p u to f t h es y s t e m n o n - l i n e a rs y s t e mi n p u ta n do u t p u tr e l a t i o n s h i pi ss t u d i e db yu s i n g t r a n s f o r mf u n c t i o ni nt h eg e o t e c h n i c a le a r t h q u a k ee n g i n e e r i n gf i e l d i no r d e rt o s t u d yt h ea m p l i f i c a t i o no fg r o u n dm o t i o ni ss t u d i e dt h r o u g ht h ee f r e c to fs i t e c o n d i t i o na n dt h eg i v e ng r o u n dm o t i o n t h er e s e a r c hi sav e r yi m p o r t a n tp a r to f t h eg e o t e c h n i c a le a r t h q u a k ee n g i n e e r i n gf i e l da n dh a si m p o r t a n ta c a d e m i ca n d p r a c t i c a lm e a n i n g t h ep r o b l e mo fg r o u n dm o t i o nd u et os o i ls t r u c t u r ei ss t u d i e d b yu s i n gt h ee q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o nm e t h o dt os o i ll a y e re a r t h q u a k er e a c t i o n a n dt h et r a n s f o r mf u n c t i o nc o n c e p t ，t h em a i nc o n t e n ti n c l u d i n g ： 1 s t a t e o f - a r tf o re f f e c to fg r o u n dm o t i o nc a u s e db ys i t ec o n d i t i o na r e s u m m a r i z e di nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c hp r o g r e s sa r ei n t r o d u c e da n dd i s c u s s e d f o rg r o u n dm o t i o nc a u s e db ys o i ls t r u c t u r ei nd e t a i l 2 c o n c e p ta n da p p l i c a t i o n f o rr e s e a r c ho fg e o t e c h n i c a l e a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g o fl a a n s f o i t nf u n c t i o ni si n 仃o d u c e dh e r e o n e d i m e n s i o n a l e q u i v a l e n t l i n e a r i z a t i o nm e t h o dt os o i l 1 a y e re a r t h q u a k er e a c t i o n i sa l s o i n t r o d u c e da n dt r a n s f o f mf u n c t i o ni sr e a l i z e da sw e l l d e t a i l e da n a l y s i sa n d r e a d i n gt ot h ec o n c r e t ec a l c u l a t i o np r o c e d u r ea r ec a r r i e do n 3 a b o u to n eh u n d r e ds o i ll a y e rs e c t i o n sa r es e l e c t e dt oc l a s s i f ya n ds t u d y f o rc a l c u l a t i n gm o d e l sf r o mh u n d r e d so fd r i l lm a t e r i a l sb a s e do nt h ei n t r i n s i c w o r k i n g t h ep r i n c i p l e a n dm e t h o do fs e l e c t i o na n dc o n s t r u c t i o no f c a l c u l a t i o nm o d e la n dp a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e da n ds e v e r a lm a n u a ls o i ll a y e r s e c t i o nc a l c u l a t i o nm o d e l sa r ec o n s t r u c t e db a s e do nt h en e e do fr e s e a r c h ， 4 d i f f e r e n ts o i ll a y e rs t r u c t u r e sw h i c hc o n s i d e r i n gm a i n l yt h et h i c k n e s s 、 p o s i t i o na n do v e rl a y e rt h i c k n e s so fs o f ti n t e r c a l a t i o na r ec o m p u t e db yu s i n gt h e o n e d i m e n s i o n a le q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o nm e t h o dt os o i ll a y e re a r t h q u a k e r e a c t i o n t h e c o m p u t i n g r e s u l t sa r e a n a l y z e ds y s t e m i c ，s o m es i g n i f i c a t i v e c o n c l u s i o n sa r eg o t 5 t h i sp a d e rr e t u r n st oe s t i m a t ea n dd i s c u s sd o m i n a t ep e r i o do fs i t eu s i n g t r a n s f o f n lf u n c t i o n 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 k n o wt oa l l ，t h ee n g i n e e r i n gs i t ei sac o m p l i c a t e ds y s t e m t r a n s m i ta n d r e s p o n s e o ft h e e a r t h q u a k ew a v e i nt l l e c o m p l i c a t e ds y s t e m i sav e r y c o m p l i c a t e ds c i e n t i f i cp r o b l e m f r o ml a s tc e n t u r y ，p e o p l es t u d yt h i sp r o b l e ma t a l lt i m e sa n do b t a i nm a n yi m p o r t a n tr e s e a r c hr e s u l t s t h er e s e a r c hw i l lb ec o m e i nf o re x t e n s i v ea t t e n t i o n t h ee f f e c to ft r a n s f o 册f u n c t i o nf o rt h es o i ll a y e r s t i c t l l r ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：s i t e ，s o i ll a y e rs t r u c t u r e ，仃a n s f o r r nf u n c t i o n ，d o m i n a t ep e r i o d i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得生垦地震 屋王程左堂班究压或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 至造 签字日期：趔，筐。矽论文作者签名： 监 签字日期：趔，筐。矽 学位论文版权使用授权书 本人完全了解生垦丝蕉屋工程左堂硒究压有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权虫国地震屋王猩左堂硒究压可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名：二 遣 签字日期：圣! ! z ：至：呈2 导师签名f 羔：兰兰 签字日期： 二鲫7 fz 3 口 i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 地震是一种危及人类生命财产的突发性自然灾害，特别是一些震级较 大的破坏性地震，给人类所带来的灾难尤为深重。地震动则是引起震害的 外因，有时也称之为地面运动，其作用相当于结构分析中的各种荷载，二 者之间的区别主要在于，结构工程的荷载一般都是以力的方式直接作用， 但地震动则是以运动的方式出现【1 1 。地震动作为一种复杂的随机现象，以目 前现有的科技水平，对其许多重要的影响因素我们尚难精确估计，如震源、 传播介质及场地条件等因素，从而产生诸多不确定性的变化。 场地条件一般指局部地质条件，如近地表几十米至几百米内的地基土 壤、地下水位等工程地质情况、微地形以及有无破碎带通过等等。国内外 震害经验几乎一致证明，场地条件是引起地表震害和地震动局部变化的主 要因素，如人们在震害调查中通过对震害异常等状况的研究表明：场地覆 盖土层的的差异就是造成此种变化的重要原因，有时甚至对此产生主导性 作用。土层结构作为场地条件之一，近些年来已为广大工程地震工作者所 愈加重视并进行了大量研究，从工程地震学研究的角度来讲，它主要是是 指地面以下第四纪覆盖土层的不同排列组合以及下覆基岩的地表形态等【2 】。 1 2 问题的提出 经过国内外众多学者的大量研究【7 】1 8 】【9 】【5 6 1 表明，由于土层的不同排列组 合，特别是软弱夹层对地表地震动的影响尤为严重和复杂。但是如何细致 考虑土层结构因素的影响问题，在现今各个国家的抗震规范中，并未得以 确切体现。我国建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 规定，需进行抗 震设计的结构的地震影响系数，应根据烈度、场地类别、设计地震动分组 和结构自振周期以及阻尼比确定，由此我们可以清晰认识到，对于场地地 震动特性判断的精确与否，将直接影响到抗震设计的效果与真实性。在大 量的实际工程设计和计算分析工作当中，都需要根据现行规范规定对结构 进行设计地震动参数确定，然而在此过程中时常显现的诸多矛盾问题足以 证明此类方法仍存有很多不足之处。例如，假设就一个带有软弱夹层的土 层剖面而言，在其总覆盖层厚度、各分层厚度、各分层密度及各层剪切波 速等等各个参数都不改变的情况下，我们通过仅仅改变软弱夹层位置的方 式，再另外构造出若干土层剖面，然后通过对这些剖面进行经验判断或数 值计算都可充分证实：这些按照现行规范【3 】规定场地类别相同、土层结构不 同的剖面，在相同基岩地震动输入条件下，其地表地震动参数( 如峰值加 速度等) 可相差几倍甚至几十倍。 1 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 场地传递函数是场地动力特性的直观反映；若以结构动力学的角度审 视，其实际意义主要在于：它可以近似表示在一简谐振动干扰下土体稳态 反应与外加干扰的比值关系。就理论依据而言，场地传递函数即可视为运 用波动理论在频域内求解土层稳态地震反应的中介手段，其之所以在工程 领域得以广泛应用，主要在于自身拥有直观性、简便性等诸多优点；通过 对传递函数的幅值谱和相位谱的简单分析，即可一目了然地获取场地对不 同频率谐波的传递信息，进而初步了解场地动力特性。联系前述关于场地 条件对地表地震动影响的论述，若细致考虑土层结构的各种不同变化形式 并以此为研究起点，则对不同场地条件下土层反应的定性规律探求，必定 可以得到具有实际应用价值的经验或结论。目前对于场地传递函数的研究 讨论，都主要基于对场地物理力学参数进行等效简化的思路，大致判断实 际场地的振动特性，进而最终利用给定的基岩输入粗略估计地表地震动作 用【4 】【6 l ：另有部分研究者也多在简化土层模型基础之上，并通过不断调整地 震波入射角和阻尼比的方式，对实际场地传递函数进行估计p 】。 有鉴于以上论述，既然传递函数作为场地特征的直观表述与反映，本 文作者认为，有必要通过对各种不同土层结构条件下的场地传递函数作一 些统计分析工作，从而达到对抗震概念设计、估算场地卓越周期等问题， 提供一定范围内定性参考的目的。( 本文将仅仅针对总覆盖层厚度和软弱夹 层两种情况进行统计分析) 1 3 场地震害实例 1 3 1 引言 虽然本文论述内容主要侧重于土层结构对场地传递函数的影响，但究 其本质，土层结构仍属场地条件的内容之一。基于此点，本文作者经过大 量查阅文献和收集若干国内外与场地条件相关的震害实例，对于场地条件 对地表地震动的影响等问题进行了适当分析并给予综合概述。本节目的也 主要在于使我们对于此类问题的认识，能有一个更基本的了解。 从目前的资料来看，较早开展场地条件对震害影响研究的学者是美国 人w o o d 。他对1 9 0 6 年美国旧金山大地震震中区附近的震害做了详细现场调 查【5 5 】。结果发现，不同场地条件上的建筑物的震害差异十分明显。在随后 全球内发生的一些破坏性地震，如日本关东大地震( 1 9 2 3 ) 、中国邢台地震 ( 1 9 6 6 ) ，唐山大地震( 1 9 7 6 ) ，墨西哥大地震( 1 9 8 5 ) 、土耳其大地震( 1 9 9 9 ) 和中国 台湾集集大地震( 1 9 9 9 ) 等的震害调查资料几乎一致支持w o o d 的调查结果。 通过宏观地震震害调查而得到的主要结论是：一般软弱地基上的震害较坚 硬地基上的震害严重；复杂场地较简单场地的震害重：自振周期较长的结 第一章绪论 构在软土地基上的震害重，自振周期较短的结构在硬地基上的震害重：但 有些震害存在特殊情况。自1 9 3 2 年美国在加州长滩地震中获得第一条地震 加速度记录以来，美国、日本和中国等国家在不同的场地上获得了大量的 强震观测资料，人们开始利用强震观测资料研究和分析场地条件的影响。 强震资料的分析结果进一步证实了震害调查的结论。2 0 世纪7 0 年代以来， 随着土层地震反应分析技术的深人研究和广泛应用，人们开始利用理论分 析和定量计算的方法研究场地条件的影响，使得场地影响的研究有了质的 提高。总之，人们通过震害调查、强震观测资料和土层地震反应分析方法 对场地条件的影响进行了较深人的研究【2 】。6 0 年代周锡元对这一领域的工作 作了较全面的总结【l 川；8 0 年代，胡聿贤等结合唐山地震和通海地震的调查， 对这方面的工作也作了系统的总结【1 。以下重点就国内外近年来在这一领 域的研究进展作一总结。 1 3 2 国内外震害实例f 1 4 】 1 9 2 3 年日本关东大地震，建设在软弱地基上的建筑物的震害，比建在 坚硬场地上的建筑物的震害要严重许多。 1 9 5 2 年的美国克恩郡，远离震中一百多公里之外的洛杉矶市和长滩市 的高层建筑，所受的破坏比其它建筑更加严重。 1 9 6 7 年塔什干大地震和同年的委内瑞拉地震，在远离震中的一些普通 与高层建筑物的震害，都出现了明显的异常状况，并且表现出明显的区域 性的特征。后经细致的调查分析发现，场地覆盖层厚度及软硬程度，对震 害差异起到了很大作用，在中等厚度的普通地基上，中等高度的普通建筑 所遭受的震害一般较大，而基岩上的绝大多数建筑都破坏微小。 1 9 6 8 年和1 9 7 0 年的菲律宾马尼拉地震的震害情况，也与以上地震大致 相同，即随着土层覆盖厚度变化，具有不同振动特性的建筑物的震害情况 表现出极大差异。 1 9 7 0 年的格迪兹地震，位于布尔萨的一个汽车制造厂，虽然地面所测 得的加速度峰值仅有0 0 4 9 ，但是通常被认为坚固耐用的钢筋混凝土建筑物， 却遭受了相当严重的破坏。据该厂区某一建筑物地下室所记录到的余震加 速度反应谱的分析显示，在t = 1 2 0 s 处此地震动存在一个明显的峰值部分， 而倒塌建筑物的自振周期多为与此相近。与之形成鲜明对比的却是，其它 自振周期或长或短、且都远离1 2 0 s 的建筑物，其震害程度都极其微小或者 根本未损。 1 9 7 6 年的唐山大地震当中，位于市区北部及东部的陡河两岸出现了一 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 种震害异常情况，即在高烈度区内存在着一条低烈度带，调查表明，是由 于陡河两岸3 0 0 - - 4 0 0 米范围内，离地表3 5 米处存在着一层淤泥质粘土， 从而普遍减少了多层砖房的震害程度；受此地震影响的天津市的震害情况 是和平区普遍重于南开区，据钻孔资料分析，两地土层差别主要在南开区 的9 5 米以下，存有一层4 3 米、剪切波速为8 0 m s 的淤泥质粘土的软弱夹层， 但和平区并非如此【l2 】；另外在距震中仅几公里处的某工厂厂区，其土层情 况是只为十几米厚度的坚硬土层，之上的较短周期的建筑物震害情况相对 严重一些，但周期较长的塔状建筑和通廊等建筑物则震害相对较轻：总之 此次地震当中，距震中较近地区的短周期建筑物的损坏程度，一般规律都 是在基岩等坚硬场地上的比较严重。 1 9 8 5 年发生的墨西哥地震，更加使人们深刻的认识到场地条件对地表 地震动及震害的影响。此次地震的震中位于墨植根州的海岸，但距此4 0 0 k m 的墨西哥城却出现了更加严重的震害，而且震害主要出现在高层等中场周 期的建筑之上，中、低层的砌体结构和填充墙框架结构的破坏则及其轻微。 值得关注的是，墨西哥城的震害不仅大大超过周围地区，而且比震中区还 要严重一些。此后人们对这一现象进行了具体的细致分析，并认识到产生 此种状况的原因主要在于：墨西哥城是建立在土层厚而软的湖积盆地上， 地震波的长周期部分与那里的横纵向非均匀介质充经分相互作用，从而使 得长周期成分被显著放大并与地面相应结构产生共振现象，因而造成了如 此严重的震害。 1 9 9 5 年日本的阪神地震中，同样也发现了与以上地震相似的选择性破 坏效应。在山丘硬地上的木房只受到轻微损坏，但随着地形向平地过渡， 木房的破坏率又急剧增大，有的地方甚至达到1 0 0 。然而，随着平地向海 洋延伸，在大厚度软弱土层和填土上建造的木屋，破坏率又出现了减小的 趋势【1 3 】。 综上所述，通过这些震害实例的研究与分析，可以使研究者充分意识 到场地具有选择性破坏的效应，表明土层结构的差异在很多情况下与建筑 物的破坏程度、破坏形式是紧密相关的。这也促使了人们开始重视此类震 害现象，并着手研究不同土层结构的场地条件对地震动的影响，以期尽可 能从中总结出其相应规律以便为实际工程抗震设计、抢险加固等工作服务 0 4 j o 1 4 研究现状 1 4 1 关于传递函数 众所周知，场地传递函数是场地振动特性的实际反映。它可以突出表 4 第一章绪论 征场地对输入地震波的强度放大特性和频谱改变规律，对于众多实际工程 问题都具有重要的实际意义与应用价值，因此，近年来一些科研工作者就 场地条件变化对传递函数的影响给予了相当程度关注，并且着重针对此项 问题进行了大量实际研究。 崔正涛【2 4 j ( 1 9 9 5 ) 收集、整理了若干具有强震观测资料的场地资料和 加速度反应谱数据，继而对每个场地都计算了波动传递函数且提取若干个 场地特征参数；之后又对每条强震记录的反应谱都用一种四段形式进行谱 拟合、并提取的四个参数：最终借助人工神经元网络方法建立地震环境、 场地参数与设计反应谱之间的关系，从而提出了一种估计设计反应谱的新 方法。 2 0 0 0 年，丁海平、金星1 5 】等，就深埋于土层之下各种管道的地震反应 问题，进行了一些相关分析。考虑到管线铺设跨度通常较广，如此大范围 的土质特性和动力参数无法详细得到的情况下，如何简便且尽量准确的估 计地表土层的地震反应问题，成为实际工作当中所遇到的一个颇为棘手的 难题。其工作首先从单一土层的传递函数入手，将基岩面之上的全部层状 土简化为单一土层，并将土层各参数分别作统一等效处理( 如：单一等效 剪切波速、单一滞回阻尼比) ，再通过调整阻尼比d 和地震入射角矽，使理 论传递函数与实际传递函数趋于一致。其具体分析计算过程大致为：首先 根据波速的实测结果和场地构造，确定土层总的覆盖层厚度日和等效剪切 波速；其次，对台阵的实测记录进行分解，并计算实际传递函数：最后， 比较实际传递函数与理论传递函数二者之间的差异，而且根据所定义的目 标函数为最小值时的入射角和阻尼比，对传递函数进行拟核。经过以上实 际分析所得主要结论为：只要选取适当的地震波入射角够和介质滞回阻尼 比d ，用这一简化方法来进行近似计算土层传递函数现实、可行，简化模 型的传递函数与实际传递函数也可以符合较好，所以这一方法可以用来近 似估计缺少详细土质勘探资料地区的土层地震反应的传递函数。对于两个 所需考虑的计算参数缈、d ，由于此二者通常受场地条件等多方面因素影 响，特别是土层结构的影响尤为重要，因此可以说，这一问题的根本研究 对象就是土层结构对传递函数的影响。 窦立军、杨柏坡等【4 儿6 】人，对于场地条件( 包括土层结构) 对传递函数 的影响，做了更加细致、大量的工作。此项研究，通过对部分典型场地剖 面的实际计算而获得了大量数值依据，并据此初步定性地论述了软弱夹层、 硬夹层和阻尼等因素对传递函数的影响规律。基于以上定性讨论，窦立军 等人又再次细化各种影响因素从而对各个夹层不同厚度、不同位置等多个 具体情况分进行了计算分析。其最终所得若干参考性结论，可归纳为以下 中固地震局t 程歹j 学研究所硕 ：学位论文 两点：第一，土层阻尼对相位谱没有影响，但是对幅值谱有很大影响；第 二，软( 硬) 央层对相位谱几乎没有影响，对幅值谱有略微影响。 此项工作对工程应用极具参考价值的另一意义在于，为避免实际工程 中采用数值计算方法而带来的诸多繁琐与不便，提出了一种传递函数简化 计算的方法。也即根据一定的等效原则，将多层水平成层场地简化为单层 覆盖场地并据此求得场地传递函数。其对场地的等效( 简化) 原则为：a 、 土层总厚度不变：b 、地震波在土层中的传播的总时间不变：c 、重量相等； d 、阻尼比取为各个土层阻尼比的均值。经过对若干天然剖面及人工构造的 三类典型场地进行实例验算，并将此简化方法计算所得结果与基于等效线 性化的一维土层反应计算结果相比较，进而得到以下结论：两种土层计算 分析方法，对于相位谱的影响较小，可以忽略：而对幅值谱的影响较多， 特别是在高频段有较大波动。有鉴于此处对比结果，之后研究者本人另采 取分段拟核方法，专就幅值谱给予一调整函数尸( ) ，从而对幅值谱进行分 频段系数调整。 窦立军i 博】等在之前工作成果f 4 】【6 】基础上，进一步将场地传递函数的幅值 谱的模拟计算方法，运用到地震动时程的人工合成方面。经计算验证与经 验判断，其认为此简化方法所得地表加速度时程，应可满足结构时程反应 分析计算的地震动输入需要。 1 4 2 关于土层结构【m 】 薄景山f 2 3 】【删【5 1 】1 5 2 】【5 3 】【刊( 2 0 0 3 - - 2 0 0 4 ) 等专门就土层结构对于地表地震 动参数的影响等问题，进行了大量针对性工作，并得到许多具有重要工程 意义的相关结论。其在着重分析讨论了土层结构对地表加速度峰值、地表 加速度反应谱、地表反应谱特征周期( t g ) 、地表反应谱平台值高度( qm 。) 等诸多方面影响的基础之上，进一步作出统计分析并以此提出“基于土层 结构”的场地分类新方法。( 具体结论请参照书后所列相应参考文献) 刘增武、朱镜清、陶夏新等【l6 l ( 1 9 8 1 ) 对场地土层剖面的不同岩性排 列组合的地震动进行了详细的研究，得出如下结论：硬夹层在剖面的位置 对地表加速度没有太大影响：而软央层在剖面中的位置则对地表加速度影 响明显，其主要表现在于软夹层愈靠近基岩反应谱峰点幅值愈小，峰点愈 向长周期移动。 谢君斐、石兆割1 7 1 ( 1 9 8 1 ) 对1 9 7 6 年唐山大地震时天津市两区的震害差异 进行了对比分析研究，认为土层结构因素对地表地震动的影响十分明显。 苏经宇、王广军【l8 1 ( 1 9 8 5 ) $ i j 用剪切型多质点系地震反应的傅里叶变换 第一章绪论 法，研究了不同类型层状土的地震反应，得出如下一些规律性结论： 1 ) 不同场地的地震效应除地震动参数本身外，主要取决于剖面深度、 厚度、土层刚度等因素的组合效果； 2 ) 接近地表的薄土层当下部土层刚度较大时对短周期分量有明显的放 大作用。相反，深层土、厚土层使地面运动中长周期分量有所加强； 3 ) 上部土层l o m 以内的刚度对谱形状的影响比最大加速度小，下部土层 刚度的变化对谱形状和最大加速度影响都较大： 4 ) 软夹层对谱形状和最大加速度的影响都较大。有时能起隔震作用， 当然由于不同因素的组合影响情况并不完全一样； 5 ) 通常反应谱峰点周期偏长是在软土、深层土、厚土层等情况下出现 的，而周期偏短的情况多出现在硬土和薄土层； 6 ) 地表最大加速度受深度和剖面形状的影响比较大，通常放大率约为 1 5 2 0 左右，刚度递增型剖面放大明显，刚度递减型和软夹层剖面放大不明 显甚至缩小。 a 0 5 1 0 15 b 0 深度( m ) 5 1 0 15 图1 - 1 两个等效剪切波速相等但土层结构不同场地的对比 陶夏新【2 1 l ( 1 9 9 3 ) 在研究场地土组合特征对地震动的影响时指出，图 1 1 a 所示场地的抗震性能一定优于图1 1 b 所示的场地。理由是场地a 的上部 中固地震局t 程力学研究所硕l j 学位论文 | 1 i i i i i i i i i i 萱i i i i i 宣苗i i i 宣宣i i i i i i i i i i i i i i i 有一稳定持力层，而下部的软弱土层对传递剪切波能量会有很大的阻碍作 用。如果从振动传播的角度分析，在同样地震动输入情况下，b 场地对波的 放大能力应该高于a 场地，地表反应谱的长周期段的幅值也会更大。 ：f f - 军1 1 9 1 ( 1 9 9 2 ) 认为对于软弱场地土应进一步查明其下部土层的构成。 当剖面下部具有低剪切波速的软弱层，对某些低层建筑可能有减震作用。 但对于大震级( 一般m 7 0 级) 、远距离( 通常r 1 0 0k m ) 的地震影响，原冲积 层上的高层建筑，尚应考虑共振效应问题，这时的软夹层就不一定有减震 作用。 江静贝等【2 0 j ( 1 9 9 3 ) 也曾提及场地组合特征对地表反应谱的显著影响。 若按照抗震规范考虑两个同属于i i 类场地但土层结构不同的土层剖面，经 过数值计算及分析表明，对于频谱特征差别很大的地震动输入，具有厚软 弱央层的场地地表反应谱的形状大体相似；然而，在含有薄软弱土夹层的 场地，其地表反应谱形状存在有很大区别，特征周期分布在0 1 8 s 至u o 5 0 s 之 间。 钱胜国【9 】( 19 9 4 ) 根据对含有软弱淤泥质夹层的场地地震反应分析研究 后得出结论，含软弱夹层的场地地面加速度峰值被削弱，而削弱的程度则 与软夹层的剪切波速、波阻抗、上覆盖层与软夹层波阻抗比、输入波主周 期及频谱特性、软央层厚度及埋深有关。 王松涛等【2 2 】( 1 9 9 4 ) 研究了超软弱土层对场地地震反应的影响，认为 由于超软土层存在，地表加速度峰值的增幅效果明显，但是随着超软土层 所在深度的增加，其增幅效果逐渐减小；超软弱土层处产生的剪应变幅值 则急剧增大，这种既有增幅作用又有减震作用的矛盾状况，也使得场地的 地震反应分析问题，变得更加复杂而且具有重要价值。 刘增武1 2 3 】( 1 9 9 4 ) 研究了软弱夹层对设计反应谱的影响，认为软弱夹 层的存在使得反应谱的峰值点周期有向长周期方向移动的趋势，在应用场 地指数法进行场地分类时必须要考虑软弱夹层的影响因素；反应谱低频拐 点周期的变化基本上是由于场地的固有周期的改变而引起的。在此工作基 础之上，利用一个软弱夹层的周期影响系数，进一步提出了一个土层固有 周期的修正公式。 崔正涛【2 4 】( 1 9 9 5 ) 根据实际资料统计发现场地土层组合特征对于设计 反应谱具有重要影响。 贺传松、周正华、李山有【2 5 1 ( 1 9 9 9 ) 经过对场地组合土对地震动的影 响问题进行了系统研究，认为软弱夹层所处的位置对于反应谱的影响不可 第一章绪论 以忽视，软土夹层的厚度加大将使得其长周期的成分所占比重增加。 周锡元【z 州( 2 0 0 0 ) 认为水平层状土中较厚的软夹层对短周期地震动分量 具有抑制作用，从而导致地表的p g a 值明显减小。这方面的问题在美国新 规范中要求做门研究，在我国现行的抗震设计规范中则还没有考虑。而规 范中规定的场地分类方法主要是用于剪切波速递增型的一般场地，对于有 较厚软夹层的场地土层，由于其对短周期地震动具有抑制作用，可以根据 分析结果适当调整场地类型和设计地震动参数。 孙静【2 刀( 2 0 0 1 ) 研究了不同固结比下土的动剪切模量对地震动的影响，认 为随着固结比的增大，地表加速度峰值明显增大，地表加速度反应谱形状 有较大的改变，高频分量增加。 高玉峰，朱伟，费康【2 8 1 ( 2 0 0 2 ) 壹用单层地基一维土层粘弹性地震反应解 析理论，研究了土层动力学参数的变化对工程抗震设计地基动力参数的影 响，认为随着土层厚度的增加，地表加速度峰值有增大的趋势，而加速度 反应谱谱形变“胖 ；随着土层剪切模量的增加，地表加速度峰值增大，地 表加速度反应谱的谱形变“瘦”：随着土层阻尼比的增加，地表加速度峰值 减小到一稳定值，而地表反应谱的谱形变“胖”。 林建生【2 9 j ( 2 0 0 2 ) 根据- - 个典型土层模型来计算不同超越概率下的土层 地震反应，考虑不同土动力特性参数对地表设计地震动的影响，认为场地 类别越高( 女n l i i 、i v 类场地) 、覆盖层越厚、存在软弱央层等等几种情况时， 其计算结果与建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 或地震动区划图规定 的参数取值范围相差很大。一般而言，经计算所得的特征周期结果，要比 规范值要大，并且设计地震动长周期部分幅值的衰减速度也比规范值大。 1 4 3 其它场地条件 1 9 0 6 年，美国人伍德( w o o d ) 对旧金山大地震震害进行了详细的现场调 查，发现建在不同场地上的建筑物的震害差异很大；1 9 5 8 年d u c k 对所收集 的资料进行分析，证实了场地条件与震害程度之间存在着一定的关系；随 着强震观测的日益发展，w i g g i n s 等人于1 9 6 4 年开始从强展纪录着手定量地 分析场地条件与地震地面运动之间的关系。 2 0 世纪6 0 年代周锡元等【l o 】在收集国内外宏观震害资料基础上总结了场 地条件对地震动影响的规律： 1 ) 如果不考虑建筑物的实际抗震性能，松软潮湿的土壤对于一般建筑 物的抗震多数是不利的； 中国地震局t 程力学研究所硕 ：学位论文 2 ) 在坚硬地基上建筑物的破坏通常都是由于地震作用的结果，在软弱 地基上建筑物的破坏原因则比较复杂。建筑物的竖向和水平位移，地基的 不均匀沉降，因液化和强度骤然降低而使土体结构失去稳定性等往往也是 软弱地基上建筑物遭受破坏的主要原因； 3 ) 柔性结构在软弱地基上容易遭到破坏，坚硬地基对抗震比较有利。软 弱地基上的高柔结构在地震时( 特别是震中距离较大时) 可能遭受到共振的 威胁。 胡聿贤，孙平善等1 ( 1 9 8 0 ) 根据震害调查认为，基岩上的地震动幅值小、 持时短、震害轻；地基对地震动频谱形状有明显影响，软而厚的地基上地 震动周期较长。 i d r i s s l 5 6 l ( 1 9 9 0 ) q o k 为，对加速度峰值较低的地震动，软弱土层对地震动 是放大的，而地震动的加速度峰值较大时( 超过0 4 5 9 ) 贝0 反而减少，这是由 于软弱土塑性变形或破坏后不能传递剪应力的缘故。 人们从美国加州的两次地x ( l o m a pr i e t a 和n o r t h r i d g e ) 中发现：实际纪录 到的加速度峰值比经验公式预测的大，软土上地震动的放大比原先估计的 要大。 黄玉龙，郭迅等1 3 0 1 ( 2 0 0 0 ) 计算了香港带海泥软夹层的场地地震反应，其 结果表明，地表的地震动强度被降低，而地表加速度反应谱的长周期分量 ( 1 2 1 5 s ) 被明显放大了，反应谱的高频部分却几乎没有放大，甚至略有降 低。 ， 李小军等f 3 l 】【3 2 】( 2 0 0 1 ) 认为，局部场地条件对地震波的传播有较大的影 响，它表现为对地震动有很强的放大或缩小作用，并直接影响展害分布。 场地条件对地震动的影响不仅仅表现在地震动峰值加速度的变化上，而且 还表现在地震动频谱特性的变化上。对于量大面广的一般性建筑物，在考 虑其抗震问题时，采用直接的理论分析方法计算场地条件对设计地震动参 数的影响是不切实际的，因而需要采用经验方法，如场地分类地震动特性 统计方法，在各国指导一般性建筑抗震设计规范中，均采用经验方法以考 虑场地条件对设计地震动参数的影响。 1 5 研究思路及方法 目前，针对于场地条件对地震动影响方面研究的方法很多，经归纳大 致可以分为以下几种【3 l 】：一、间接地近似估计方法，就是利用实际强震记 录计算分析并给出场地地震动的各项参数：二、地震动衰减经验关系法， 即利用强震记录统计出不同场地的地震动衰减关系；三、直接的理论计算 1 0 - 第一章绪论 方法，通过适当的建立场地计算力学模型，利用理论分析方法来计算地震 反应。因为前两种方法都基于对于强震记录的大量获取，然而我国目前所 得到的具有典型意义的此方面实际资料还很有限，所以本文作者选取最后 一种方法来进行此次研究。 作者在分析大量国内实际工程场地的钻孔资料的同时，从中选取了若 干具有地区性典型意义的钻孔资料，作为基本的场地计算模型：之后根据 实际研究目的需要，在前述基本模型基础之上，分别演化、构造出了一千 余个分布于剖面不同位置、带有不同厚度软弱夹层的假想场地：再后，作 者利用目前工程上常用的一维等效线性化频域波动方法，在五条不同幅值 与不同频谱特性的地震波输入情况下，分别对场地覆盖层总厚度、软弱夹 层厚度和软弱夹层位置总共三种不同土层结构因素影响下的传递函数变化 情况，进行定性分析及趋势讨论；本文的最后一项工作，是在前述土层结 构对传递函数影响的定性研究基础上，主要围绕“利用传递函数幅值谱中 的卓越周期来估算场地卓越周期”的方法进行讨论，着重对两个频谱( 即 指传递函数幅值谱与加速度反应谱) 所表达“卓越周期”之间的相互关系 和变化趋势给予分析论述，以便为实际工程的抗震概念设计提供一定参考。 至于具体计算分析的过程、输入波确定、场地计算模型选取及构造、 计算参数说明、其它物理参数选择等等内容、原则，本文将在第四章进行 系统介绍。 1 6 本文主要内容安排 本文主要讨论内容均针对于土层结构对传递函数的影响规律，并且所 涉及到的其它相关方面，也是在此研究前提下逐步展开的。全文共分为六 章。 第一章主要介绍了场地条件( 特别针对土层结构) 对地表地震动影响 研究的历史和现状，详细评述土层结构对地震动影响方面的研究状况，并 且对于本文研究方法和思路、目前仍存然在的相关问题等进行简要说明。 第二章主要阐述场地传递函数理论意义及计算程序原理等； 第三章主要介绍土层地震反应分析所需计算模型和各种物理力学参数 的选取原则； 第四章主要总结、讨论土层结构对传递函数的影响规律： 第五章主要研究讨论场地传递函数幅值谱中“卓越周期”与反应谱中 场地卓越周期之间的对应关系； 中国地震局t 程力学研究所硕i ? 学位论文 第六章主要对本文工作及所得定性结论给予概括性总结，并据此提出 日后