软夹层的厚度对土层地震反应计算结果的影响

1、软夹层的厚度对土层地震反应计算结果的影响摘要本文以某工程的一场地为原型，对软夹层的厚度对软土场地地震 效应的影响进行了数值分析。为了分析软弱夹层的厚度对地表地震动 参数的影响，分别对原剖面进行了以下处理，软弱夹层的厚度设置成 3、5、9米，构造了3个剖面。利用程序RsleibmM不同的构造剖面、 不同的输入地震波时程及不同的峰值加速度水平，进行了场地地震反 应分析，探讨软夹层对地震动峰值加速度的影响、反应谱最大值以及 反应谱最大值所对应的周期的影响、特征周期的影响等。关键词：地震动软夹层地震动峰值加速度反应谱目录 TOC o 1-5 h z 前言 2 HYPERLINK l bookmark2

2、0 o Current Document 一、场地对地震动的影响2 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 二、一维地震反应分析方法 4 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 三、人工合成地震动输入时程7 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 四、某场地地层分布情况以及工程概况8 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 五、模型的设计与计算95.1模型设计9 HYPERLINK l bookmark71 o Curr

3、ent Document 模型I9 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5.1.2.计算过程105.2模型设计.11 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 模型II115.2.2计算过程125.3模型设计.13 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 模型III135.3.2计算过程145.4结果的比较与分析155.4.1峰值加速度的比较155.4.2反应谱最大值的比较165.4.3特征周期的比较16 HYPERLINK l bookmark125 o C

4、urrent Document 六、结论 16 HYPERLINK l bookmark129 o Current Document 七、致谢17参考文献17刖言近年来，场地条件对地震地面运动的影响已引起了人们的重视，并在此方面 进行了诸多研究。江河下游地区或沿海地区多是深厚软弱的沉积层，由于形成年 代与成因类型的差异，各土层的动力特性也表现出明显的不均匀性，层状构造较 为显著。土层结构对场地地震效应有很大的影响，很多研究人员在此方面进行了 研究工作。在软土地区，软弱土层所处土层位置和厚度的不同都可能对场地地震效应产 生影响。当软弱土层位于地表时，对地表地震动有着显著的影响。对三种不同覆 盖层

5、厚度（3m，5m，9m）的场地，较为系统地讨论了软弱表层厚度以及输入的地震 动强度对地表加速度峰值A和放大系数A的影响。当软弱土层位于土层内部，也 就是含软土夹层场地的地震效应也有不少工程地震科研者进行过研究川，这些 研究主要指出此类场地的地震地面运动有两个重要特征：一是地面加速度放大作 用被削弱，而削弱程度与软土层的剪切波速、波阻抗、软夹层厚度及埋深有关； 二是地面加速度反应谱曲线呈现出双峰特征。本文将着重研究软弱表层土厚度和 软弱夹层土埋深对深厚软弱场地地表地震动参数的影响。一、场地对地震动的影响地球地表及近地表的介质十分复杂，地球表面的局部场地地形和覆盖 土层情况千差万别，从而形成了地球

6、表面的局部场地条件。局部场地条件包括局 部场地地形条件和覆盖土层条件。局部地形条件指场地自由地表的地形变化和覆 盖土层下卧基岩面的地形变化情况，覆盖土层条件包括场地局部范围内土层的竖 向变化和水平向变化情况。地震发生时，地震波从震源体发出经地壳介质传播全 地球表面，引起地球表面局部场地震动，即场地地震动。场地地震动包括人们关 心的场地范围内的自由地表处及工程建设所要求深度处的地震动。地震动时程是 地震动的直接描述量，但工程中常利用地震动的一些特征参数来描述地震动，以 反映地震动的主要特性，这些参数包括地震动的峰值（峰值加速度、峰值速度及 峰值位移）、加速度反应谱和持续时间等。场地地震动的特性与

7、地震震源特性、地震波从震源传播全场地的途径及介质 性质有关，特别是它还与地球近地表的局部场地条件有关。局部场地条件对地震 动的影响不仅体现在场地土层介质空间分布不均匀性的影响方面，同时还包括场 地土层介质动力特性变化的影响，也就是场地土体动力非线性特性的影响。局部场地条件对地震波的传播有较大影响，它表现为对场地地震动的放大或 缩小，并直接影响到地震灾害程度的分布。震害现象分析和理论研究结果表明， 场地条件对地震动的影响不仅仅表现在地震动幅值（如地震动峰值加速度）的变 化上，而且还表现在地震动频谱特性的变化上。场地地震动参数确定中，通常首 先考虑地震震源特性及波传播途径对地震动的影响，而后在此基

8、础上考虑局部场 地条件对地震动的影响。在工程中，场地的大小随研究区域或工程项目而定，大体相当于单项工程所 在地、街区或自然村的范围。地震小区划以城镇、县城、厂矿为工作范围，其范 围内可能包括不同类别的场地。场地和地壳介质之间的界线并不明确，大多数研 究以不存在工程结构、地形起伏、深基础等影响的平整基岩面为界，亦工程基岩 面。场地以工程基岩面以上的水平或起伏的土层为主，有时也包括起伏的基岩。 由于部分场地的埋伏基岩因风化层厚或其他原因不易确定，可以用波速超过一定 数值的层面（如500m/s或700m/s）为工程基岩面。在地震危险性分析和确定设计地震动中，一般都是先确定基岩面的地震动， 然后考虑土

9、层反应的影响。地面破坏也集中在地表及浅层，因此场地条件指局部 的地质构造和地基特性，包括近地表几十米至上百米内的地基岩土结构和特性、 地形地貌、浅表断层、地下水等工程地质要素。这些因素对地震动和地面破坏有 强烈的影响，对结构抗震有至关重要的作用。土层中软夹层可能有隔震作用。1976年唐山地震，唐山市区达到X-XI度，但市区北部和东部陡河沿岸地区出现低破坏区带。河两岸300-400m范围内多层 砖房一般裂而未倒，墙体开裂显示地基失效的破坏特征。此处地下3-5m深处有 淤泥质粘土层，厚1-3m最厚达5m。本文仅针对软夹层厚度对土层地震反应计算结果的影响。二、一维地震反应分析方法对于水平成层模型，假

10、设基岩地震波垂直入射，则土层中同一平面内质点运 动相同，只需要一个垂直坐标Z表示，地震反应是一维波动现象。横向非均匀变 化场地要考虑界面和岩土特性随空间的变化，求解是二维或是三维波动问题。先看线性弹性土层地震反应，设平面波入射到平面界面上，反射波和透射 波与入射波的关系。假定是谐波入射。 TOC o 1-5 h z U=Esinw(t+ - )( 1)C反射波和透射波也一定是相同频率，相同波速的谐波：反射波：Ur=Fsinw(t-);透射波：Ut=E sinw(t+ - )(2)cc注意反射波的小括号中辩负号，表示向下传播：投射波的波速变位c ，表示进入 另一个介质。现在的问题是由振幅E确定反

11、射波振幅F和透射波振幅E .两个未 知数，需要两个定解条件，即位移和应力连续。U+Ur=Ut T+Tt=Tt应力等于刚度乘应变T =日虫d -因为是剪切波，所以用剪切刚度H，又因为是一维平面波，只有一个坐标Z，应变等于位移除以长度。带入求解得到：F= HE， E =E，1 + a1 + a一 一 式中a =官称为波阻抗比。PC对于N层土层，在每个分界面上，有很多来回的反射波和透射波，因为是谐波，总可以合并成上行波和下行波，由此可由简单的两层推广到多层土。对于某一个界面来说，可以得到界面上下两侧波幅系数的关系:EIF1 + a 1 a-总可以合并成上行波和下行波，由此可由简单的两层推广到多层土。

12、对于某一个界面来说，可以得到界面上下两侧波幅系数的关系:EIF1 + a 1 a-E-1 a 1 + a F 22这是重要的关系式，连接土层界面上下波幅的关系。由此可以一层套一层连接起来，推导出转换矩阵表示邻层振幅的递推关系:H = T H , n = 1,2,3N=1（3）式中：Hn=En,Fn为第n层的波幅矢量。转换矩阵Tn为：1 + a1 an sin( KnHn )n sin( 一 k h )W sin( k h )j2 n n 2sin( 一 k h )（4）式中：a =-n一1Hn为第N层的厚度；Kn=W/Cn为第N层的波数。由此可推得顶层与任一层间的波幅转换关系：H = T nH

13、 1（5）式中：T称为传递矩阵：T n式中：T称为传递矩阵：T n传递矩阵只与土层的厚度=T . T .T = 111n-12 1 t12密度和波速有关，12 :t22与输入无关。带入地表应力为(6)零的边界条件E1=F1,于是可得：En = enE 1（7）Fn = V1式中：e = t + t ; f =t +t。由此可得到地表地震动向基岩内反射波与基岩n 1211 n 2122地震动波幅为间的转换关系:1E = E(8)1 e N(8)n将基岩的暂态输入通过傅立叶变换展开成谐波，得到每个谐波的稳态解后，再经过傅 立叶反变换就得到地表或任意一层的地震动。注意如果用基岩表面的地震动为输入时，

14、考虑 地表的放大作用，可减半作为埋伏基岩的输入。地震动的时程的离散化使得计算结果在有限 频段内有效，低频截止频率为fc = 1/T，高频截止频率为f = 1/2At.本文使用的是场地地震反应的一维模型分析方法，计算流程如图2-1:输入计算控制数据、土层剖面资料、加速度时程计算输入加速度时程的傅氏谱对输入自然土层剖面进行计算分层非线性关系数据，并计算初始等效波速值计算并输入加速度时程、反应谱及其他量图2-1.场地地震反应的一维模型分析方法三、人工合成地震动输入时程本论文以防灾科技学院工程地震实训中心工程场地地震危险性分析结果，利 用saw程序，改便随机数人工合成3条地震动时程，结果如下：图3-1

15、图3-21 Li idii n1Ihi 认11. JiLifflSHTllil.ilMMiILMI JI Ml M1噂肺UWK岫1圳瞄lIM帅111.服瞄岫y f1 i|r|i| 叫叩niTip I y人工合成地震动时程曲线51015303540452025时间（s）0.30.2)0.1(0度-0.1加-0.2-0.3-0.40.43 2 10 10。00-0.2人工合成地震动时程曲线hul ilL J IlH IlL 11 1 Ji I Li 1 Illi ill . IRF1删丁叩,枷仰Tffl0.43 2 10 10。00-0.2人工合成地震动时程曲线hul ilL J IlH IlL

16、11 1 Ji I Li 1 Illi ill . IRF1删丁叩,枷仰Tffl帅伽IT.W岫帆仙仙山皿hLl圳皿瞄岫-0.30510152025时间（s）30354045四、某场地地层分布情况以及工程概况地层分布情况:本文选取了有代表性的某场地同一深度处，不同厚度软弱层。在底下6m处分别向下取，3m、5m、9m的软弱层。杂填土 厚度0.5m ,剪切波速170.4m/s ,密度1.8 g/cm3 :粉质粘土厚度1.5m ,剪切波速188.3 m/s，密度1.96 g/cm3粉质粘土厚度2.0m ,剪切波速206.1 m/s ,密度1.96 g/cm3粉质粘土厚度2.0m ,剪切波速225.4

17、m/s ,密度1.96 g/cm3粘土 厚度2.0m，剪切波速277.8 m/s，密度1.99 g/cm3粘土 厚度2.0m ,剪切波速287.5 m/s ,密度1.99 g/cm3密实砂土 厚度2.0m ,剪切波速336.2 m/s ,密度2.01 g/cm3密实砂土 厚度2.0m ,剪切波速354.6 m/s ,密度2.01 g/cm3密实砂土 厚度2.0m ,剪切波速396.7 m/s ,密度2.01 g/cm3中风化花岗岩 厚度2.0m ,剪切波速444.3 m/s ,密度2.05 g/cm3中风化花岗岩 厚度2.0m ,剪切波速472.0 m/s ,密度2.05g/com3基岩 厚度

18、2.0m ,剪切波速528.9 m/s ,密度2.20 g/cm3场地土层剖面资料 表4-1深度（米）波速（米/秒）深度（米）波速（米/秒）0.5170.412336.22188.314354.64206.116396.76225.418444.38277.820472.010287.522528.9五、模型的设计与计算5.1模型设计5.1.1模型I为了研究软夹层的厚度对土层加速度反应峰值Amax及其反应谱最大值Smax, 速度最大值Vmax，深度Dmax的影响，以上述场地为研究对象，将剪切波速为 129.1m/s，密度为18. 1g/m3，厚度为3米的淤泥质粘土层替换场地剖面位置处 的土层。

19、表5-2分层序号岩土类型剪切波速（m/s）分层厚度（m）密度(g/cm3 )土动力学参数序号1杂填土170.40.51.8012粉质粘土188.31.51.9623粉质粘土206.12.01.9624粉质粘土225.42.01.9625淤泥粉质粘土129.13.01.8136粘土287.51.01.9947密实砂土336.22.02.0158密实砂土354.62.02.0159密实砂土396.72.02.01510中风化花岗岩444.32.02.05611中风化花岗岩472.02.02.05612基岩528.92.02.207备注：第五层为软弱夹层图5.1.2 .计算过程(1)通过程序(RTE

20、LTR)进行计算，得出输出文件Res-1，Res-2，Res-3，将 三个文件的数据导入excel画图得出结果如下图图5-1:软夹层对反应谱谱值的影响(2)通过执行程序(Rsleibm)得出五个输出文件rtel1，rtel2，rtel3， rtel4，rtel5，经过查找文件内容得出Amax， Vmax， Dmax的最值，列表如下表5-3时程AmaxVmaxDmax10.14750.020660.0102620.14730.028150.00890330.16640.024960.01696平均值0.1537330.024590.012041(3)根据公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可

21、根据表5-3得到卓越周期的值Tg=4.44*0.02459/0.15373=0.71020365.2模型设计5.2.1 模型II为了研究软夹层的厚度对土层加速度反应峰值Amax及其反应谱最大值Smax, 速度最大值Vmax，深度Dmax的影响，以上述场地为研究对象，将剪切波速为 129.1m/s，密度为18. 1g/m3，厚度为5米的淤泥质粘土层替换场地剖面位置处 的土层。表5-4分层序号岩土类型剪切波速(m/s)分层厚度(m)密度(g/cm3 )土动力学参数序号1杂填土170.40.51.8012粉质粘土188.31.51.9623粉质粘土206.12.01.9624粉质粘土225.42.0

22、1.9625淤泥粉质粘土129.15.01.8136密实砂土336.21.02.0157密实砂土354.62.02.0158密实砂土396.72.02.0159中风化花岗岩444.32.02.05610中风化花岗岩472.02.02.05611基岩528.92.02.207备注：第五层为软弱夹层图5.2.2计算过程1）通过程序（RTELTR）进行计算，得出输出文件Res-1，Res-2，Res-3，将三个文件的数据导入excel画图得出结果如下图图5-2:软夹层对反应谱谱值的影响反应谱曲线0.50.4值0.3曰0.20.1时程时程0.010.11101000.4值0.3曰0.20.1时程时程0

23、.010.1110100周期T/s（2）通过执行程序（Rsleibm）得出五个输出文件rtell，rtel2，rtel3， rtel4，rtel5，经过查找文件内容得出Amax， Vmax， Dmax的最值，列表如下表5-5时程AmaxVmaxDmax10.11660.021270.0110720.11180.02390.00954430.15450.026830.01739平均值0.1276330.0240.012668（3）根据公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根据表5-5得到卓越周期的值Tg=4.44*0.024/0.0499=2.135470945.3模型设计5.3.1 模型I

24、II为了研究软夹层的厚度对土层加速度反应峰值Amax及其反应谱最大值Smax, 速度最大值Vmax，深度Dmax的影响，以上述场地为研究对象，将剪切波速为 129.1m/s，密度为18. 1g/m3，厚度为9米的淤泥质粘土层替换场地剖面位置处 的土层。表5-6分层序号岩土类型剪切波速(m/s)分层厚度(m)密度(g/cm3 )土动力学参数序号1杂填土170.40.51.8012粉质粘土188.31.51.9623粉质粘土206.12.01.9624粉质粘土225.42.01.9625淤泥粉质粘土129.19.01.8136密实砂土396.71.02.0157中风化花岗岩444.32.02.05

25、68中风化花岗岩472.02.02.0569基岩528.92.02.207备注：第五层为软弱夹层图5.3.2计算过程1）通过程序（RTELTR）进行计算，得出输出文件Res-1, Res-2, Res-3，将三 个文件的数据导入excel画图得出结果如下图图5-3 :软夹层对反应谱谱值的影响（2）通过执行程序（Rsleibm）得出五个输出文件rtell，rtel2，rtel3， rtel4，rtel5， 经过查找文件内容得出Amax， Vmax， Dmax的最值，列表如下表5-7时程AmaxVmaxDmax10.095540.023460.0116620.086820.018520.0104730.10070.020880.01709平均值0.0943530.0209530.013073（3）根据公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根据表5-7得到卓越周期的值Tg=4.44*0.020953/0.03066=3.034289635.4结果的比较与分析5.4.1峰值加速度的比较通过对表5-3，5-5,5-7,的比较，得到表5-8表5-8厚度（m）AmaxVmaxDmax3米0.1537330.024590.0120415米0.1276330.0240.0126689米0.0943530.0209530.0130735.4.2反