软夹层的位置对土层地震反应计算结果的影响.docx

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软夹层的位置对土层地震反应计算结果的影响

软夹层的位置对土层地震反应计算结果的影响

摘要：

大量的震害表明，地表地形对地面运动有很强的放大和缩小作用，因而直接影响到震害的分布。

对地形条件进行研究的目的有两个，一是解释地震时地面运动的放大作用和空间变化，再就是预测在将来受地震时地面运动的特性。

因此地形对地面运动的影响分析是地震工程学中非常重要且具吸引力的领域。

本文就以探讨地形对地震动的影响规律为研究目标，通过有限元软件计算分析。

主要研究软夹层位置的变化对地震动峰值加速度、反应谱最大值以及反应谱最大值所对应的最大周期的影响。

关键词：

地震动软夹层地震动峰值加速度反应谱

引言

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。

当软弱土层位于土层部，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，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夹层土埋深对深厚软弱场地地表地震动参数的影响。

1、场地条件与输入地震动的特性

1．1场地条件

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围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至地球表面，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围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地震震源特性、地震波从震源传播至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、街区或自然村的围。

地震小区划以城镇、县城、厂矿为工作围，其围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年地震，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围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。

本文仅针对软夹层位置对土层地震反应计算结果的影响。

1.2一维地震反应分析方法

对于水平成层模型，假设基岩地震波垂直入射，则土层中同一平面质点运动相同，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。

U=Esin[w（t+

）]

（1）

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=Fsin[w（t-

）];透射波：

Ut=E’sin[w（t+

）]

（2）

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

，表示进入另一个介质。

现在的问题是由振幅E确定反射波振幅F和透射波振幅

.两个未知数，需要两个定解条件，即位移和应力连续。

U+Ur=UtT+Tt=Tt

应力等于刚度乘应变

因为是剪切波，所以用剪切刚度

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=

E，

=

E，

式中

=

称为波阻抗比。

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：

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：

………N=1（3）

式中：

Hn=[En,Fn]’为第n层的波幅矢量。

转换矩阵Tn为：

Tn＝[

]（4）

式中：

；Hn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：

（5）

式中：

称为传递矩阵：

]（6）

传递矩阵只与土层的厚度，密度和波速有关，与输入无关。

带入地表应力为零的边界条件E1=F1,

于是可得：

（7）

式中：

。

由此可得到地表地震动向基岩反射波与基岩地震动波幅为间的转换关系:

（8）

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，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有效，低频截止频率为

，高频截止频率为

＝1/2△t.

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

↓

计算每两层土界面上的波阻抗

↓

计算土层位移及剪应变的传递函数

↓

计算土层等效剪应变及对应的等效值

↓

↓

计算并输入加速度时程、反应谱及其他量

图1.场地地震反应的一维模型分析方法

2、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，改变随机数人工合成3条地震动时程，结果如下：

图2-1

图2-2

图2-3

3、某场地地层分布情况以及工程概况

本文选取了有代表性的某场地不同深度处，厚度均为2m的淤泥质粘土软弱层。

其深度分别位于6m、10m、16m的软弱层。

表3-1土层地震反应分析模型参数

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

170.4

0.5

1.80

1

2

粉质粘土

188.3

1.5

1.96

2

3

粉质粘土

206.1

2.0

1.96

2

4

粉质粘土

225.4

2.0

1.96

2

5

粘土

277.8

2.0

1.99

3

6

粘土

287.5

2.0

1.99

3

7

密实砂土

336.2

2.0

2.01

4

8

密实砂土

354.6

2.0

2.01

4

9

密实砂土

396.7

2.0

2.01

4

10

中风化花岗岩

444.3

2.0

2.05

5

11

中风化花岗岩

472.0

2.0

2.05

5

12

基岩

528.9

2.0

2.20

6

场地土层剖面资料表3-2

深度（米）

波速（米/秒）

深度（米）

波速（米/秒）

0.5

170.4

12

336.2

2

188.3

14

354.6

4

206.1

16

396.7

6

225.4

18

444.3

8

277.8

20

472.0

10

287.5

22

528.9

4、模型的设计与计算

4.1模型设计

模型Ⅰ

为了研究软夹层的埋深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1.82g／m3，厚度为2米的淤泥质粘土层替换场地剖面位置6米处的土层。

如下表：

表4-1土层地震反应分析模型参数

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

170.4

0.5

1.80

1

2

粉质粘土

188.3

1.5

1.96

2

3

粉质粘土

206.1

2.0

1.96

2

4

淤泥粉质粘土

129.1

2.0

1.82

3

5

粘土

277.8

2.0

1.99

4

6

粘土

287.5

2.0

1.99

4

7

密实砂土

336.2

2.0

2.01

5

8

密实砂土

354.6

2.0

2.01

5

9

密实砂土

396.7

2.0

2.01

5

10

中风化花岗岩

444.3

2.0

2.05

6

11

中风化花岗岩

472.0

2.0

2.05

6

12

基岩

528.9

2.0

2.20

7

备注：

第四层为软弱夹层

.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4-1：

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，经过查找文件容得出Amax，Vmax，Dmax的最值，列表如下

表4-2

时程

Amax

Vmax

Dmax

1

0.2415

0.02458

0.01041

2

0.2108

0.0245

0.009265

3

0.2530

0.02352

0.01572

平均值

0.2351

0.02417

0.011798

（3）根据公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根据表5-3得到卓越周期的值

4.2模型设计

模型Ⅱ

为了研究软夹层的埋深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1.82g／m3，深度为10米，后2米的淤泥质粘土层替换场地剖面位置处的土层。

表4-3土层地震反应分析模型参数

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

170.4

0.5

1.80

1

2

粉质粘土

188.3

1.5

1.96

2

3

粉质粘土

206.1

2.0

1.96

2

4

粉质粘土

225.4

2.0

1.96

2

5

粘土

277.8

2.0

1.99

3

6

淤泥粉质粘土

129.1

2.0

1.82

4

7

密实砂土

336.2

2.0

2.01

5

8

密实砂土

354.6

2.0

2.01

5

9

密实砂土

396.7

2.0

2.01

5

10

中风化花岗岩

444.3

2.0

2.05

6

11

中风化花岗岩

472.0

2.0

2.05

6

12

基岩

528.9

2.0

2.20

7

备注：

第六层为软弱夹层图

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4-2：

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，经过查找文件容得出Amax，Vmax，Dmax的最值，列表如下

表4-4

时程

Amax

Vmax

Dmax

1

0.1473

0.01972

0.01029

2

0.1372

0.02703

0.008893

3

0.1717

0.02435

0.01686

平均值

0.1521

0.0237

0.01201

（3）根据公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根据表5-5得到卓越周期的值

4.3模型设计

模型Ⅲ

为了研究软夹层的埋深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1.82g／m3，厚度为16米,厚2米的淤泥质粘土层替换场地剖面位置处的土层。

表4-5土层地震反应分析模型参数

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

170.4

0.5

1.80

1

2

粉质粘土

188.3

1.5

1.96

2

3

粉质粘土

206.1

2.0

1.96

2

4

粉质粘土

225.4

2.0

1.96

2

5

粘土

277.8

2.0

1.99

3

6

粘土

287.5

2.0

1.99

3

7

密实砂土

336.2

2.0

2.01

4

8

密实砂土

354.6

2.0

2.01

4

9

淤泥粉质粘土

129.1

2.0

1.82

5

10

中风化花岗岩

444.3

2.0

2.05

6

11

中风化花岗岩

472.0

2.0

2.05

6

12

基岩

528.9

2.0

2.20

7

备注：

第九层为软弱夹层图

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4-3：

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rtel1，rtel2，rtel3，rtel4，rtel5，经过查找文件容得出Amax，Vmax，Dmax的最值，列表如下

表4-6

时程

Amax

Vmax

Dmax

1

0.1159

0.02144

0.011

2

0.1124

0.02228

0.009375

3

0.1358

0.02271

0.0171

平均值

0.1213

0.02214

0.01249

（3）根据公式Tg=4.44*Vmax/Amax，可根据表5-7得到卓越周期的值

4.4结果的比较与分析

峰值加速度的比较

通过对表4-2，4-4,4-6,的比较，得到表7

表4-7

深度（m）

Amax

Vmax

Dmax

6

0.2351

0.02417

0.011798

10

0.1521

0.0237

0.01201

16

0.1213

0.02214

0.01249

反应谱最大值的比较

通过对图4-1,4-2,4-3的比较，找出对应反应谱的平均值进行比较得到下表

表4-8

深度（m）

周期T/s

Sa最大值

6

0.5738

0.863436

10

0.8184

0.542648

16

1.0682

0.367297

特征周期的比较

通过公式的计算，得到特征周期的比较如下表

表4-9

深度（m）

特征周期Tg

6

0.4565

10

0.6918

16

0.8104

5、结论

通过表4-7，表4-8,4-9，我们可以看出，软夹层厚度对地震动的峰值加速度Amax，反应谱最大值Sa以及特征周期Tg的影响较为明显，并且随着软土层位置的深度的增加地震动峰值加速度降低，反应谱最大值也随之减小，而特征周期随之增大，对于给定的输入地震动和峰值加速度水平，随着软弱夹层埋深的增加，地表加速度峰值和放大系数入都有减小的趋势，当埋深超过一定值后，地表加速度放大系数小于1．O。

致

三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。

很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。

感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

在这次的毕业论文写作中，衷心感宇东老师对我的精心指导和帮助，同时也感在此过程中帮助过我的同学。

“不积跬步无以至千里”，这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位老师三年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。

也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。

最后，我向防灾科技学院防灾工程系的全体老师们再次表示衷心感：

你们，你们三年的辛勤栽培！

参考文献

[2]王钟琦,君斐,石兆吉.地震工程地质导论.：

地震.1983

[4]国兴，继华，软弱土层的厚度及埋深对深厚软弱场地地震效应的影响，2004.9