软夹层对地表地震动参数的影响.docx
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软夹层对地表地震动参数的影响
防灾科技学院
毕业论文
题 目
软夹层对地表地震动参数的影响
学生姓名
李凯
学 号
115021132
系别
防灾工程系
专业
勘查技术与工程
班 级
115021132
开题时间
2015年3月10日
答辩时间
2015年5月30日
指导教师
张宇东
职称
讲师
软夹层对地表地震动参数的影响
作者：
李凯
指导教师：
张宇东
摘要
本文以Ⅱ类Ⅲ类两种工程场地为原型，分别对软夹层的厚度和埋深对软土场地地震效应的影响进行了数值分析。
利用程序对构造剖面、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，分析软夹层对地震动峰值加速度的影响、峰值速度，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：
软夹层；地表地震动；土层计算模型；场地地震反应；地震动输入；
MotionParameterssoftinterlayeronsurfaceground
Candidate：
Likai
Supervisor：
Zhangyudong
Abstract：
Inthispaper,twoprojectsitefortheprototype,thicknessanddepthoftheimpactofsoftsoilsiteseismiceffectofsoftsandwichonnumericalanalysis.Useprogramfordifferentconfigurationsprofilesofdifferentprocessandadifferentleveloftheinputpeakaccelerationofseismicwaves,seismicresponseanalysisconductedtoexplorethesoftinterlayerontheimpactofpeakgroundaccelerationresponsespectrummaximum,andtheresponsespectrumcorrespondingtothemaximumtheimpactofthecycle,theimpactofotherfeaturescycle.
Keywords：
softinterlayer；thesurfacegroundmotion;soilmodel;seismicresponse;seismicinput.
目录
1、引言1
1.1研究状况以及研究意义1
1.2存在的问题1
1.3本文研究内容1
2、一维土层地震反应分析方法2
2.1一维场地力学模型简介2
2.2一维土层地震反应线性化计算程序（RSLEIBM）简介5
3、数据的选取6
3.1地震动输入6
3.2场地钻孔资料8
4、模型计算10
4.1软夹层厚度关系计算模型1-310
4.2软夹层埋深关系计算模型4-612
5、计算结果与分析13
5.1Ⅱ类场地计算结果及分析14
5.2Ⅲ类场地计算结果及分析18
6、结论23
致谢24
参考文献25
1、引言
1.1研究状况以及研究意义
我国作为一个地震多发国家，地震灾害很容易导致大量的人员伤亡，并且严重破坏人类的生存环境。
然而现阶段关于短期地震预报仍旧没有突破性的进步，所以人们的重视更多的转向土层结构对地震地表运动的影响，并在此方面进行了诸多研究。
深厚软弱的沉积层多是江河下游地区或沿海地区，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，且软夹层的存在现象也较为普遍。
软夹层所处土层位置和厚度的不同都可能对场地地表地震动产生影响。
在与场地条件有关的典型震害中可以发现，场地中与软土相关的结构对场地震动有较为直接的影响。
软土是在一定的地质条件下，具有成因特性和局域性分布特征的一类特种土。
它具有含水量高、孔隙比大、强度低等特点，具有流变性和结构性等特征。
1.2存在的问题
工程中常见的土体一般为较长的地质历史时期期间，经由复杂的地质作用从而形成的以层状土层排列的土体。
因其地质动力作用及其环境成因不同，各个土层的动力特性有明显的差异性。
大量的地震观测结果表明，土体中软土层的存在对场地反应有着显著的影响。
软土层对地震动的影响取决于软夹层本身的厚度、软夹层的埋置深度等。
但是，在我国及其他国家的结构抗震设计规范中，一般都未考虑土层结构对场地反应的影响效果。
因此，在建筑抗震设计中，如遇到存在此类含有软夹层的场地时，设计人员按照现行建筑抗震设计规范进行的设计，并不能正确的反映真实场地反应对建筑的影响作用。
1.3本文研究内容
本文的主要工作即是研究土层结构中软夹层厚度及埋深对地表地震动反应的影响作用。
选取天然地震动El波改造成的50gal，100gal，200gal时的地震动为基岩输入地震动，分别选取Ⅱ、Ⅲ类场地作为研究软夹层厚度和埋深的土层反应模型，将不同厚度或埋深位置的软土层替代原有土层，组合出一定数量的工况模型。
在上述条件下，应用程序分别计算上述各种土层分布条件下，在不同的输入地震动下的场地条件。
再对所得的大量计算结果进行数据处理及分析，分别观察场地地震反应随土层的厚度及埋深的改变而变化的情况，进而得出软夹层对场地地震反应的影响规律。
2、一维土层地震反应分析方法
2.1一维场地力学模型简介
土体的地震反应分析即为对地震动作用下场地中各点的位移、速度、加速度及应力、应变等反应量的求解，是场地设计地震动参数的确定和抗震设计中的重要组成部分。
分析过程中的两个关键点是建立场地力学模型和选择合适的动力学参数。
入射剪切波
图2.1土层地震反应分析的一维力学模型
其中，场地力学模型分为三种，分别是一维场地模型、二维场地模型和三维场地模型。
如图2.1所示，一维场地模型假定土层沿两个水平方向均匀无变化，仅沿竖向有变化且层内无变化。
当一些局部范围内场地条件较为均匀简单时，可以将场地介质模型简化为成层土层模型，此模型即属于一维场地模型。
一维场地地震反应分析方法虽然有其局限性，但是对于局部范围内地面、土层界面及基岩界面比较平坦的场地来说，以此为模型进行土层的地震反应分析已能满足工程要求。
二维场地模型适用于局部范围内，地面、土层界面、基岩界面只在一个水平方向上平坦的场地。
而三维场地模型适用于在局部范围内，地面、土层界面、基岩界面在两个方向均起伏较大的场地。
在一维成层场地地震反应的分析方法中，在考虑了土体的非线性效应厚，出现了等效线性化分析方法及直接时域非线性逐步积分方法。
等效线性化土层地震反应分析方法是一种间接考虑土体非线性特性的方法（Idrissetal.,1968;廖振鹏等，1989），它是在频域线性波动分析方法的基础上利用非线性动力方程的等效线性化处理手段给出的。
这一方法可以分成两部分，一是线性方程的频域波动求解，二是土体非线性的等效线性化处理。
这一方法尤其应用的范围、条件及其不足之处。
本质上讲，等效线性化方法仍属于线性计算方法，它只能从实践过程的平均意义上粗略地体现土体的非线性影响，而不能反应土体的非线性物理过程。
另外，等效线性化方法还存在一个适用的条件，就是非线性程度较小。
为了研究土体非线性的物理过程以及土体反应将进入大非线性范围等情况，直接非线性土层地震反应分析方法被提出并得到发展，这种方法的两个关键点即为土体非线性应力-应变关系的给出及非线性动力方程的数值积分方法的选取。
本文将采用一维场地模型，利用等效线性化土层地震反应分析方法对选取的两个典型剖面软夹层厚度变化时的地震反应进行分析，得到不同工况下的Amax、Vmax、Dmax、Tg及Samax，根据对以上数值的比较，得到软夹层厚度的变化对土层地震反应结果的影响。
2.1.1线弹性土层的稳态地震反应
土层模型如图2.1所示。
个土层覆盖在基岩均匀半无限空间之上，各覆盖层厚度、介质质量密度和剪切模量分别为
，
和
，
=1，2，…，
，下卧基岩半空间的质量密度和剪切模量为
和
。
各层界面的编号已标示于图7.1.1中。
采用局部坐标系并将z轴的坐标原点设置在各层上界面，正方向垂直向下。
设第
层（基岩半空间）的入射地震波位移（略去时间因子
，下同）为
（2.1.1）
其中，
和
分别为基岩的剪切波波数和波速。
第
层地震波位移的频域一般解可以表示成
（2.1.2）
其中，
，
，分别为第
层剪切波波数与波速，
和
分别为第
层介质内上行和下行波波幅系数。
求解这一波动问题的关键是传递矩阵概念。
所谓传递矩阵就是把任意两层的波幅系数联系起来的矩阵，它可由相邻两层的波幅系数之间的转换关系导出。
建立了传递矩阵之后，依据边界条件即可求得问题的解答。
2.1.2线性滞回阻尼土层的稳态地震反应
当考虑线性滞回阻尼效应时，稳态地震反应可由线弹性土层的稳态解通过简单替换求得。
为此，仅需将第
层介质的剪切模量
换为
（2.1.3）
式中
为第
层土介质的阻尼比。
由于波速
，波数
，亦可通过将
或
分别换为
或
获得，
（2.1.4）
2.1.3非线性土层暂态地震反应的等效线性化解法
由于在非线性条件下叠加原理不成立，土层的非线性暂态地震反应不能利用傅里叶变换通过叠加各个频率的稳态解求得。
为了应用叠加原理必须引入新的假定，这就是等效线性化的假定。
所谓等效线性化就是在总体动力学效应大致相当的意义上用一个等效的剪切模量
及等效阻尼比
去替换所有不同应变振幅下的
及
。
由于
及
与应变振幅无关，整个问题化为线性问题。
因此，实际计算时，先假定每一土层内介质反应的初始等效动力剪切应变，利用上述方法进行反应计算，并计算出相应的土层内中点处介质的剪应变反应的最大值，而后取每一土层内层中点处介质反应的最大剪应变值乘以折减系数（常取0.65）的值作为该土层中介质的等效剪应变的计算值。
比较计算所用等效剪切应变及计算所得等效剪切应变相对应的等效动力剪切模量和滞回阻尼比值，如果它们的相对误差都小于给定的允许误差（这里取0.05），则认为土体的非线性特性的考虑满足了要求；否则，以最新计算所得等效剪切应变值取代初始等效剪切应变值，并重复上述计算过程，直到相对误差都小于允许误差为止。
2.2一维土层地震反应线性化计算程序（RSLEIBM）简介
本程序含七个输入输出文件。
四个输入数据文件：
DATA.DAT，DATA1.DAT，DATA2.DAT，DATA3.DAT。
输入数据文件格式均为自由格式。
三个计算结果输出文件：
RTEL1.DAT，RTEL2.DAT，RTEL3.DAT。
其中DATA.DAT文件为计算输入加速度时程离散值文件，各条加速度时程按顺序排列。
DATA1.DAT文件中的数据为与计算剖面无关的计算控制参数值。
DATA2.DAT文件为剖面参数及输入输出控制参数数据文件，根据我们的土层模型输入相关数据。
DATA3.DAT文件为土的非线性曲线ζ（），G（）的数据文件。
RTEL1.DAT文件为计算输入数据及计算结果保留文件。
RTEL2.DAT文件为加速度时程、剪应变时程及相应的传递函数计算结果文件。
RTEL3.DAT此文件为加速度反应谱、峰值加速度（速度、位移）计算结果文件，根据此结果进行对比分析。
3、数据的选取
3.1地震动输入
3.1.1地震动输入特性
本文选用El波作为输入地震动，进行场地地震效应分析，用以反应改变软土层厚度对地震反应的影响。
将El波改造成50gal，100gal，200gal，利用soil程序对两个分别属于Ⅱ、Ⅲ类场地的钻孔资料进行不同层剖面、不同输入地震动进行场地地震反应分析。
得到的地震输入时程图如图3.1所示：
（a）El波50Gal改造时程图
（b）El波100Gal改造时程图
（c）El波200Gal改造时程图
图3.1地震记录加速度时程曲线
本文将在不同输入加速度水平下，研究地震动强度对软弱土层计算结果的影响，经改造后的地震波峰值如表3.1所示。
表3.1改造地震波峰值
地震波
加速度峰值（gal）
El波
50
100
200
3.1.2场地类别划分标准
场地条件是影响地震动特征和结构震害的重要因素。
反应谱曲线的特征参数，在抗震设计规范中是通过场地分类来规定的，并以此粗略地估计不同场地条件对设计地震动的影响。
目前国内外的场地分类多以土层剪切波速和覆盖层厚度这两个指标为主。
建筑抗震设计规范（GB50011-2010）是根据场地土类型和覆盖层厚度，将场地划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四种类型，场地类别划分标准如表3.2。
表3.2场地类别划分与等效剪切波速（m/s）及覆盖层厚度（m）的关系
等效剪切波速
（m∕s）
场地类别
Ⅰ0
Ⅰ1
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Vs＞800
0
800≥Vs＞500
0
500≥Vse＞250
＜5
≥5
250≥Vse＞150
＜3
3～50
＞50
Vse≤150
＜3
3～15
15～80
＞80
注：
表中VS系岩石的剪切波。
经计算，本文选取的两个场地分属于Ⅱ和Ⅲ类场地。
3.2场地钻孔资料
本文选取了有代表性的两个软弱场地：
场地一为西昌市某场地，依据各分层土剪切波速计算得该场地等效剪切波速为151m／s，且厚度为33m，由我国《建筑抗震设计规范》（GB5001l-2010）场地分类标准确定该场地为Ⅱ类建筑场地。
场地二为天津滨海某场地，依据各分层土剪切波速计算得该场地等效剪切波速为170m／s，且厚度为100m，由我国《建筑抗震设计规范》（GB5001l--2010）场地分类标准确定该场地为Ⅲ类建筑场地。
3.2.1Ⅱ类场地的钻孔资料
表3.3Ⅱ类场地原始土层剖面钻孔资料
序号
土层名称
土层深度
（m）
土层厚度
（m）
波速
（m/s）
质量密度cm/g3
土类
1
填土
4.1
4.1
130
1.9
8
2
粉土
6.4
2.3
140
2.0
2
3
粉质粘土
9.9
3.5
230
2.0
3
44
粉砂
10.8
0.9
260
2.0
5
5
粉质粘土
16.2
5.4
260
2.0
2
6
粉土
18.5
2.3
200
2.0
2
7
细砂
22.0
3.5
230
2.1
6
8
砾石
23.2
1.2
380
2.2
7
9
卵石
30.1
6.9
440
2.2
4
10
基岩
500
2.3
9
3.2.2Ⅲ类场地钻孔资料
表3.4Ⅲ类场地原始土层剖面钻孔资料
序号
土层名称
土层深度
（m）
土层厚度
（m）
波速
（m/s）
质量密度cm/g3
土类
1
人工填土
5.3
5.3
122
1.9
8
2
粉土
7.3
2.0
128
2.0
2
3
粉土
15.3
8.0
159
2.0
2
4
粉质黏土
17.6
2.3
245
2.0
3
5
粉土
19.3
1.7
264
2.0
2
6
粉质黏土
22.1
2.8
270
2.0
3
7
粉质黏土
26.5
4.4
301
2.0
3
8
粉砂
31.5
5.0
303
2.0
5
9
粉质黏土
34
2.5
322
2.0
3
10
粉砂
38.1
4.1
367
2.0
5
11
粉砂
42.2
4.1
367
2.0
5
12
粉砂
46.2
4.0
367
2.0
5
13
粉质黏土
48
1.8
329
2.0
3
14
粉砂
53.8
5.8
320
2.0
5
15
粉质黏土
59
5.2
409
2.0
3
16
粉质黏土
64.2
5.2
409
2.0
3
17
粉质黏土
69
4.8
470
2.0
3
18
粉砂
72.4
3.4
436
2.0
5
19
粉砂
75.8
3.4
436
2.0
5
20
粉质黏土
81
5.2
442
2.0
3
21
粉质黏土
86.2
5.2
442
2.0
3
22
粉质黏土
91.3
5.1
442
2.0
3
23
粉砂
100
8.7
504
2.0
5
24
基岩
2.3
9
3.2.3各类土的动剪切模量比和阻尼比
序号
模量比
阻尼比
剪应变
0.05
0.1
0.5
1
5
10
50
100
1淤泥质黏土
G/Gmax
0.985
0.970
0.845
0.730
0.320
0.210
0.085
0.058
λ
0.012
0.015
0.033
0.055
0.136
0.170
0.200
0.205
2粉土
G/Gmax
0.960
0.930
0.770
0.650
0.300
0.200
0.060
0.035
λ
0.012
0.017
0.036
0.050
0.087
0.105
0.148
0.155
3粉质粘土
G/Gmax
0.980
0.970
0.840
0.730
0.400
0.250
0.070
0.030
λ
0.012
0.015
0.037
0.056
0.112
0.137
0.170
0.180
4卵石
G/Gmax
0.990
0.960
0.900
0.830
0.710
0.540
0.330
0.220
λ
0.006
0.008
0.020
0.033
0.070
0.085
0.110
0.120
5粉砂
G/Gmax
0.980
0.965
0.885
0.805
0.560
0.448
0.220
0.174
λ
0.005
0.007
0.020
0.035
0.080
0.100
0.120
0.124
6细砂
G/Gmax
0.920
0.880
0.700
0.575
0.260
0.178
0.058
0.018
λ
0.015
0.022
0.056
0.065
0.104
0.125
0.145
0.150
7砾石
G/Gmax
0.990
0.970
0.900
0.850
0.700
0.550
0.320
0.200
λ
0.004
0.006
0.019
0.030
0.075
0.090
0.110
0.120
8杂填土
G/Gmax
0.960
0.950
0.800
0.700
0.300
0.200
0.150
0.100
λ
0.025
0.028
0.030
0.035
0.080
0.100
0.110
0.120
9基岩
G/Gmax
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
λ
0.004
0.008
0.010
0.015
0.021
0.030
0.036
0.046
根据以上两组钻孔资料，在计算以上两组钻孔资料时所用到的土的动力学参数如表3.
表3.5各类土的动剪切模量比与阻尼比
4、模型计算
4.1软夹层厚度关系计算模型1-3
为了研究软夹层的厚度对土层加速度反映峰值Amax、速度最大值Vmax及位移最大值Dmax、特征周期Tg及反应谱最大值Samax的影响，我们用剪切波速为120m/s，密度为19g／m3的淤泥质粘土选用3,6,9三种厚度分别替换Ⅱ类场地埋深16米处的土层分别建立三个模型。
具体分析模型如下所示：
1、模型一：
表4.1模型一数据表
序号
土层名称
土层厚度
（m）
波速
（m/s）
质量密度cm/g3
土类
1
填土
4.1
130
1.9
8
2
粉土
2.3
140
2.0
2
3
粉质粘土
3.5
230
2.0
3
44
粉砂
2
260
2.0
5
5
淤泥质粘土
3
120
1.9
1
6
粉土
3.6
200
2.0
2
7
细砂
3.5
230
2.1
6
8
砾石
1.2
380
2.2
7
9
卵石
6.9
440
2.2
4
10
基岩
500
2.3
9
2、模型二：
表4.2模型二数据表
序号
土层名称
土层厚度
（m）
波速
（m/s）
质量密度cm/g3
土类
1
填土
4.1
130
1.9
8
2
粉土
2.3
140
2.0
2
3
粉质粘土
3.5
230
2.0
3
44
粉砂
0.9
260
2.0
5
5
淤泥质粘土
6
120
2.0
1
6
粉土
1.7
200
2.0
2
7
细砂
3.5
230
2.1
6
8
砾石
1.2
380
2.2
7
9
卵石
6.9
440
2.2
4
10
基岩
500
2.3
9
3、模型三：
表4.3模型三数据表
序号
土层名称
土层厚度
（m）
波速
（m/s）
质量密度cm/g3
土类
1
填土
4.1
130
1.9
8
2
粉土
2.3
140
2.0
2
3
粉质粘土
2
230
2.0
3
44
粉砂
0.9
260
2.0
5
5
淤泥质粘土
9
120
2.0
1
6
粉土
1.2
200
2.0
2
7
细砂
2.5
230
2.1
6
8
砾石
1.2
380
2.2
7
9
卵石
6.9
440
2.2
4
10
基岩
500
2.3
9
4.2软夹层埋深关系计算模型4-6
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，以上述的Ⅲ类场地为研究目标将剪切波速为180m/s，密度为19g／m3，厚度为4米的淤泥质粘土分别替换埋深为25,46.2,85的原有土层，来建立计算模型，具体分析模型如下所示：
4、模型四：
表4.4模型四数据表
序
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