软土对基岩峰值加速度的放大作用

1、第37卷第5期2009年5月同济大学学报(自然科学版JO URNAL OF TON GJI UNIVERSITY(NATURAL SCIEN CEVol.37No .5 May 2009文章编号:0253-374X(200905-0607-05收稿日期:2008-01-03基金项目:浙江省重点科研社会发展资助项目(2005C23075作者简介:刘 峥(1966,男,高级工程师,博士生,主要研究方向为工程地震和岩土工程.E -mail:lz _sh5203沈建文(1946,男,研究员,博士生导师,主要研究方向为工程地震.E -m ail:J ianw ensh en软土对基岩峰值加速度的放大作用

2、刘 峥1,2,沈建文2,石树中3,余 湛1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092; 2.上海市地震局,上海 200062;3.浙江省地震局,浙江杭州 310013摘要:以美国西部地震观测数据资料为基础,分别建立了基岩和深冲积层场地的峰值加速度衰减规律,探讨了深冲积层对基岩峰值加速度的放大作用.结果表明,美国2003版NEH RP 规范对D 类和E 类场地的放大作用可能明显高估.关键词:地震动;深冲积层;衰减规律;峰值加速度;放大作用中图分类号:T V 223.7文献标识码:ASoft Soil Amplification of Peak Ground Accelerati

3、onLIU Zheng1,2,SHEN Jianw en 1,SHI Shuzong 3,YU Zhan1(1.State Key Lab orato ry fo r Disa ster Re duction in Civil Enginee ring,TongjiUniv ersity,Shangha i200092,C hina ;2.E arthqua keA dministra tion of Sha nghai Munic ip ality,Sha ngha i 200062,C hina;3.Earthqua ke Administra tio n of Zhejiang Prov

4、ince ,Ha ngzhou 310013,C hina Abstract :Ba sed on the earthquake acc eleration records at deep alluvium sites and rock sites in the Western United States,the attenuation laws of peak ground ac celeration at deep a lluvium sites and rock sites are obtained respectively,and amplifica t ion effects of

5、deep alluvium sites are discussed.The results show that the am plification effects for Site Class D and E are overestimated in the 2003NEHRP.Key wo rds :ground motion;deep alluvium;attenuation law;peak ground acceleration;amplification effect场地类别的差异对峰值加速度或反应谱平台值的影响正逐渐受到工程地震学者的关注和重视.Boo re 等人利用截止到199

6、2年的美国西部的强震加速度记录提出了反应谱衰减规律,其中引入以距地表30m 范围内的平均剪切波速作为场地调整参数1.但该调整系数未考虑当震级和距离不同时,场地条件对峰值加速度的影响,因此不能反映大震级近场地振动对土层造成的非线性影响.随着强震记录数据的增加和人们对震害认识的不断加深,工程地震学者们更多地认识了场地类别的差异对峰值加速度或反应谱平台值的影响.美国学者根据1985年M exico City 和1989年Lo ma Prieta 地震中San Francisco 和Oakland 的软土震害经验,强调软土场地对峰值加速度的放大作用,并以理论计算作为补充,修订了美国NEH RP 规范中

7、的地震作用.2003版NEH RP 规范中提供了场地系数值,见表1所示2.文献1中给出周期为0.2s 时反应谱的谱值,为便于比较,此处统一将其除以2.50,以大体对应峰值加速度.当基岩峰值加速度小于0.10g 时,软土对基岩峰值加速度有较大的放大作用,E 类场地可放大至2.50倍;随着基岩地震动的增强,软土的放大作用减小;当基岩峰值加速度小于0.30g 时,软土仍起放大峰值加速度的作用.表1 美国2003版NEHRP 规范场地系数Tab.1 Co efficient of sites in the United Statesgiven by 2003NEHRP场地类型场地系数0.10g 0.2

8、0g 0.30g 0.40g 0.50g A 0.800.800.800.800.80B1.00 1.00 1.00 1.00 1.00C 1.20 1.20 1.10l.00 1.00D 1.60 1.40 1.20 1.10 1.00E2.501.701.200.900.90同济大学学报(自然科学版第37卷在我国,场地的放大系数问题也是近期研究的热点.李小军等基于相关的强震记录统计分析和等效线性化波动法的理论计算,给出了场地放大系数的建议值如表2所示3-4.ÓÔ类场地的软土对基岩地震动峰值加速度的作用为不放大或减小.表2李小军给出的我国场地放大系数的建议值Tab.2Ma

9、gnification factors o f the sites in Chinap ro po sed by LI Xiaoj un场地类别场地放大系数建议值0.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40gÑ 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00Ò 1.50 1.45 1.40 1.33l.25 1.18Ó 1.00 1.000.900.800.700.60Ô0.800.700.600.550.500.45耿淑伟对美国强震记录数据做了细致的统计分析.按震级、距离进行分组,统计得到场地系数如表3所示.根据土层反应应随地

10、震动强度的增大而减小的规律,并参考1997NEHRP规范,对我国不同土类的场地放大系数作了较大的调整.由于资料的限制,Ô类场地的数据带有外推性质,给出的建议值如表45.表3耿淑伟给出的美国强震记录场地放大系数的实际值Tab.3Statistics of magnification facto rs in theUnited States given by GENG Shuwei 场地类型场地放大系数实际值0.05g0.10g0.15g0.20g0.30gA 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00B 1.90 1.20 1.50 1.500.74C 3.80 1.400.75

11、 1.90D 1.40 1.100.98 1.400.98表4耿淑伟给出的场地放大系数的建议值Tab.4Amplification facto rs of the sites reco mmended by GENG Shuwei场地类型场地放大系数建议值0.05g0.10g0.15g0.20g0.25g0.30g0.40gÑ 1.20 1.000.900.900.900.900.90Ò 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00Ó 1.10 1.30 1.20 1.20 1.10 1.00 1.00Ô 1.20 1.40 1.

12、30 1.30 1.20 1.000.90美国2003版NEH RP规范和李小军的结果具有相当的权威性,而耿淑伟的结果从利用资料丰富、分析细致和完成较晚的角度看,也不能忽视.美国规范中土的分类标准与我国有所区别,不能一一对应.从土类的波速标准看,中国的Ó类场地大体介于NEH RP中的D类和E类之间,Ô类土大体为美国的E类土.对比上述结果仍可以看出,三者差别很大,特别是对于软土.如我国的Ô类场地对应于美国的E类场地,当基岩峰值加速度为0.10g时,两者差别可达3倍.若按照2003版NEH RP的结果,则类似上海、温州等厚冲积层软土覆盖地区设计地震加速度可能因为场地因

13、素加大1倍,烈度也提高1度.此种情况难以应用于实际工程.从上述表中的数据可见,美国NEH RP规范可能由于少数软土震害严重的震例而高估了软土对峰值加速度的放大作用,而基于大量强震记录得到的统计规律应该较为客观地反映事实.但表3的数据波动较大,可能由于资料分组后数据仍然不充分,导致结果不稳定或不确定.对于同类场地,随着基岩加速度输入的增大,其峰值加速度放大系数的变化似应该大体连续平滑,表4的数据也说明了这一点.笔者认为,若同类场地对基岩地震动参数的影响是震级和距离的连续函数,则通过分别建立基岩和该类场地的衰减规律来讨论该类场地的影响,可能比按震级和距离的分组统计、然后再进行人为调整的方法更为客观

14、,因为统计有自动平滑作用.实际上,霍俊荣曾用强震记录分别建立基岩和土层(不分土类的峰值加速度衰减规律,并对土层(不分土类的放大作用作过简单的讨论6.近20年来,美国西部的强震记录有了可观的增加,应该可以利用这些资料作深入一步的讨论.为了对上述结果差异较大的软土放大问题作进一步的讨论,笔者基于美国西部20世纪70年代以来地震记录资料,分别建立同一批地震作用下基岩和厚度大于100m的美国D类深冲积层(deep alluvium场地上峰值加速度的衰减规律,探讨美国深冲积层(大体相当于我国Ó-Ô类场地对基岩峰值加速度的放大作用,以期608第5期刘峥,等:软土对基岩峰值加速度的放大作

15、用对我国冲积平原厚土层场地放大作用提供参考.1数据基础1.1基础资料资料来源于1996年美国出版发行的一套包括世界上27个国家和地区的强震记录的CD光盘,及通过互联网获得的美国强震观测系统组织协会(COSM OS数据中心提供的强震记录.美国西部的地理位置大致范围为:105N b125N b,30W b49W b.选取19712005年所发生的4.37.5级地震共30次,目录见表5.其中M s为震级.表5美国西部强震记录地震目录Tab.5Earthq uake catalo g in the WesternUnited States地震时间地点纬度/(b经度/(bM s/级2005-09-02O

16、bsidian Bu tte33.160-115.637 4.62005-06-16GreaterLos Angeles34.058-117.011 4.32005-06-15Off th e coast ofnorthern California41.328-125.8687.2 2005-06-12Anza33.533-116.578 5.4 2005-04-16M ettler35.027-119.178 4.7 2004-09-28Park field35.815-120.374 6.0 2003-12-22San Simeon35.706-121.102 6.5 2003-02-22

17、Big Bear City34.310-116.848 5.1 2001-10-31Anza33.508-116.514 4.6 2001-02-10Big Bear Lake34.291-116.940 4.6 2000-09-03Yountville38.377-122.414 4.7 1999-10-16H ector M ine34.594-116.2717.2 1994-01-17Northridge34.209-118.541 6.8 1992-06-28Big Bear34.201-116.826 6.6 1992-06-28Landers34.201-116.4367.5 19

18、91-06-28Sierra madre34.259-118.001 5.4 1989-10-18Loma prieta37.040-121.8827.1 1987-11-24Sup erstition hills33.022-115.831 6.6 1987-10-01Wh ittier nar row s34.049-118.081 5.8 1986-07-21Chalfant valley37.538-118.443 6.7 1986-07-08North palm s prings34.000-116.611 6.0 1984-04-24M organ hill37.306-121.6

19、95 6.1 1983-05-02Coalinga36.233-120.310 6.5 1981-04-26Westmorland33.098-115.632 6.0 1980-01-27Liverm ore37.737-121.740 5.8 1980-01-24Liverm ore37.855-121.816 5.5 1979-10-15Imperial valley32.643-115.308 6.9 1979-08-06Coyote lake37.084-121.505 5.7 1978-08-13Santa barbar34.398-119.681 5.6 1971-02-09San

20、 Fernando34.440-118.410 6.5 1.2震级的统一基础资料中有时同一次地震提供了多种震级数据,笔者统一使用面波震级M s作为地震动衰减模型的统计参数.地震记录资料中对于提供M s的采用该震级,对于只提供近震震级M L的,用公式M s= 1. 7M L-4.1换算7.对于只提供矩震级M W的记录,采用表6的对应关系换算8,中间震级确定时用线性插值确定.表6地震面波震级与矩震级的对应关系Tab.6The relatio nship between seismic surface wave magnitude and moment magnitude面波震级 4.0 5.0 5

21、.5 6.07.08.08.5矩震级 4.7 5.4 5.7 6.1 6.98.19.12经验衰减模型的选取基岩峰值加速度衰减关系采用目前我国常用的模型8log10Y=C1+C2M-C4log10R+C5exp(C6M式中:Y为峰值加速度,10-2m#s-2;C1,C2,C4,C5, C6为衰减规律统计的系数;R为震中距,km;M为震级,M=M s.对于土层峰值加速度衰减关系,已有的土层峰值加速度衰减模型通常是在基岩衰减模型的基础上增加场地项,相当于对不同土类增加不同的回归常数(放大系数,此时式(1不完全适合.实际上,场地影响并非常数,可能与震级、距离有关.若将沉积条件相同的同一类土看成是该基

22、岩场地的一部分时,此时可以用式(1计算该土类的衰减情况.故对于单一土类(深冲积层场地,直接采用式(1计算.土层场地的衰减与基岩相比增加了场地效应,场地影响的常数在回归时通过式(1由C1,C2和C4共同作用体现.3统计回归与比较基岩和土层地震动M-R分档数据分别列于表7和表8.为了消除数据分布不均匀带来的不利影响,使用震级和距离均采用分档加权的方案,震级按M=4.0 4.4,4.54.9,5.05.4,5.5 5.9, 6.06.4,6.56.9,7.07.4,7.58.0级分档;距离按R=010.0,10.130.0,30.160.0, 60.1100.0,100.1300.0km分档.将含有

23、记录的各分档区间R i,M i赋予等权,处理方法与文献609同济大学学报(自然科学版第37卷6相同.表7美国西部深冲积土层地震动M-R分档数据Tab.7Gro und mo tio n M-R sub-file data o n deepalluvial soil in Western United StatesM s/级距离/km010.010.130.030.160.060.1100.0100.0300.04.04.4020004.54.92121012265.05.4063820345.55.92184006.06.4882412106.56.9622326407.07.40481236

24、 7.58.000026表8美国西部基岩地震动M-R分档数据Tab.8Ground motion M-R sub-file data onb edrock in Western United StatesM s/级距离/km010.010.130.030.160.060.1100.0100.0300.04.04.4022004.54.90410625.05.421061045.55.921410206.06.461218406.56.94244820167.07.46121010307.58.000000利用最小二乘回归方法进行统计,得到美国西部厚度大于100m深的第四系冲积土层与基岩水平加速

25、度的衰减关系.表9给出了美国西部D类大于100m深冲积层与基岩水平加速度峰值统计回归结果,E为回归标准差.表中可见大于100m深冲积层峰值加速度的标准差较小,说明模型与资料相符较好.相应的衰减曲线见图1 2.表9美国西部深冲积土层与基岩水平加速度衰减关系系数Tab.9H o rizontal acceleratio n attenuatio n coefficient for d eep alluvial soil and bedro ck in WesternUnited States地层C1C2C4C5C6E深冲积土层 1.9410.389 1.4500.9500.4310.237基岩 1

26、.7190.486 1.6710.9500.4310. 243图1美国西部深冲积土层场地水平峰值加速度衰减曲线及观测资料Fig.1Peak ground acceleration attenuation curves and the ob servation data on deep alluvial soilsites in Western United States图2美国西部基岩水平峰值加速度衰减曲线及观测资料Fig.2Peak ground acceleration attenuation curves and the ob served data on bedro ck in Wes

27、ternUnited States从图3衰减曲线中可以看出,土层的放大效应随震级与距离的组合而发生变化.对于同样的基岩峰值加速度,若是由较近、较小的地震引起,则土层的放大作用较大.对某一震级和峰值加速度, 由基岩图3美国西部深冲积土层与基岩地表峰值加速度衰减曲线Fig.3Attenuation curves of peak ground acceleration on deep alluvial soil and b edrock sites in WesternUnited States610第5期刘 峥,等:软土对基岩峰值加速度的放大作用峰值加速度衰减公式(1可计算出震中距,再由震级和震中

28、距根据冲积土层场地衰减关系计算得地表峰值加速度,比较地表和基岩峰值加速度得到放大倍数,结果见表10,其中M 为5,6,7,8级对应的基岩峰值加速度平均值.从表10可见,平均而言,对于较弱的地震动,深厚冲积土层起放大作用,但不如2003版NEH RP 规范给出的D 类场地的系数大.基岩峰值加速度为0.025g 时,放大系数平均为1.16.由于软土的非线性作用,随着基岩地震动的增大,放大系数逐渐降低,至0.400g 时的系数降至0.76.表10 深冲积层场地对基岩峰值加速度的放大倍数Tab .10 Magnification of peak bedro ck acceleratio n o n d

29、eep alluvium sitesM s /级基岩峰值加速度放大倍数0.025g 0.050g 0.100g 0.150g 0.200g 0.300g 0.400g 5 1.31 1.18 1.06 1.000.960.900.866 1.20 1.080.970.920.880.820.797 1.100.990.890.840.800.750.728 1.010.910.820.770.740.690.66M /级1.161.040.940.890.840.790.764 结论和讨论(1从表9的结果可见,对于相同的基岩峰值加速度,深冲积土层场地峰值加速度的放大系数随相应震级及距离的变化而

30、不相同.由较近、较小地震产生的基岩地震动,峰值加速度的放大作用较大.在确定某些特定城市或场地的地震动参数时,有可能需针对特定的地震环境,根据设定地震的震级-距离的不同组合,来估计场地的放大系数.(2比较表10和表14中的D 类和ÓÔ类场地可见,对于中软软弱场地土,2003版NEH RP 规范基岩峰值加速度的放大系数最大,耿淑伟的结果其次,李小军的结果最小.本文的结果比李小军Ó类场地的结果略大.若以本文的结果为标准,则2003版NEH RP 规范中对软土低地震动的强放大系数的设定明显偏于保守,其原因可能是受部分软土震害严重的震例的影响.(3若美国深冲积层场地介于我国

31、ÓÔ类场地之间,则表2中Ô类场地的放大系数偏低,原因可能由等效线性化方法引起.本文得到的结果与李小军在文献3中的讨论是一致的.李小军在文献3中指出,等效线性化土层地震反应分析方法会增大非线性计算效应.应进一步探讨土体非线性对地震动特性的影响问题,以给出更合理的经验关系.利用时域直接非线性积分方法并结合对实际地震记录资料的统计分析,将是解决该问题的有效途径.由于我国缺少Ô类场地的强震记录,没有足够的资料作统计分析,不得已用美国深冲积层D 类土资料来讨论软土的放大作用.故结论有待更多资料的检验和充实.参考文献:1 Boore D M ,J oyn er W

32、B,Fu mal T E.Equation s for estimatin gh orizontal response spectra and p eak acceleration from w estern n orth American earth qu ak eJ .A S ummary of Recent Work S eism ological Res earch Letters,1997,68(1:128.2 Building S eism ic S afety Council.2003Edition NE HRPrecomm ended provision s for th e

33、developm ent of seismic regulations for new bu ildings and oth er stru ctures M .W as hington D C:Developed for the Federal Emergency M anagem ent Agency,2004.3 李小军,彭青.不同类别场地地震动参数的计算分析J .地震工程与工程振动,2001,21(1:29.LI Xiaojun,PENG Qing.Calculation and analysi s of earthquake ground motion parameters for diferent site cat