【防灾科学论文：S市软土场地地震反应探析7800字（论文）】

防灾科学论文：S市软土场地地震反应分析摘要本文利用S市滨海文化中心、S市万达广场、中澳游艇城的场地钻孔土层柱状图、土层剪切波速资料及相应的工程地质勘查资料，以Ⅳ类场地的土层结构为研究对象，分别将El-Centro、Taft及Northridge地震波作为地震动输入，应用地震安全性评价工作中推荐的一维土层地震反应分析程序进行计算，开展了如下两项研究：（1）对同一地震动输入不同场地土层模型（同为IV类场地）对地表地震动峰值和反应谱特征周期的影响进行研究（2）对相同峰值但不同频谱的不同地震动输入下同一土层模型地表地震动峰值和反应谱特征周期的影响进行研究。得到了一系列有意义的结论，对进一步研究软弱土层结构对地表地震动影响提供了有益的帮助。关键词：场地类别；时程分析；频谱分析；地震动目录1、绪论 11.1研究状况及研究意义 11.2本文研究内容 22、一维土层地震反应分析方法 22.1一维场地力学模型简介 22.2一维土层地震反应线性化计算程序（RSLEIBM）简介 53、数据的选取 63.1地震动输入 63.2场地钻孔资料 84、计算结果与分析 94.1同一地震波输入不同钻孔情况下计算结果及分析 104.2同一钻孔输入不同地震波情况下计算结果及分析 135.结论 19参考文献 21

1、绪论1.1研究状况及研究意义我国是一个多地震国家，地震灾害很容易导致大量的人员伤亡，且严重破坏人类的生存环境。为了人民的生命财产安全，在短期地震预报仍无突破性进展的今天，地震工程学方面的研究显得尤为重要。为此，不但要了解工程结构本身在地震作用下的表现，同时还需要关注承载结构的地基或场地。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，引起地球表面局部场地振动，即场地地震动。工程结构所在地，即支撑并对其地震反应有直接影响的地基称为场地。震害调查及强震记录表明，地表覆盖土层对地震地面运动的幅值、频谱及强震动持续时间等有重要影响。大多数情形下，认为地表土层对地震波放大作用；发生地震时，基岩面的加速度可能并不大，但是由于场地条件不好可能引起地表加速度的剧烈放大，从而对结构产生严重的破坏，如软土场地的震害比基岩严重；震害与土层的厚度有关，厚土层的卓越周期相对较长，因此引起高层建筑物的共振破坏；盆地的震害（盆地效应导致地震波能量被吸收）比周边严重，但在特殊情况下，如地表有较强硬的持力层，而下部含有软弱夹层，则软弱夹层可能会起某种减震作用。因此，对工程场地进行土层地震反应分析是必要的。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，然后再考虑土层对地震动的影响。地基岩土结构和特性、地形地貌、地质构造、浅表断层、水文地质条件、工程地质条件等工程要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。为了在抗震设计中达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，必须考虑场地条件对地震动特性的影响，其分析方法总体有两类，一是近似估计的经验方法，通过经验方法利用强震记录资料及计算分析结果统计给出以场地特性指标为控制量的场地地震动的特征参数，给出平均值，适合于一般房屋和工程结构的建设；的二是本次实习中的理论模型计算方法，建立场地土层计算力学模型，通过土层反应分析计算程序计算地震反应量。针对特定场地或重要工程对地震动输入与结构地震反应分析的精度要求较高，需利用理论分析方法来考虑工程场地条件对设计地震动的影响。1.2本文研究内容本文的主要工作即是研究场地条件对地震反应的影响作用。选取天然地震动El-Centro波、Northridge波和Taft波乘以比例系数进行人工比例放缩后得到的三条的地震动为基岩输入地震动，选取Ⅳ类场地三个作为土层反应模型，选取其中钻孔共10个，组合成30种不同的工况模型。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，从地表反应地表反应加速度反应谱、特征周期、加速度峰值等方面对比分析计算结果，得出结论。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。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。入射剪切波入射剪切波图2.1土层地震反应分析的一维力学模型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Taft波、El-Centro波和Northridge波作为输入地震动，进行场地地震效应分析，用以反映改变软土层厚度对地震反应的影响。在三个波在天然状态输入后，把三个波改造成200gal，利用程序对3个场地的10个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：Taft地震波时程图El地震波时程图 Northridge地震波时程图图3.1地震记录加速度时程曲线本文将在同输入加速度水平下，研究同一场地不同钻孔，以及不同输入加速度水平下，同一钻孔等情况下的地震反应，经改造后的地震波峰值均为200gal。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Ⅰ0Ⅰ1ⅡⅢⅣυs＞8000800≥υs＞5000500≥υse＞250＜5≥5250≥υse＞150＜33～50＞50υse≤150＜33～1515～80＞80注：表中υS系岩石的剪切波。经计算，本文选取的3个场地均属于Ⅳ类场地。3.2场地钻孔资料本文选取的三个场地分别是S市滨海文化中心、S市万达广场、中澳游艇城等效剪切波速均在110m∕s-130m∕s之间，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Ⅳ类场地。具体钻孔资料见附录A。3.2.1各类土的动剪切模量比和阻尼比在计算钻孔资料时所用到的土的动力学参数如表3.5。表3.5各类土的动剪切模量比与阻尼比土动力

学参数土类参数剪应变γ（10-4）0.050.10.51510501001淤泥G/Gmax0.860.790.60.470.1650.090.0150.01ζ0.030.0350.0550.0770.1370.1650.220.2352淤泥质粘土G/Gmax0.9850.970.8450.730.320.210.0850.058ζ0.0120.0150.0330.0550.1360.170.20.2053淤泥质亚粘土G/Gmax0.9850.970.8450.730.320.210.0850.058ζ0.0120.0150.0330.0550.1360.170.20.2054粘土G/Gmax0.980.960.8250.710.30.20.050.025ζ0.0120.0150.0370.0560.130.1650.2350.2545粉质粘土G/Gmax0.980.970.840.730.40.250.070.03ζ0.0120.0150.0370.0560.1120.1370.170.186粘质粉土（密）G/Gmax0.9850.9750.8580.7540.4170.2850.0950.035ζ0.0050.0050.0250.040.0950.1170.1480.1597粘质粉土（松）G/Gmax0.960.930.770.650.30.20.060.035ζ0.0120.0170.0360.050.0870.1050.1480.1558密实砂G/Gmax0.980.9650.8850.8050.560.4480.220.174ζ0.0050.0070.020.0350.080.10.120.1249中密砂G/Gmax0.9650.9350.7750.660.30.250.1050.09ζ0.0060.010.030.0450.0880.1030.1240.1310轻砂G/Gmax0.920.880.70.5750.260.1780.0580.018ζ0.0150.0220.0560.0650.1040.1250.1450.1511砂砾石G/Gmax0.990.970.90.850.70.550.320.2ζ0.0040.0060.0190.030.0750.090.110.1212回填土G/Gmax0.960.950.80.70.30.20.150.1ζ0.0250.0280.030.0350.080.10.110.1213基岩G/Gmax11111111ζ0.0040.0080.010.0150.0210.030.0360.046为了研究输入地震动加速度和不同场地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，用控制变量法仅改变地震动数据或场地对各个钻孔，分别以之前处理好的波做为地震波输入，利用程序进行分析计算。分析模型分别采用S市滨海文化中心dz1、dz2钻孔数据；S市万达广场dz10、dz71、dz122钻孔数据；中澳游艇城dz1、dz2、dz3、dz4、dz5钻孔数据，详细模型数据见附录B。4、计算结果与分析利用Soil程序及ExcEl进行计算的具体操作步骤如下：根据土层剖面资料，改变Soil程序中的DATA、DATA1、DATA2、DATA3文件中的参数值。其中DATA是地震动输入文件，DATA1是与地震动输入相关的计算控制参数值文件，DATA2是与钻孔相关的钻孔数据控制及输出控制文件，DATA3是与DATA2中钻孔资料相对应的土的剪切模量与阻尼比。输入过程中需注意格式。运行Rsleibm.exe程序，在输入文件无误时得到5个不为空的输出文件，文件名分别为rtel1.dat、rtel2.dat、rtel3.dat、rtel4.dat、rtel5.dat。其中rtel1.dat为计算输入数据及计算结果保留文件。rtel2.dat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为加速度反应谱、峰值加速度（速度、位移）计算结果文件。rtel4.dat为最大峰值加速度（速度、位移）文件。rtel5.dat为剪应力计算结果文件。查看rtel3.dat文件，将Amax、Vmax、Dmax三组数据记录。运行ARTELTR.exe文件，得到三个输出文件，分别为Acc021、Acc022及Acc023。此三个文件为加速度时程输出文件。此程序默认输出时程的时间间隔为0.02s。其中Acc022及Acc023为空，将不为空的Acc021导入Excel中，制作相应的加速度时程图。利用Excel的找到Samax及计算Tg。此处不赘述。将同一地震波输入下不同钻孔及同一钻孔不同地震波输入的反应谱相比较，得到对比图。将结果汇总成表。4.1同一地震波输入不同钻孔情况下计算结果及分析4.1.1El波输入时不同计算结果及分析在EL地震动输入下，共有10种不同模型,因篇幅有限本部分以S市滨海广场2个钻孔和万达广场3个钻孔的土层模型为例进行分析。具体结果如图。图4.1在El波输入时不同钻孔的反应谱对比图字图4.2El波加速度时程图

通过执行程序Rsleibm.exe得到五个输出文件rtEl1.dat、rtEl2.dat、rtEl3.dat、rtEl4.dat、rtEl5.dat，其中rtel1.dat为计算输入数据及计算结果保留文件。rtel2.dat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为加速度反应谱、峰值加速度（速度、位移）计算结果文件。rtel4.dat为最大峰值加速度（速度、位移）文件。rtel5.dat为剪应力计算结果文件。查看rtel3.dat文件，将Amax、Vmax、Dmax三组数据记录，列表为表4.1

表4.1在El波输入时不同钻孔的反应谱对比表加速度峰值钻孔名称Amax（cm/s/s）Samax(cm/s/s)Tg（s）Amax/200Samax/Amax200galSite1-dz1101.6369.9291.27580.5083.641Site1-dz2170.9412.9121.06820.85452.416Site2-dz10188.6478.2030.68530.9432.536Site2-dz71183.7479.4050.81840.91852.610Site2-dz122179.5451.7510.68530.89752.517由表4.1得，滨海文化广场场地的两个钻孔Amax差距较大，Amax/200的大小比较为：钻孔1<钻孔2，Samax/Amax正常值应在2.5左右，钻孔1该值已经达到3.641大于2.5，Tg均>1s；万达广场场地的Amax在179-189cm/s/s/之间，Amax/200在0.9左右，Samax/Amax在正常范围2.5左右，Tg在0.68-0.82s之间。

4.1.2Taft波输入时不同计算结果及分析在Taft地震动输入下，共有10种不同模型,因篇幅有限本部分以万达广场3个钻孔、中澳游艇城2个钻孔的土层模型为例进行分析。图4.3在Taft波输入时不同钻孔的反应谱对比图图4.4Taft加速度时程图表4.2在Taft波输入时不同钻孔的反应谱对比表加速度峰值钻孔名称Amax（cm/s/s）Samax(cm/s/s)Tg（s）Amax/200Samax/Amax200galSite2-dz10124.2432.5950.81840.6213.4830515Site2-dz71133.5509.6540.97750.66753.817633Site2-dz122123.9440.7720.81840.61953.5574818Site3-dz1126.0395.4450.97750.633.1384524Site3-dz2117.6412.1440.750.5883.5046259由表4.2得，万达广场场地的Amax在124-134之间，Amax/200在0.65左右，Samax/Amax在3.5左右超过正常值2.5，Tg在0.8-1.0s之间；中澳游艇城场地的Amax在117-126cm/s/s/之间，Amax/200在0.6左右，Samax/Amax在3.1-3.5之间，超过正常值2.5，Tg在0.75-1.0之间。4.2同一钻孔输入不同地震波情况下计算结果及分析在同一钻孔输入不同地震动的情况下共有30种不同模型，因篇幅有限，本部分以中澳游艇城3个钻孔的土层模型为例进行分析。4.2.1中澳游艇城dz3钻孔输入不同地震动计算结果及分析图4.5中澳游艇城dz3钻孔不同地震动输入反应谱对比图4.6Taft加速度时程图图4.7Northride波速度时程图图4.7El波速度时程图表4.3在不同波输入时钻孔site3-dz3的反应谱对比表钻孔名称地震动名称Amax（cm/s/s）Samax(cm/s/s)Tg（s）Amax/200Samax/AmaxSite3-dz3Taft128.8381.0320.97750.6442.958El153.6381.470.81840.7682.483Northridge165.8422.0330.81840.8292.545由表4.3得，在中澳游艇城场地，Amax比较：Taft<El<Northridge；Samax比较：Taft<El<Northridge；Amax/200比较：Taft<El<Northridge；Samax/Amax比较：El<Northridge<Taft；Tg：Taft=0.9775>El=Northridge=0.8184。

4.2.2中澳游艇城dz4钻孔输入不同地震动计算结果及分析图4.8中澳游艇城dz4钻孔不同地震动输入反应谱对比图4.9Taft加速度时程图图4.10northridge波速度时程图图4.11El波速度时程图表4.4在不同波输入时钻孔site3-dz4的反应谱对比表钻孔名称地震动名称Amax（cm/s/s）Samax(cm/s/s)Tg（s）Amax/200Samax/AmaxSite3-dz4Taft122.7353.2710.97750.61352.879144El152.6373.2770.81840.7632.446114Northridge161.2406.330.81840.8062.520658由表4.4得，在中澳游艇城场地，Amax比较：Taft<El<Northridge；Samax比较：Taft<El<Northridge；Amax/200比较：Taft<El<Northridge；Samax/Amax比较：El<Northridge<Taft；Tg：Taft=0.9775>El=Northridge=0.8184。4.2.3中澳游艇城dz5钻孔输入不同地震动计算结果及分析图4.12中澳游艇城dz5钻孔不同地震动输入反应谱对比图4.13Taft加速度时程图图4.14northridge波速度时程图图4.15El波速度时程图

表4.5在不同波输入时钻孔site3-dz5的反应谱对比表钻孔名称地震动名称Amax（cm/s/s）Samax(cm/s/s)Tg（s）Amax/200Samax/AmaxSite3-dz5Taft124.6377.6320.97750.6233.030754El153.9376.0910.81840.76952.443736Northridge153.4391.5030.81840.7672.552171由表4.5得，在中澳游艇城场地，Amax比较：Taft<El<Northridge；Samax比较：Taft<El<Northridge；Amax/200比较：Taft<El<Northridge；Samax/Amax比较El<Northridge<Taft；Tg：Taft=0.9775>El=Northridge=0.8184。

5.结论根据表4.1、表4.2、表4.3、表4.4、表4.5数据，结合选定的实际钻孔资料，可得出：Amax/200为地表加速度峰值与输入加速度峰值的比值，比值小于1表明峰值加速度在该土层中为缩小的，本文所选取的均为Ⅳ类场地，该比值均小于1