大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究

第27卷第3期(280~289中國地震Vol 27 No. 32011年9月EARTHQUAKE RESEARCH IN CHINAsep.2011張小平、牛雪、趙安生等,2011,大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究,中國地震,27(3),280-289。大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究張小平1)牛雪2)趙安生)馬順)劉超》劉洋李涯")姜華)張銀龍)張鳳君)1)大連市地震局,大連市中山區綠山巷14號1160122)遼寧省地震局,沈陽(yáng)110034摘要通過(guò)收集近年來(lái)大連地區地震安全性評價(jià)報告中土動(dòng)力學(xué)參數的實(shí)驗資料,統計分析粉質(zhì)粘土淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、中砂、碎石、回填土和全風(fēng)化板巖等7類(lèi)土的實(shí)測動(dòng)力學(xué)參數,給出了它們的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的統計值。然后,選取典型鉆孔并建立了土層地震反應分析模型,分別運用本文統計值94規范值(即原大連地震小區劃的土動(dòng)力學(xué)參數值)袁曉銘等(2000)的推薦值進(jìn)行土層地震反應計算,并將計算結果中的地表峰值加速度和反應譜形狀進(jìn)行了比較。結果表明,本文的統計值與袁曉銘等(2000)的推薦值非常接近,而與94規范值有很大的差別。關(guān)鍵詞:場(chǎng)地土土動(dòng)力學(xué)參數大連地區文章編號]1001-4683(2011)03-028010[中圖分類(lèi)號]P315[文獻標識碼]A0引言土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比是工程場(chǎng)地地震安全性評價(jià)中非常重要的兩個(gè)參數,直接反映工程場(chǎng)地的土動(dòng)力特性。大量的實(shí)驗表明(袁曉銘等,2000;呂悅軍等,203),確定某個(gè)場(chǎng)地的土動(dòng)力學(xué)參數必須考慮區域性,因為不同區域的土動(dòng)力學(xué)參數與土的成分來(lái)源含水量、形成年代及其所處的環(huán)境密切相關(guān)。大連地區位于遼東半島南部,屬于海濱低丘陵的地形地貌,在大地構造上屬于北北東向的膠遼臺隆,西側有下遼河-渤海新生代斷陷盆地,南東海域屬于北黃海晚新生代坳陷。區域內第四系地層分布比較廣泛,但陸域隆起區發(fā)育程度較差,主要分布在丘間谷地、河谷兩側和沿海地帶。該區域有自己獨特的地層特點(diǎn),覆蓋土的一般厚度為5~24m。根據《建筑抗震設計規范(GB50011-2010)》(中華人民共和國住房和城鄉建設部,2010),大連地區有一小部分工程場(chǎng)地覆蓋層小于5m(剪切波速大于250m/8)和3m(剪切波速小于250m/8)場(chǎng)地類(lèi)別都屬于I類(lèi),但絕大部分工程場(chǎng)地類(lèi)別屬于Ⅱ類(lèi),還有一小部分覆蓋層較厚的場(chǎng)地達到Ⅲ類(lèi),場(chǎng)地土對工程建設的地基穩定性和抗震設計的影響不容忽視?！豆こ虉?chǎng)地地震安全性評價(jià)工作規范》(中國地震局,1994)中給出的各類(lèi)土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的規中國煤化工收稿日期]20110425作者簡(jiǎn)介]張小平,男,生于1953年,高級工程師,國家注冊YHCNMHG從事地震安全性評價(jià)和地震監測預報工作。Emal:DLPXZ@163.com3期張小平等:大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究范數據(本文簡(jiǎn)稱(chēng)94規范值)主要來(lái)源于20世紀80年代在大連地區地震小區劃工作中采用的幾種典型土類(lèi)試驗結果(孫靜等,2004)。因此可以把94規范值作為80年代大連地區地震小區劃的土動(dòng)力學(xué)參數值。由于受當時(shí)實(shí)驗條件等諸多因素的影響,在以后的實(shí)際應用時(shí)發(fā)現這些結果有不合理之處,且不具平均意義。故本文再次收集近年來(lái)大連地區地震安全性評價(jià)報告中的土動(dòng)力學(xué)參數的實(shí)驗資料并再次進(jìn)行統計分析。然后選取一個(gè)典型鉆孔,構建土層分析模型,做土層地震反應分析計算,同時(shí)將結果與94規范值和袁曉銘等(2000)的結果進(jìn)行對比分析,并討論了結果的合理性。本文所得結果對大連地區各類(lèi)工程建設場(chǎng)地的地震安全性評價(jià)具有一定的參考價(jià)值。大連地區場(chǎng)地巖土動(dòng)力學(xué)參數統計分析11數據收集本文收集了大連地區近年來(lái)具有完整土動(dòng)力學(xué)參數實(shí)驗數據的地震安全性評價(jià)報告,共47個(gè)鉆孔中的各類(lèi)巖土土樣(表1)。這些鉆孔主要分布在丘間谷地、河谷兩側和沿海地帶,從西北起為長(cháng)興島開(kāi)發(fā)區,東北為普灣新區,費1各類(lèi)巖土樣本量統計西南為旅順口區,東南是大連市老市區和金州新區,基本上覆蓋了大連地區的主城區新區和開(kāi)發(fā)巖土類(lèi)別埋深(m)樣本量回填土(圖1)。大連地區的土層厚度大多集中在幾米至十幾米的范圍內,表1中巖土土樣的采樣深度大粉質(zhì)粘土部分集中在2~18m范圍。這些土樣送中國地震13-1611局工程力學(xué)研究所后得到實(shí)測的動(dòng)三軸數據。根泥質(zhì)粉質(zhì)粘土7-12據土類(lèi)巖性的不同,分為回填土、粉質(zhì)粘土、淤泥粘土質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、中砂、砂礫石和全風(fēng)化板巖等10-1567類(lèi)巖土(表1),其中粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘中砂10-15土、粘土和回填土占了絕大多數。由于密實(shí)砂、輕砂礫石砂、淤泥和粉土等土樣數量太少,不足以統計出合理的巖土動(dòng)力學(xué)參數,因此本研究暫將其舍去,不全風(fēng)化板巖11-18總計94予考慮。2各類(lèi)巖土的土動(dòng)力學(xué)參數統計值同類(lèi)土體的土動(dòng)力學(xué)參數隨深度和壓力的變化而不同,但在本文統計出的各類(lèi)土動(dòng)力學(xué)參數卻看不出這種變化,受深度的影響很小。這可能由于大連地區屬濱海丘陵,絕大多數工程場(chǎng)地的土層厚度僅為幾米至十幾米,各種土層排序的規律性不強,土層的連續性也遠不如北京、上海和沈陽(yáng)等地。因此,我們認為在大連地區統計隨深度變化的土動(dòng)力學(xué)參數的意義不大,在本文統計中暫不區分各類(lèi)土樣的埋深。對上述7類(lèi)巖土的動(dòng)力學(xué)參數采用統計平均值。用選擇標準差的方式避免被統計的數據樣本過(guò)于離散,保證其集中性和統計結果的合理性。在統計過(guò)程中,分別舍棄動(dòng)剪切模量比標和已標準差超過(guò)中國煤化工理性和離散性以粉質(zhì)粘土為例給出了其樣本(離散,、叫1HG合結果的合0.02的樣本數據(表2),最后留下94組數據參與統CN282中國地震27卷旅順☆★鉆孔圖1研究區的鉆孔分布圖衰27類(lèi)巖土動(dòng)剪切模量比和阻尼比的統計結果剪應變y(10-4)巖土類(lèi)別標準差最大值參數0.050.1500.053C4/Cdm0.99120.98250.91830.84900.53000.36090.10170.0536回填土A0.01570.02180.04560.06120.10580.12270.14450.14820.058 Ge/Ga0.98750.98060.92930.87340.59530.43020.13750.0730粉質(zhì)粘土0.015A0.01130.01750.03720.05160.10020.12250.16140.1736淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土0.051G4Gdma0.99250.9850.92960.8690.57490.4060.1230.0658.016A0.01160.0170.03930.05550.10730.12960.16150.16730.057GGd0.99330.98670.9370.88140.5980.42680.12980.0694粘土0.016A0.02120.02840.05480.07160.11960.16100.21000.23010.99350.9870.93830.88380.60370.43250.13240.0709中砂0.011A0.01120.01530.03150.04240.07870.09890.13010.13510.049G4/G0.99480.98970.95070.90630.66360.49980.17010.砂礫石A0.00770.01120.02710.03890.08020.10040.0.,0.054G4c-0.9980.98770.94160.89020.62590.46070.全風(fēng)化板巖0.0140.01270.01760.03720.05040.09180.110.13760.143注:表中G4為剪切模量,G為最大剪切模量A為阻尼比,G4Gn為動(dòng)剪切模量比,Y為剪應變。1,3統計結果的對比分析將以上的統計值與94規范值以及袁曉銘等(2000利用來(lái)自北京、上海等全國十幾個(gè)地區的常規土類(lèi)得出的推薦值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)推薦值)進(jìn)行比較(圖3~6),從這些圖中可以看出,本文統計的動(dòng)剪切模量比和推薦值中的動(dòng)剪切模量比相差甚小,特別是圖3中的粉質(zhì)粘土,本文統計的動(dòng)剪切模量比曲線(xiàn)與推薦值曲線(xiàn)重疊在產(chǎn)平金燥相上院了大應變和小應變兩點(diǎn)之外,94規范的動(dòng)剪切模量比在其它應統計值和推薦值。除了淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘94規范的阻尼比值在大應CNMHG推薦值以外,其它3種巖土的統計值與94規范值和推薦值中的阻尼比幾乎都交織在一起,差別不大,沒(méi)3期張小平等:大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究2830粉質(zhì)粘土020粉質(zhì)粘土00樣本值剪應變剪應變圖2粉質(zhì)粘土動(dòng)剪切模量比與阻尼比的樣本值和統計平均值粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土0104本文統計值本文統計值袁曉銘推薦值94規范值袁曉銘推薦值剪應變剪應變圖3粉質(zhì)粘土統計值與94規范值和推薦值的比較淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土泥質(zhì)粉質(zhì)粘土04本文統計值A4規范值006本文統計值袁曉銘推薦值袁曉銘推薦值剪應變剪應變圖4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土統計值與94規范值和推薦值的比較有規律可循。盡管如此還是可以看出本文統計值證實(shí)了土動(dòng)力學(xué)參數的區域性特點(diǎn),一個(gè)區域不能簡(jiǎn)H中國煤化工區別的,這也CNMH值。284中國地27卷粘土粘土0.2薦值圖5粘土統計值與94規范值和推薦值的比較0.0I2008本文統計值本文統計值袁曉銘推薦值剪應變剪應變y圖6中砂統計值與94規范值和推薦值的比較2統計值的適用性分析選取實(shí)例鉆孔構建土層反應計算模型,采用頻域線(xiàn)性波動(dòng)分析的一維等效線(xiàn)性化方法進(jìn)行土層地震反應計算,在計算過(guò)程中分別采用本文統計值94規范值和推薦值等3種不同的巖土動(dòng)力學(xué)參數,通過(guò)對計算結果的比較來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本文統計的巖土動(dòng)力學(xué)參數的合理性和適用性。2.1鉆孔模型、基巖輸入地震動(dòng)參數的選取和土層反應計算2.1.1鉆孔模型和基巖輸入地震動(dòng)的選取選取的鉆孔深度為15.1m,分析大連地區各工程場(chǎng)地的各種巖土分布和土層覆蓋厚度的資料分析,發(fā)現類(lèi)似于本鉆孔情況占大多數,由此認為本鉆孔有代表性,其揭示的覆蓋層主要是回填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土、中砂和砂礫石。表3給出了鉆孔土層力學(xué)模型,圖7給出了鉆孔的柱狀圖和剪切波速圖。根據《建筑抗震設計規范(GB500112010)(中華人民共和國住房和城鄉建設部2010),本鉆孔所代表的工程場(chǎng)地類(lèi)別屬于Ⅱ類(lèi)。把研究區域地震危險性分析所得到的基巖加速度反應譜(圖8)作為目標譜,按照50年超越概率分別為63%、10%和2%的3種情況,人工合成基巖加速時(shí)程作為基巖輸入地震動(dòng)計算地表土層地震反應。其中對每一種概率均中國煤化工離散步長(cháng)為0.028,離散點(diǎn)數2048個(gè),選用60個(gè)周期數值作為擬1CNMH與擬合譜之間相對誤差要求小于5%。張小平等:大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究衰3土層力學(xué)模型容重厚度(m)層底深度(m)剪切波速(m/)回填土淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土1.901.0淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土3.5淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土1.901.2粉質(zhì)粘土1.951.0粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土.958.2粘土粘土11.6中砂2.08砂礫石砂礫石2.11392基巖柱狀圖巖性措述剪切波遠圖雜填土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土粘土1290砂礫石5.10基巖圖7鉆孔柱狀圖2.1.2土層反應計算輸入人工合成地震動(dòng)后,由各種巖土組合參與sYH中國煤化工結果如2.2中圖9和圖10中所畫(huà)出的曲線(xiàn)所示。在同一種概率CNMHG輸入計算后都得到相應的3條地表地震動(dòng)反應譜曲線(xiàn),圖中的平均反應譜曲線(xiàn)是這3條地表地震動(dòng)反應286中國地27卷50年超越概率2%50年超越概率10%50年超越概率63%圖8不同概率水準的基巖加速度反應譜譜曲線(xiàn)的平均值。22土層反應計算的結果分析由于袁曉銘的推薦值中沒(méi)有有關(guān)回填土和砂礫石的數據,如要同時(shí)比較本文統計值、94規范值和推薦值等3個(gè)模式,就應去掉回填土和砂礫石這兩層巖土,只取在3個(gè)模式中都有的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土和中砂包括基巖共5種巖土動(dòng)力學(xué)參數參與3個(gè)模式的土層反應分析計算,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“3個(gè)模式5種巖土”。在此,我們把BA作為地震動(dòng)加速度反應譜的平臺值,B。為反應譜的放大系數,A為地震動(dòng)峰值加速度。把代表此平臺值的直線(xiàn)與反應譜曲線(xiàn)的右相交點(diǎn)的橫坐標周期值作為反應譜特征周期T值(圖9、10)。根據《中國地震動(dòng)參數區劃圖》宣貫教材(胡聿賢等,2001),統計我國大量重大工程地震安全性評價(jià)工作的分析計算結果反應譜放大系數B的優(yōu)勢分布在25。本項研究中我們全部取Bn=2.5,只有這樣才能用同一標準去衡量不同巖土動(dòng)力學(xué)參數的地震動(dòng)加速度反應譜特征周期T值的大小,從而對其結果做出比較科學(xué)的分析對比。表4為“3個(gè)模式5種巖土”不同動(dòng)力學(xué)參數土層反應計算的峰值加速度和反應譜特征周期值,“3個(gè)模式5種巖土”不同巖土動(dòng)力學(xué)參數的平均反應譜如圖9所示。表4“3個(gè)模式5種巖土”動(dòng)力學(xué)參數取值下峰值加速度和特征周期峰值加速度A(gal)特征周期值T()超越概率本文統計值94規范值推薦值本文統計值94規范值推薦值50年63%590.300.3350年10%0.3550年2%223如不考慮袁曉銘的推薦值僅把本文統計值和原大連所得的94規范值做全面比較會(huì )更有實(shí)際意義。采用在推薦值中沒(méi)有,但在本文中國煤化工的回填土和砂礫石的動(dòng)力學(xué)參數,再加以上5種巖土的動(dòng)力學(xué)參CNMH(7種巖土動(dòng)力學(xué)參數參與兩個(gè)模式的土層反應計算,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2個(gè)模式7種巖土”。表5為“2個(gè)模式3期張小平等:大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究7種巖土”不同動(dòng)力學(xué)參數土層反應計算的峰值加速度和反應譜5“2個(gè)模式7種巖土”動(dòng)力學(xué)參數取值下峰值加速度和特征周期特征周期值,“2個(gè)模式7種巖峰值加速度A(gal)特征周期值T(s)土”不同巖土動(dòng)力學(xué)參數的平均超越概率本文統計值94規范值本文統計值94規范值反應譜如圖10所示。50年63%0.380.38在“3個(gè)模式5種巖土”的情50年10%157況下(表4和圖9),大超越概率50年2%2632090.420.77(63%,小震)時(shí),由94規范值計算的地面峰值加速度A。略大于本文統計值和推薦值計算的Ax,由三者計算得到的反應譜差別不大。出現明顯差別的是在小超越概率(中震和大震,10%和2%)時(shí),由94規范值計算的地面峰值加速度A已明顯小于本文統計值和推薦值的A由94規范值計算的反應譜更寬,其特征周期值T,都大于由本文統計值和推薦值得到的計算結果,最多的大出75%,達0.70s。還有一個(gè)非常明顯的結果是由本文統計值和推薦值得出的反應譜幾乎重疊在一起,說(shuō)明本文統計值與推薦值的一致性很好。2個(gè)模式7種巖土”和“3個(gè)模式5種巖土”的情況類(lèi)似(表5和圖10),大超越概率時(shí),由本文統計值和94規范值的計算結果區別不大,出現明顯差別的同樣是在小超越概率時(shí),由本文統計值計算的地面峰值加速度A-已明顯高于94規范值的A。最大時(shí)高出26%。使用%4規范值計算反應諧的特征周期值T。也明顯大于由本文統計值得到的T值,最多的大出83%,達到0.77秒。在小超越概率時(shí),由94規范值計算的反應譜的特征周期值T也總是遠遠高于根據《建筑抗震設計規范(GB50011-2010)》(中華人民共和國住房和城鄉建設部,2010)所給出的相應類(lèi)別工程場(chǎng)地特征周期值T的平均值,在抗震設計中使用這一參數會(huì )過(guò)于保守,不經(jīng)濟。同時(shí),由94規范值計算的地面峰值加速度A。又明顯小于本文統計值和推薦值的An在抗震設計中使用這一參數后會(huì )存在一些不安全因素。因此,由94規范值得到的這兩個(gè)結果都是工程設計部門(mén)所難以接受的。3結論本文給出了大連地區的土動(dòng)力學(xué)參數,選取該區典型的鉆孔實(shí)例和構造模型,分別運用本文統計值、94規范值和袁曉銘等(2000)的推薦值進(jìn)行了土層反應計算,結果表明:(1)本文的統計值和袁曉銘等(2000)的推薦值非常接近,計算得出的土層反應結果,其峰值加速度和特征周期值幾乎一致,但和采用94規范值的計算結果相差很大。袁曉銘等(2000的推薦值可作為大連地區地震安全性評價(jià)工作中巖土動(dòng)力學(xué)參數的參考值來(lái)使用。(2)由于上世紀80年代在大連地區地震小區劃工作中采用的幾種典型土類(lèi)所用的試驗儀器是自行研制的實(shí)驗樣機,軟硬件都有不盡人意的地方,主要由這些結果所形成的94規范值在多年的實(shí)際應用過(guò)程中發(fā)現了許多不合不目右亞均章義(孫靜等,2004)。這些年來(lái)在大連地區的地震安全性評價(jià)工中國煤化工直計算得到的地表反應譜總是出現“矮、粗、胖”的現象,對實(shí)際的CNMH本文的研究結果也充分證明了這一點(diǎn)。更重要的是,和全國其它地區相比,用近些年大連地區巖土動(dòng)力學(xué)288中國地震27卷3個(gè)模式5種巖土2個(gè)模式7種巖土50年超越概率63%50年超越概率63本文統計值◆94規范值本文統計值▲袁曉銘推薦值94規范值3個(gè)模式5種巖土10002個(gè)模式7種巖土50年超越概率100年超越概率10%0本文統計值94規范值一本文統計值袁曉銘推薦值94規范值3個(gè)模式5種巖土2個(gè)模式5種巖土1000年超越概率2%50年超越概率2%一一一本文統計值圖9不同巖土動(dòng)力學(xué)參數的平均反應譜圖10不同土動(dòng)力參數的平均反應譜曲線(xiàn)(3個(gè)模式5種巖土)曲線(xiàn)(2個(gè)模式7種巖土)參數的統計結果(本文所作的工作)來(lái)證明上世紀80年代主要由大連地區地震小區劃土動(dòng)力學(xué)參數所形成的4規范值的不合理性,其說(shuō)服力更強在△后的震安全性評價(jià)工作中,特別是在大連地區的地震安全性評價(jià)工作中動(dòng)力學(xué)參數,不宜再采用94規范值,而應該以袁曉銘等(2000)的推CNMH參考。雖然本文的土動(dòng)力學(xué)參數的統計樣本數量有限,品種不全,但對大連地區各類(lèi)工程建設張小平等:大連地區場(chǎng)地土動(dòng)力學(xué)參數初步研究的場(chǎng)地地震安全性評價(jià)工作還是具有一定的借鑒作用的在得不到實(shí)測的巖土動(dòng)力學(xué)參數情況下,可用本文的統計值作為參考。今后,隨著(zhù)大連地區重要工程地震安全性評價(jià)工作的不斷開(kāi)展,巖土樣品更多,積累的各種巖土動(dòng)力學(xué)參數的統計樣本數量也會(huì )更多,屆時(shí),再進(jìn)步做這方面的工作,將會(huì )得到更加令人滿(mǎn)意的結果。參考文獻胡幸賢高孟潭杜瑋等2001《中國地震動(dòng)參數區劃圖》宜貫教材,85-87,北京:中國標準出版社悅軍、唐榮余、沙海軍等,2003,渤海海底土類(lèi)動(dòng)剪切模量比和阻尼比試驗研究,防災減災工程學(xué)報,23(2),368-374。孫靜、袁曉銘、孫銳等,2004,土動(dòng)剪切模量和阻尼比的推薦值和規范值的合理性比較地震工程與工程振動(dòng),24(2)震曉銘孫銳、孫靜等,2000,常規土類(lèi)動(dòng)剪切模量比和阻尼比試驗研究地震工程與工程振動(dòng)20(4),133-139中國地震局,1994,工程場(chǎng)地地震安全性評價(jià)工作規范(DB00194),北京:地震出版社。中華人民共和國住房和城鄉建設部,2010,建筑抗震設計規范(GB00112010),北京:中國建筑工業(yè)出版社。Research on dynamic parameters of soil site in Dalian areaZhang Xiaoping" Niu Xue2) Zhao Ansheng" Ma Shun" Liu Chao" Liu Yang'Li Ya Jiang HuZhang Yinlong" Zhang Fengjun1)Earthquake Administration of Dalian City, Dalian 160012, China2)Earthquake Administration of Liaoning Province, Shenyang 110034, ChinaAbstract In this paper, soil dynamic parameters from Dalian area seismic risk assessmentreports are collected. The tested data are divided into 7 kinds of type, i. e. silty clay, muddy siltyclay, clay, sanely soil, sand stone, return soil and all-weathered slate. Statistics of the dynamicparameters of soil has been done to obtain the mean values of dynamic shear modulus ratio anddamping ratio. Then a typical drilling is selected to establish soil dynamic models in order toinvestigate the seismic response in different cases. The results show that the statistical values areclose to values recommended by Yuan Xiaoming, et al(2000 ), but have some deviation fromstandard values in 94 codeKey words: Site soil Soil dynamic parameter Dalian areaH中國煤化工CNMHG