剪切波速对设计反应谱的影响研究

第２卷第１期　震灾防御技术　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　、，ｏ１．２．Ｎｏ．１　２００７年３月　Ｍａｒ．．２００７　兰景岩，薄景山，吕悦军，２００７．剪切波速对设计反应谱的影响研究．震灾防御技术，２（１）：１９＿＿＿２４　剪切波速对设计反应谱的影响研究　兰景岩　’薄景山２’　吕悦军　）　１）中国地震局地壳应力研究所，北京２）防灾科技学院，河北三河市１０００８５　０６５２０１　摘要本文采用一维土层等效线性化波动理论模型，研究了３种单一均质不同土性的土层剖面，在　一定范围内剪切波速变化对场地设计反应谱的影响，重点分析设计反应谱的特征周期　和平台值　ａ　的变化趋势，其结果对于指导地震安全性评价中的勘察试验工作以及提高土层地震反应计算精　度具有一定的参考价值。　关键词：剪切波速设计反应谱特征周期平台值　引言　剪切波速是土的重要动力学参数之一，一般通过现场原位测定，它可以较好地代表土的　动力学特性，剪切波速的大小直接反映了场地土层的“软”、“硬”程度。目前土层剪切波速　的测定方法主要有：激振法、表面波法、地脉动法等等。在实际工作中，常用的方法是检层　单孔法，它是配合钻机工作直接给出土层具体位置的具体波速值，便于同勘察工作以及室内　试验同步进行，因此特别适合地基勘探、岩土勘察以及地震安全性评价工作中的动三轴土样　测试及标贯试验工作的同步进行，得到了广泛的应用（胡聿贤，１９９９）。　由于剪切波速能够反映地基土的强度、变形特性，又是判别饱和土液化的重要依据，同　时剪切波速是土层动力反应中不可或缺的重要参数，因此在地震小区划和重大工程场地地震　安全性评价工作中，土一结相互作用分析，高层抗震分析，高速公路（铁路）特大桥以及输油　（气）埋地管线抗震设计等都得到了广泛的应用，尤其是在土层地震反应分析中能否正确给出　地震动参数有着不可小视的作用，因此在许多重大工程项目中，对剪切波速的值必须采取实　测来获得。但由于测试方法的差异、仪器精度以及人为的操作等方面的原因，剪切波速的不　确定性不可避免的存在，而且这种不确定性可高达３０％左右，有的甚至更高，给抗震计算精　度带来了严重的误差（高玉峰等，２００１；薄景山，２００３；刘红帅等，２００５￣兰景岩，２００６）。　研究剪切波速对场地土的设计反应谱的影响，从而对场地设计反应谱以及地震动参数的变化　趋势做出一个明确的判断是一项非常重要的工作。　为此，本文主要对剪切波速对设计反应谱的影响做了研究，针对３个剖面不同土性的剪　［收稿日期］２００６—１０－１６　［作者简介］兰景岩，男，生于１９８１年。研究实习员，硕士。主要从事设计反应谱等研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

震灾防御技术　２卷　切波速在划定的范围之内，应用一维土层地震反应计算中讨论土层剪切波速的变化对场地设　计反应谱的影响，重点是对特征周期　和平台值ａｍ　的变化趋势进行研究，并总结剪切波速　在土层地震反应分析中的参数响应程度。　１各类型土的剪切波速范围　为正确而真实的反映砂性土、粘性土和淤泥土３类土的剪切波速取值范围，参照《建筑　抗震设计规范》（ＧＢ５００１　１－２００１）中的规定，将各类型土的剪切波速范围列于表１。　表１土的类型划分和剪切波速范围　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　土的类型　岩土名称和性状　土层剪切波速　范围（ｍ／ｓ）　坚硬土或岩石　稳定岩石、密实的碎石土　ｖ￣＞５００　中硬土　中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，Ａｋ＞２００的粘性土和粉土，坚硬黄土　５００≥Ｖｓ＞２５０　中软土　稍密的砾、粗、中砂，除松散砂外的砂，Ａｋ￣＜２００的粘性土和粉土，ｆ￣ｋ＞１３０的填土、可塑黄土　２５０≥Ｖｓ＞１４０　软弱土　淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，Ａｋ＜￣１３０的填土，流塑黄土　≤１４０　注：血为由载荷试验等方法得到的地基土静承载力特征值（单位：ｋＰａ）；　为土层剪切波速。　１．１各土层剪切波速的取值范围　表１中剪切波速范围是按照土的软硬程度划分的，由此可见，土的剪切波速与土类型的　软硬，即场地分类有很大关系。由表１所示的土层剪切波速范围，可近似划定本文所用３种　计算土层剖面，即砂性土、粘性土和淤泥土的剪切波速取值范围，如表２所示。　１．２　３种计算剖面土层的场地类别　在我国建筑抗震规范中，建筑的场地类别应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度进　行划分，可分为Ｉ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ４类，如表３所示。　表２　３种土层结构的剪切波速取值范围　表３各类型建筑场地的覆盖层厚度（ｍ）　Ｔａｂｌｅ　２　Ｓｈｅａｒ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｙｔ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　Ｔａｂｌｅ　３　Ｉｌｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ（ｕｎｉｔ：ｍ１　ｏｆ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　ｏｆｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒｓ　ｌａｙｅｒｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｔｅｓ　土类　剪切波速范围（ｍ／ｓ）　等效剪切波速　场地类别　砂性土层　３００≤　≤４５０　。（ｍ／ｓ）　Ｉ　ＩＩ　１１Ｉ　Ⅳ　粘性土层　１４０≤　≤３００　＞５００　０　淤泥土层　８０≤　≤１４０　５００≥　＞２５０　＜５　≥５　２５０≥　＞１４０　＜３　３—－５０　＞５０　≤１４０　＜３　３一ｌ５　＞１５—　０　＞８０　由表３可确定本节计算所用土层剖面的场地类别，如表４所示。由于本文选用土层为单　一均质土，因此各土层的剪切波速可示为场地土层的等效剪切波速。　１．３输入地震波　采用３条不同强度的人造地震波，输入时将折半处理。第１条为较弱地震波，幅值为　５０ｇａｌ，记作Ａ；第２条为中等强度地震波，幅值为１００　ｇａｌ，记作Ｂ；第３条为较强地震波，　幅值为２０ｏ　ｇａｌ，记作Ｃ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

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震灾防御技术　胡聿贤，１９９９．地震安全性评价技术教程．北京：地震出版社．　２卷　廖振鹏，李小军，１９８９．地表土层地震反应的等效线性化解法．见：地震小区划——理论与实践．北京：地　震出版社，ｌ４ｌ—ｌ５３．　中国人民共和国地震行业标准，１９９４．工程场地地震安全性评价工作规范（ＤＢ００１—９４）．北京：地震出版社．　中华人民共和国国家标准，２００１．建筑抗震设计规范（ＧＢ５００１１—２００１）．北京：中国建筑工业出版社．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｈｅａｒ　Ｗａｖｅ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ｌａｎ　Ｊｉｎｇｙａｎ¨Ｂｏ　Ｊｉｎｇｓｈａｎ２　ａｎｄ　Ｌｕ　Ｙｕｅｊｕｎ　．１）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｒｕｓｔａｌ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８５，Ｃｈｉｎａ　２、Ｉｎｓｔｉｕｔｔｅ　ｏｆ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ－Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓａｎｈｅ　Ｃｉｔｙ，Ｈｅｂｅｉ，０６５２０１，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｕｓｉｎｇ　ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ｗｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒ　ｅｘｔｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｎ　ｔｈｒｅｅ　ｌａｙｅｒｓ　ｗｉｈ　ｄｉｔｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｉｌ．Ｏｕｒ　ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｃｕｓｅｓ　ｏｎｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｐｅｒｉｏｄ　ｎｄ　ｐｌａａｔｆｏｒｍ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｒｏｚｘ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　Ｏｕｒ　ｓｔｕｄｙ　ｉｓ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｉｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓａｆｅｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ・　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｈｅａｒ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ；Ｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ；Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｐｅｒｉｏｄ；Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈｅｉｇｈｔ