大连地区场地土动力学参数初步研究

第27卷第3期(280~289中国地震Vol 27 No. 32011年9月EARTHQUAKE RESEARCH IN CHINAsep.2011张小平、牛雪、赵安生等,2011,大连地区场地土动力学参数初步研究,中国地震,27(3),280-289。大连地区场地土动力学参数初步研究张小平1)牛雪2)赵安生)马顺)刘超》刘洋李涯")姜华)张银龙)张凤君)1)大连市地震局,大连市中山区绿山巷14号1160122)辽宁省地震局,沈阳110034摘要通过收集近年来大连地区地震安全性评价报告中土动力学参数的实验资料,统计分析粉质粘土淤泥质粉质粘土、粘土、中砂、碎石、回填土和全风化板岩等7类土的实测动力学参数,给出了它们的动剪切模量比和阻尼比的统计值。然后,选取典型钻孔并建立了土层地震反应分析模型,分别运用本文统计值94规范值(即原大连地震小区划的土动力学参数值)袁晓铭等(2000)的推荐值进行土层地震反应计算,并将计算结果中的地表峰值加速度和反应谱形状进行了比较。结果表明,本文的统计值与袁晓铭等(2000)的推荐值非常接近,而与94规范值有很大的差别。关键词:场地土土动力学参数大连地区文章编号]1001-4683(2011)03-028010[中图分类号]P315[文献标识码]A0引言土的动剪切模量比和阻尼比是工程场地地震安全性评价中非常重要的两个参数,直接反映工程场地的土动力特性。大量的实验表明(袁晓铭等,2000;吕悦军等,203),确定某个场地的土动力学参数必须考虑区域性,因为不同区域的土动力学参数与土的成分来源含水量、形成年代及其所处的环境密切相关。大连地区位于辽东半岛南部,属于海滨低丘陵的地形地貌,在大地构造上属于北北东向的胶辽台隆,西侧有下辽河-渤海新生代断陷盆地,南东海域属于北黄海晚新生代坳陷。区域内第四系地层分布比较广泛,但陆域隆起区发育程度较差,主要分布在丘间谷地、河谷两侧和沿海地带。该区域有自己独特的地层特点,覆盖土的一般厚度为5~24m。根据《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》(中华人民共和国住房和城乡建设部,2010),大连地区有一小部分工程场地覆盖层小于5m(剪切波速大于250m/8)和3m(剪切波速小于250m/8)场地类别都属于I类,但绝大部分工程场地类别属于Ⅱ类,还有一小部分覆盖层较厚的场地达到Ⅲ类,场地土对工程建设的地基稳定性和抗震设计的影响不容忽视。《工程场地地震安全性评价工作规范》(中国地震局,1994)中给出的各类土的动剪切模量比和阻尼比的规中国煤化工收稿日期]20110425作者简介]张小平,男,生于1953年,高级工程师,国家注册YHCNMHG从事地震安全性评价和地震监测预报工作。Emal:DLPXZ@163.com3期张小平等:大连地区场地土动力学参数初步研究范数据(本文简称94规范值)主要来源于20世纪80年代在大连地区地震小区划工作中采用的几种典型土类试验结果(孙静等,2004)。因此可以把94规范值作为80年代大连地区地震小区划的土动力学参数值。由于受当时实验条件等诸多因素的影响,在以后的实际应用时发现这些结果有不合理之处,且不具平均意义。故本文再次收集近年来大连地区地震安全性评价报告中的土动力学参数的实验资料并再次进行统计分析。然后选取一个典型钻孔,构建土层分析模型,做土层地震反应分析计算,同时将结果与94规范值和袁晓铭等(2000)的结果进行对比分析,并讨论了结果的合理性。本文所得结果对大连地区各类工程建设场地的地震安全性评价具有一定的参考价值。大连地区场地岩土动力学参数统计分析11数据收集本文收集了大连地区近年来具有完整土动力学参数实验数据的地震安全性评价报告,共47个钻孔中的各类岩土土样(表1)。这些钻孔主要分布在丘间谷地、河谷两侧和沿海地带,从西北起为长兴岛开发区,东北为普湾新区,费1各类岩土样本量统计西南为旅顺口区,东南是大连市老市区和金州新区,基本上覆盖了大连地区的主城区新区和开发岩土类别埋深(m)样本量回填土(图1)。大连地区的土层厚度大多集中在几米至十几米的范围内,表1中岩土土样的采样深度大粉质粘土部分集中在2~18m范围。这些土样送中国地震13-1611局工程力学研究所后得到实测的动三轴数据。根泥质粉质粘土7-12据土类岩性的不同,分为回填土、粉质粘土、淤泥粘土质粉质粘土、粘土、中砂、砂砾石和全风化板岩等10-1567类岩土(表1),其中粉质粘土、淤泥质粉质粘中砂10-15土、粘土和回填土占了绝大多数。由于密实砂、轻砂砾石砂、淤泥和粉土等土样数量太少,不足以统计出合理的岩土动力学参数,因此本研究暂将其舍去,不全风化板岩11-18总计94予考虑。2各类岩土的土动力学参数统计值同类土体的土动力学参数随深度和压力的变化而不同,但在本文统计出的各类土动力学参数却看不出这种变化,受深度的影响很小。这可能由于大连地区属滨海丘陵,绝大多数工程场地的土层厚度仅为几米至十几米,各种土层排序的规律性不强,土层的连续性也远不如北京、上海和沈阳等地。因此,我们认为在大连地区统计随深度变化的土动力学参数的意义不大,在本文统计中暂不区分各类土样的埋深。对上述7类岩土的动力学参数采用统计平均值。用选择标准差的方式避免被统计的数据样本过于离散,保证其集中性和统计结果的合理性。在统计过程中,分别舍弃动剪切模量比标和已标准差超过中国煤化工理性和离散性以粉质粘土为例给出了其样本(离散,、叫1HG合结果的合0.02的样本数据(表2),最后留下94组数据参与统CN282中国地震27卷旅顺☆★钻孔图1研究区的钻孔分布图衰27类岩土动剪切模量比和阻尼比的统计结果剪应变y(10-4)岩土类别标准差最大值参数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粉质粘土0.015A0.01130.01750.03720.05160.10020.12250.16140.1736淤泥质粉质粘土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.砂砾石A0.00770.01120.02710.03890.08020.10040.0.,0.054G4c-0.9980.98770.94160.89020.62590.46070.全风化板岩0.0140.01270.01760.03720.05040.09180.110.13760.143注:表中G4为剪切模量,G为最大剪切模量A为阻尼比,G4Gn为动剪切模量比,Y为剪应变。1,3统计结果的对比分析将以上的统计值与94规范值以及袁晓铭等(2000利用来自北京、上海等全国十几个地区的常规土类得出的推荐值(以下简称推荐值)进行比较(图3~6),从这些图中可以看出,本文统计的动剪切模量比和推荐值中的动剪切模量比相差甚小,特别是图3中的粉质粘土,本文统计的动剪切模量比曲线与推荐值曲线重叠在产平金燥相上院了大应变和小应变两点之外,94规范的动剪切模量比在其它应统计值和推荐值。除了淤泥质粉质粘94规范的阻尼比值在大应CNMHG推荐值以外,其它3种岩土的统计值与94规范值和推荐值中的阻尼比几乎都交织在一起,差别不大,没3期张小平等:大连地区场地土动力学参数初步研究2830粉质粘土020粉质粘土00样本值剪应变剪应变图2粉质粘土动剪切模量比与阻尼比的样本值和统计平均值粉质粘土粉质粘土0104本文统计值本文统计值袁晓铭推荐值94规范值袁晓铭推荐值剪应变剪应变图3粉质粘土统计值与94規范值和推荐值的比较淤泥质粉质粘土泥质粉质粘土04本文统计值A4规范值006本文统计值袁晓铭推荐值袁晓铭推荐值剪应变剪应变图4淤泥质粉质粘土统计值与94规范值和推荐值的比较有规律可循。尽管如此还是可以看出本文统计值证实了土动力学参数的区域性特点,一个区域不能简H中国煤化工区别的,这也CNMH值。284中国地27卷粘土粘土0.2荐值图5粘土统计值与94规范值和推荐值的比较0.0I2008本文统计值本文统计值袁晓铭推荐值剪应变剪应变y图6中砂统计值与94规范值和推荐值的比较2统计值的适用性分析选取实例钻孔构建土层反应计算模型,采用频域线性波动分析的一维等效线性化方法进行土层地震反应计算,在计算过程中分别采用本文统计值94规范值和推荐值等3种不同的岩土动力学参数,通过对计算结果的比较来进一步说明本文统计的岩土动力学参数的合理性和适用性。2.1钻孔模型、基岩输入地震动参数的选取和土层反应计算2.1.1钻孔模型和基岩输入地震动的选取选取的钻孔深度为15.1m,分析大连地区各工程场地的各种岩土分布和土层覆盖厚度的资料分析,发现类似于本钻孔情况占大多数,由此认为本钻孔有代表性,其揭示的覆盖层主要是回填土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土、中砂和砂砾石。表3给出了钻孔土层力学模型,图7给出了钻孔的柱状图和剪切波速图。根据《建筑抗震设计规范(GB500112010)(中华人民共和国住房和城乡建设部2010),本钻孔所代表的工程场地类别属于Ⅱ类。把研究区域地震危险性分析所得到的基岩加速度反应谱(图8)作为目标谱,按照50年超越概率分别为63%、10%和2%的3种情况,人工合成基岩加速时程作为基岩输入地震动计算地表土层地震反应。其中对每一种概率均中国煤化工离散步长为0.028,离散点数2048个,选用60个周期数值作为拟1CNMH与拟合谱之间相对误差要求小于5%。张小平等:大连地区场地土动力学参数初步研究衰3土层力学模型容重厚度(m)层底深度(m)剪切波速(m/)回填土淤泥质粉质粘土1.901.0淤泥质粉质粘土3.5淤泥质粉质粘土1.901.2粉质粘土1.951.0粉质粘土粉质粘土.958.2粘土粘土11.6中砂2.08砂砾石砂砾石2.11392基岩柱状图岩性措述剪切波遠图杂填土粉质粘土粉质粘土粘土1290砂砾石5.10基岩图7钻孔柱状图2.1.2土层反应计算输入人工合成地震动后,由各种岩土组合参与sYH中国煤化工结果如2.2中图9和图10中所画出的曲线所示。在同一种概率CNMHG输入计算后都得到相应的3条地表地震动反应谱曲线,图中的平均反应谱曲线是这3条地表地震动反应286中国地27卷50年超越概率2%50年超越概率10%50年超越概率63%图8不同概率水准的基岩加速度反应谱谱曲线的平均值。22土层反应计算的结果分析由于袁晓铭的推荐值中没有有关回填土和砂砾石的数据,如要同时比较本文统计值、94规范值和推荐值等3个模式,就应去掉回填土和砂砾石这两层岩土,只取在3个模式中都有的淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和中砂包括基岩共5种岩土动力学参数参与3个模式的土层反应分析计算,以下简称“3个模式5种岩土”。在此,我们把BA作为地震动加速度反应谱的平台值,B。为反应谱的放大系数,A为地震动峰值加速度。把代表此平台值的直线与反应谱曲线的右相交点的横坐标周期值作为反应谱特征周期T值(图9、10)。根据《中国地震动参数区划图》宣贯教材(胡聿贤等,2001),统计我国大量重大工程地震安全性评价工作的分析计算结果反应谱放大系数B的优势分布在25。本项研究中我们全部取Bn=2.5,只有这样才能用同一标准去衡量不同岩土动力学参数的地震动加速度反应谱特征周期T值的大小,从而对其结果做出比较科学的分析对比。表4为“3个模式5种岩土”不同动力学参数土层反应计算的峰值加速度和反应谱特征周期值,“3个模式5种岩土”不同岩土动力学参数的平均反应谱如图9所示。表4“3个模式5种岩土”动力学参数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()超越概率本文统计值94规范值推荐值本文统计值94规范值推荐值50年63%590.300.3350年10%0.3550年2%223如不考虑袁晓铭的推荐值仅把本文统计值和原大连所得的94规范值做全面比较会更有实际意义。采用在推荐值中没有,但在本文中国煤化工的回填土和砂砾石的动力学参数,再加以上5种岩土的动力学参CNMH(7种岩土动力学参数参与两个模式的土层反应计算,以下简称“2个模式7种岩土”。表5为“2个模式3期张小平等:大连地区场地土动力学参数初步研究7种岩土”不同动力学参数土层反应计算的峰值加速度和反应谱5“2个模式7种岩土”动力学参数取值下峰值加速度和特征周期特征周期值,“2个模式7种岩峰值加速度A(gal)特征周期值T(s)土”不同岩土动力学参数的平均超越概率本文统计值94规范值本文统计值94规范值反应谱如图10所示。50年63%0.380.38在“3个模式5种岩土”的情50年10%157况下(表4和图9),大超越概率50年2%2632090.420.77(63%,小震)时,由94规范值计算的地面峰值加速度A。略大于本文统计值和推荐值计算的Ax,由三者计算得到的反应谱差别不大。出现明显差别的是在小超越概率(中震和大震,10%和2%)时,由94规范值计算的地面峰值加速度A已明显小于本文统计值和推荐值的A由94规范值计算的反应谱更宽,其特征周期值T,都大于由本文统计值和推荐值得到的计算结果,最多的大出75%,达0.70s。还有一个非常明显的结果是由本文统计值和推荐值得出的反应谱几乎重叠在一起,说明本文统计值与推荐值的一致性很好。2个模式7种岩土”和“3个模式5种岩土”的情况类似(表5和图10),大超越概率时,由本文统计值和94规范值的计算结果区别不大,出现明显差别的同样是在小超越概率时,由本文统计值计算的地面峰值加速度A-已明显高于94规范值的A。最大时高出26%。使用%4规范值计算反应谐的特征周期值T。也明显大于由本文统计值得到的T值,最多的大出83%,达到0.77秒。在小超越概率时,由94规范值计算的反应谱的特征周期值T也总是远远高于根据《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》(中华人民共和国住房和城乡建设部,2010)所给出的相应类别工程场地特征周期值T的平均值,在抗震设计中使用这一参数会过于保守,不经济。同时,由94规范值计算的地面峰值加速度A。又明显小于本文统计值和推荐值的An在抗震设计中使用这一参数后会存在一些不安全因素。因此,由94规范值得到的这两个结果都是工程设计部门所难以接受的。3结论本文给出了大连地区的土动力学参数,选取该区典型的钻孔实例和构造模型,分别运用本文统计值、94规范值和袁晓铭等(2000)的推荐值进行了土层反应计算,结果表明:(1)本文的统计值和袁晓铭等(2000)的推荐值非常接近,计算得出的土层反应结果,其峰值加速度和特征周期值几乎一致,但和采用94规范值的计算结果相差很大。袁晓铭等(2000的推荐值可作为大连地区地震安全性评价工作中岩土动力学参数的参考值来使用。(2)由于上世纪80年代在大连地区地震小区划工作中采用的几种典型土类所用的试验仪器是自行研制的实验样机,软硬件都有不尽人意的地方,主要由这些结果所形成的94规范值在多年的实际应用过程中发现了许多不合不目右亚均章义(孙静等,2004)。这些年来在大连地区的地震安全性评价工中国煤化工直计算得到的地表反应谱总是出现“矮、粗、胖”的现象,对实际的CNMH本文的研究结果也充分证明了这一点。更重要的是,和全国其它地区相比,用近些年大连地区岩土动力学288中国地震27卷3个模式5种岩土2个模式7种岩土50年超越概率63%50年超越概率63本文统计值◆94规范值本文统计值▲袁晓铭推荐值94规范值3个模式5种岩土10002个模式7种岩土50年超越概率100年超越概率10%0本文统计值94规范值一本文统计值袁晓铭推荐值94规范值3个模式5种岩土2个模式5种岩土1000年超越概率2%50年超越概率2%一一一本文统计值图9不同岩土动力学参数的平均反应谱图10不同土动力参数的平均反应谱曲线(3个模式5种岩土)曲线(2个模式7种岩土)参数的统计结果(本文所作的工作)来证明上世纪80年代主要由大连地区地震小区划土动力学参数所形成的4规范值的不合理性,其说服力更强在△后的震安全性评价工作中,特别是在大连地区的地震安全性评价工作中动力学参数,不宜再采用94规范值,而应该以袁晓铭等(2000)的推CNMH参考。虽然本文的土动力学参数的统计样本数量有限,品种不全,但对大连地区各类工程建设张小平等:大连地区场地土动力学参数初步研究的场地地震安全性评价工作还是具有一定的借鉴作用的在得不到实测的岩土动力学参数情况下,可用本文的统计值作为参考。今后,随着大连地区重要工程地震安全性评价工作的不断开展,岩土样品更多,积累的各种岩土动力学参数的统计样本数量也会更多,届时,再进步做这方面的工作,将会得到更加令人满意的结果。参考文献胡幸贤高孟潭杜玮等2001《中国地震动参数区划图》宜贯教材,85-87,北京:中国标准出版社悦军、唐荣余、沙海军等,2003,渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究,防灾减灾工程学报,23(2),368-374。孙静、袁晓铭、孙锐等,2004,土动剪切模量和阻尼比的推荐值和规范值的合理性比较地震工程与工程振动,24(2)震晓铭孙锐、孙静等,2000,常规土类动剪切模量比和阻尼比试验研究地震工程与工程振动20(4),133-139中国地震局,1994,工程场地地震安全性评价工作规范(DB00194),北京:地震出版社。中华人民共和国住房和城乡建设部,2010,建筑抗震设计规范(GB00112010),北京:中国建筑工业出版社。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中国煤化工CNMHG