基于软土场地实测记录的三种土层地震反应分析方法可靠性研

第27卷第5期2018年10月 自　然　灾　害　学　报JOURNAL OF NATURAL DISASTERS

Vol.27No.5Oct.2018 收稿日期:2018-01-18;　修回日期:2018-05-07

基金项目:国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(2016YFE0105500);中央级公益性研究所基本科研业务费专项(2016A02) Supported by :Key Special Project of National Key R&D Plan,International Scientific and Technological Innovation Cooperation(2016YFE0105500);Sci?entific Research Fund of Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration (2016A02) 作者简介:王鸾(1993-),女,博士研究生,主要从事土动力学和岩土地震工程研究.E?mail:1286290758@https://www.360docs.net/doc/542668363.html, 通讯作者:汪云龙(1985-),男,副研究员,主要从事岩土地震工程、土工测试及地质勘察等方面的研究.E?mail:Wyl_iem@https://www.360docs.net/doc/542668363.html, 文章编号:1004-4574(2018)05-0012-08DOI押10.13577/j.jnd.2018.0502

基于软土场地实测记录的三种土层地震反应

分析方法可靠性研究

王　鸾1,袁近远2,汪云龙1,王　克1

(1.中国地震局工程力学研究所,中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;2.香港中文大学工程学院,中国香港)

摘　要:软土场地地震反应计算分析方法是公认难题。以日本KiK?net 强震观测台网中所有软土场

地井下记录为样本,对传统等效线性化方法SHAKE2000、时域非线性方法DEEPSOIL 和频率一致等

效线性化方法SOILQUAKE 三者在软土场地地震反应分析计算中的可靠性进行对比检验。检验工况

包括KiK?net 井下台网中地表峰值加速度不小于0.05g 的所有水平软土场地的总计309台次的加速

度记录,涉及24个台站,土层厚度28m ~240m,地表峰值加速度范围0.050g ~0.580g。对比结果表

明:烈度6度和7度偏下(地表PGA 在0.12g 以下)的较弱地震动下,对三类、四类和巨厚场地,SOILQUAKE、SHAKE2000和DEEPSOIL 三个方法计算结果相差不大,与实际记录较为接近,皆可采

用;烈度7度中上以上(地表PGA 在0.12g 以上)的较强地震动下,无论是三类、四类和巨厚场地,DEEPSOIL 和SHAKE2000计算出的地表PGA 和反应谱较实际记录偏小,且随地震动强度增加差距

急剧增大,甚至小于井下输入,而SOILQUAKE 计算出结果与实际记录基本相当,可体现出软土场地

放大作用,也证明了频率一致等效线性化方法的有效性。

关键词:传统等效线性化方法SHAKE2000;时域非线性方法DEEPSOIL;频率一致等效线性化方法

SOILQUAKE;地震反应分析;软土场地中图分类号:TU4;X93 文献标志码:A Reliability comparison of three kinds of seismic response analysis methods for soil layers in soft soil site

WANG Luan 1,YUAN Jinyuan 2,WANG Yunlong 1,WANG Ke 1

(1.Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration;Key Laboratory of

Earthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration,Harbin 150080,China;2.Faculty of Engheering,The Chinese University of Hongkong,Hongkong China)Abstract :Seismic response analysis of soft soil site is a difficult problem in seismic response analysis of soil https://www.360docs.net/doc/542668363.html,ing the 309times records of underground seismic observation of Japanese KiK?net strong motion of network data?base,the three methods for calculating one?dimensional earthquake response analysis of soil layers in soft sites are verified.One of the methods is SOILQUAKE16recently developed and the others are SHAKE2000and DEEP?SOIL5.0used worldwide.The test conditions include seismic acceleration records of all soft soil sites with a surface peak acceleration of not less than 0.05g in the KiK?net network.The peak ground acceleration of these records be?

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第5期王　鸾,等:基于软土场地实测记录的三种土层地震反应分析方法可靠性研究

longing to24stations range from0.05g to0.580g.The results indicate that there are similar accuracies of the cal?culated values by the above three methods under weak ground motion and the calculated values are near to the measured values both in the peak ground acceleration and surface acceleration response spectra.In the moderate and strong ground motion,however,the calculated values by SHAKE2000and DEEPSOIL5.0are obviously lower than the measured values and the gap between the calculated ones and the measured ones increase with the increas?ing of ground motion intensity.By the contrast,the result of peakground acceleration and surface acceleration re?sponse spectra by SOILQUAKE16is close to the measured values,and can reflect the amplification effect of seismic ground motion in soft sites.

Key words:traditional equivalent linearization method SHAKE2000;time domain nonlinear method DEEPSOIL; frequency?consistent equivalent linearization method SOILQUAKE;earthquake response analysis;soft soil site

土层地震反应分析计算是地震小区划和工程场地地震安全性评价工作中的核心技术之一,其合理性和可靠性对工程结构地震安全性和工程造价影响很大[1-2],其中一维土层地震反应计算方法是最常用的方法。长期以来,最令研究人员和工程师困惑的是一维土层地震反应分析方法在软土场地上的可靠性和适用性问题,其原因是在进行一些实际场地地震反应分析计算时,现有方法在一些情况下所计算出的反应谱出现“矮粗胖”的不合理现象,无法体现土层对地震动的实际放大效应。关于一维土层地震反应分析方法可靠性和适用性的研究,目前虽有一些研究成果[3-4],但主要讨论的是硬场地和较小地震动工况,对于软土场地和强地震动下的情况还缺乏检验,提出能够反映软土场地实际放大作用的计算分析方法是国际公认难题[5-6]。

一维土层地震反应计算方法主要包括频域等效线性化和时域非线性两大计算方法。频域等效线性化目前国际先进水平的代表是SHAKE2000[3],由加州大学伯克利分校(EERC)的专家学者们研发的,它是一种按0.65倍最大剪应变求土体模量阻尼的等效线性化求解方法,可称为传统的等效线性化方法。采用时域非线性计算土层地震动方法较多,但都不成熟,目前最具权威性的一维土层地震反应时域非线性计算方法,由美国伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)的专家研发的DEEPSOIL[4]。我国土层地震反应计算目前所使用的主要程序是LSSRLI-1[7],为我国地震安全性评价工作作出了突出贡献,其原理和计算精度与SHAKE2000基本等同。另外,虽然有些学者认为时域非线性计算方法理论上优于频域等效线性化方法,但研究表明,对于时域非线性DEEPSOIL方法和频域等效线性化SHAKE2000方法,无论PGA(地表峰值加速度,下同)还是地表加速度反应谱的表现,前者都不比后者强,而二者在软土场地上均表现不佳,主要缺点是在中强地震动作用时体现不出土体应有的放大作用。

为克服SHAKE2000和DEEPSOIL在软土层严重低估场地放大效应的缺点,袁晓铭、李瑞山、孙锐指出了传统等效线性化方法及近期FDM改进方式的不足和错误,提出了频率一致等效线性化方法以及新一代土层地震反应分析程序SOILQUAKE16,该方法的基本原理具体的说明可参见文献[8,9]。其中对有限工况,完成了SOILQUAKE16初步对比检验,但未对更广泛的三类和四类这样的软土场地进行全面检验。

为全面掌握SOILQUAKE16、SHAKE2000和DEEPSOIL在软土场地地震动计算中的可靠性,本文依据日本国家地球科学与防灾研究所建立的KiK?net强震动观测网提供的数据[10],利用其中所有水平软土场地的地震记录,对这三种方法进行对比分析,旨在检验现有一维土层地震反应分析方法在软土场地上的适用性,供工程实践选用。

1　土层工况

按照我国《建筑抗震设计规范GB50011—2010》[11]对三类场地和四类场地界定为软土场地,在日本国家地球科学与防灾研究所所建立的KiK?net强震动观测台网(www.kyoshin.bosai.go.jp/)获取的井下台阵记录[10]中,取其全部符合该界定条件的场地进行分析,排除可能存在场地效应的台站(包括山上、山脚、盆地等),以此得到的计算场地基本信息如表1所示。场地总数24个,含三类场地19个,四类场地3个,四类场地中含覆盖土层厚度超过140m的巨厚场地2个。

KiK?net台阵拥有661个台站,此次符合条件参加计算的软土场地台站总数24个。从KiK?net公开提供的资料中可以得到台站剖面信息,包括剪切波速、压缩波速度剖面信息,和剖面土类信息等。

自　然　灾　害　学　报

第27卷表1　KiK?net 强震动观测网中的水平软土场地基本信息

Table 1　Basic information of the horizontal soft sites in the KiK?net strong motion observation network 台站编码

纬度/(°)经度/(°)井下/m 井上/m 孔口标高/m 覆盖土层厚度(m)灾s20/(m ·s -1)场地类别卓越周期/s ABSH1143.9144144.1913-824040122227.64Ⅲ1.34ABSH1243.8566144.4574-94.5252568223.48Ⅲ0.78AICH0434.9319137.0568-1050510200212.54Ⅲ2.11AICH0634.6158137.0419-2955570197.37Ⅲ0.97AOMH1340.5794141.4451-14088150139.83巨厚2.13CHBH0635.7215140.5046-1453535165203.39Ⅲ1.80FKSH1437.0264140.9702-1443552219.53Ⅲ0.82HYGH1034.8164134.8078-82181852207.14Ⅲ0.85IBRH2035.8284140.7323-916.835.75130229.09Ⅲ1.57IBUH0342.6486141.8641-143101013290.24Ⅳ2.26IKRH0243.2204141.6523-117109127111.50Ⅳ2.15KGWH0234.198133.7081-1955556161.36Ⅲ0.91KMMH1432.6345130.7521-40707088200.00Ⅲ0.97KSRH0443.2139144.6804-2103030240162.79Ⅲ2.56KSRH0743.1359144.3274-184383582160.31Ⅲ1.05KSRH0942.9856143.9841-73272571185.92Ⅲ0.89KYTH0535.6814135.0268-1455535110.00Ⅲ0.99NIGH0537.9759139.2788-138********.15Ⅲ1.77NMRH0343.5508144.9665-197.53029228169.23Ⅲ2.73NMRH0443.3978145.1224-1863029216142.86巨厚2.98NMRH0543.39144.8021-1289289160173.94Ⅲ1.94RMIH0244.8948141.9251-971010107141.79Ⅳ1.61TCGH1636.548140.0751-710510476172.84Ⅲ0.99TKCH0742.8114143.5203-91.28.8548121.88

Ⅲ1.13圆摇地震记录

在此次符合条件参加计算的软土场地24个台站中,选择地表峰值加速度不小于0.05g 的地震记录以满足六度及以上地震强度的计算要求。对有两个方向的地震动记录随机选取其中一个方向参加计算,则计算工况共有309台次,表2为台站选取的地震记录数目。这些工况的井下地震动峰值加速度范围为

0.003g ~0.244g,地表峰值加速度范围为0.050g ~0.580g。表2　选取的软土场地台站中地表PGA 分布

Table 2　PGA distribution of ground motion in the soft sites 台站编码

PGA /g 工况小计>0.20.2~0.10.1~0.05ABSH110011ABSH120044AICH040011AICH060134AOMH1313711CHBH060033FKSH142103547HYGH100011IBRH20221418IBUH030066IKRH020112KGWH021304KMMH142212245KSRH0408614KSRH07241319KSRH090257KYTH050101NIGH050088NMRH030358NMRH04131620NMRH0524814RMIH020022TCGH163103952TKCH07131317总计1779213309

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第5期王　鸾,等:基于软土场地实测记录的三种土层地震反应分析方法可靠性研究猿摇土的非线性参数

KiK?net 公开提供的资料中有土性描述,但没有提供场地土体材料的非线性参数。本文依据其土性[12]

描述,采用Darendeli [13]对土体非线性研究的理论来获取不同深度,不同土性的非线性曲线,组成精细化非线性曲线数据库,结果示于图1。以图1的数据库,完成每一土层土体动剪模量比和阻尼比非线性曲线的选取,不同层土采用不同的计算参数。文本选用Gardner 等[14]给出的土体密度和P 波波速之间的统计关系,即ρ=0.31V 0.25P ,P 波波速资料由KiK?net 公开提供,据此可得到不同土层的土密度信息。KiK?net 提供简单宽泛的土层划分,本文对原有土层进一步划分,划分的每一子层的厚度h ≤0.01V s 。由土层厚度和土密度可得到细分子土层随土体深度加深逐渐增大的平均主应力,对应到求取非线性曲线数据库分档的平均主应力。KiK?net 场地的土体剖面资料提供了土性信息,对应到求取非线性曲线数据库所需的不同档位的塑性指数。根据取得的每一子层的平均主应力和塑性指数,在非线性曲线数据库得到相应非线性曲线数组,作为该场地非线性输入

。

图1　不同土类尧不同埋深下土的动剪模量比和阻尼比非线性曲线

Fig.1　Nonlinear curve of dynamic shear modulusratio and damping ratio of different types soils in different depth

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自　然　灾　害　学　报第27卷4　计算结果及对比分析

4.1　地表峰值加速度对比

本文针对SOILQUAKE16、SHAKE2000和DEEPSOIL5.0对不同场地的场地反应结果对比。其中DEEP?SOIL 采用2012年5.0版的时域非线性程序,使用时该程序可自行按提供的土的动剪模量比和阻尼比进行转化计算。

依据本文采用的309台次KiK?net 实测井下地震动记录,3种程序计算得到的地表加速度峰值对比如图2。横坐标为实测地表峰值加速度,纵坐标为计算地表峰值加速度。斜率为1的直线代表计算地表峰值加速度与实测地表峰值加速度相同;红线为依据计算散点以Origin9.0程序进行回归,拟合得到的计算地表峰值加速度趋势线。计算点与斜率为1的直线的差距反映出计算地表峰值加速度与实测地表峰值加速度的偏差,计算的散点在此线之上,则比实测值大,计算的散点在此线之下,则比实测值小

。

图2　软土场地上3种程序计算出的地表峰值加速度对比

Fig.2　Results of three kinds of programs for calculating the peak ground acceleration by the three methods 由图2可见,DEEPSOIL5.0和SHAKE2000的趋势线随地震动强度增加,其增长趋势渐缓,在高强烈度区增长趋势几近停止。在较低烈度[15](6度,地表PGA 为0.04g ~0.09g)时虽有所起伏,但总体表现较好;在中等烈度(7度和8度,0.09g ~0.38g)下开始表现不佳,严重偏小;在高烈度(9度,0.38g ~0.75g)下,计算值偏小现象十分严重,土体放大效应表现不足。SOILQUAKE16的计算结果,随地震动强度增加呈直线形式变化,在低烈度到高烈度区均有较好表现,与实测结果吻合较好,克服了其他三者在中、高烈度下计算结果严重偏小的弱点,体现了土层对地震动的放大作用。4.2　地表加速度反应谱对比

在24个场地中,取3个典型剖面[10]如图3,分别代表了三类场地、四类场地和巨厚场地,以此作为3种方法计算地表加速度反应谱的对比剖面

。

图3　KiK?net 强震动观测网中的典型软土场地剖面Fig.3　Typical profiles of the soft sites in KiK?net

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第5期王　鸾,等:基于软土场地实测记录的三种土层地震反应分析方法可靠性研究对于强地震动(9度和8度,地表PGA 为0.19g ~0.75g)情况,就图3中3个场地,3种方法计算结果与实测反应谱对比如图4所示。如图所示,三类场地下,实测PGA 为0.346g,SOILQUAKE16、SHAKE2000、DEEPSOIL5.0在PGA 和反应谱上与实测结果差异性不同;DEEPSOIL5.0与实测结果相差最大,计算出的地表PGA 为0.160g,反应谱普遍小于实测;SHAKE2000与实测结果也相差较大,计算出的地表PGA 为0.207g,反应谱也普遍小于实测;SOILQUAKE16计算出的地表PGA 为0.392g,与实测结果相差较小,反应谱较接近实测。四类场地下,实测PGA 为0.580g,3种方法在PGA 和反应谱上与实测结果差异性为:DEEPSOIL5.0与实测结果相差最大,计算出的地表PGA 为0.169g,反应谱明显小于实测;SHAKE2000与实测结果相差也很大,计算出的地表PGA 为0.282g,反应谱也明显小于实测;SOILQUAKE16与实测结果较为接近,计算出的地表PGA 为0.703g,反应谱较接近实测。巨厚场地下,实测PGA 为0.425g,3种方法在PGA 和反应谱上与实测结果差异性为:DEEPSOIL5.0和SHAKE2000与实测结果均有显著差别,计算出的地表PGA 分别为0.115g 和0.160g,反应谱严重小于实测;SOILQUAKE16与实测结果较为接近,计算出的地表PGA 为0.437g,反应谱接近实测。特别需要指出的是,巨厚场地中井下输入峰值加速度为0.160g,而DEEPSOIL5.0和SHAKE2000计算出的地表PGA 分别为0.115g 和0.160g,没有超过井下输入峰值加速度,完全体现不出土层应有的放大作用

。

图4　强地震动下3种方法计算出的3种类型软场地地表加速度反应谱与实测结果的比较

Fig.4　Comparison of the surface acceleration response spectra for three types of soft sites betweenthe measured values and the calculated values by the three methods under strong ground

motion

图5　中强地震动下3种方法计算出3种类型软场地地表加速度反应谱与实测结果的比较

Fig.5　Comparison of the surface acceleration response spectra for three types of soft sites between the measured values and the calculated values by the three methods under moderate ground motion

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自　然　灾　害　学　报第27卷对于中强地震动(烈度七度,地表PGA 为0.09g ~0.19g)情况,SOILQUAKE16、SHAKE2000和DEEP?

SOIL5.0三种程序计算结果与实测反应谱的比较如图5所示。由图可见,三类场地下,三者计算结果相差不大,也与实测较为接近;四类和巨厚场地下,相比而言,SOILQUAKE16较DEEPSOIL5.0和SHAKE2000与实测反应谱更为接近,特别是在PGA 的表现上

。图6　较弱地震动下3种方法计算出的3种类型软场地地表加速度反应谱与实测结果的比较

Fig.6　Comparison of the surface acceleration response spectra for three types of soft sites between the measured values and the calculated values by the three methods under weak ground motion

对于较弱地震动(烈度6度,地表PGA 为0.04g ~0.09g)情况,SOILQUAKE16、SHAKE2000和DEEP?

SOIL5.0三种程序计算结果与实测反应谱的比较如图6所示。由图可见,无论哪种类别的软场地,3种方法结果精度相当,与实测反应谱均较为接近。缘摇结论

以KiK?net 强震动观测台网中所有软土场地地震记录为样本,对传统等效线性化方法SHAKE2000、时域非线性方法DEEPSOIL 和频率一致等效线性化方法SOILQUAKE,在软土场地地震反应分析计算中的可靠性进行对比检验,主要结论为:(1)烈度6度和7度偏下(地表PGA 在0.12g 以下)的较弱地震动下,无论对三类、四类和巨厚场地,SOILQUAKE、SHAKE2000和DEEPSOIL 三个方法计算结果相差不大,与实际记录较为接近,此时三种方法皆

可采用。(2)烈度7度中上以上(地表PGA 在0.12g 以上)的较强地震动下,无论对三类、四类和巨厚场地,DEEPSOIL5.0和SHAKE2000计算出的地表PGA 较实际记录偏小,且随地震动强度增加差距急剧增大,直至小于井下输入,反应谱与实测记录差距具有同样趋势。(3)烈度7度中上以上(地表PGA 在0.12g 以上)的较强地震动下,无论对三类、四类和巨厚场地,SOILQUAKE16计算出地表PGA 和反应谱均与实际记录基本相当,体现出了软土层的放大作用,证明了频率

一致等效线性化方法的有效性。参考文献院

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