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场地条件对震害各参数的影响

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：魏虎林

[导读] 摘要：地震是一种非常复杂的自然现象，具有诸多的不确定性，经过长时间的摸索和研究，国内外学者对地震有了深刻认识，但仍无法有效的预报或抵御地震。

        青海岩土工程勘察咨询有限公司西宁 810012
        摘要：地震是一种非常复杂的自然现象，具有诸多的不确定性，经过长时间的摸索和研究，国内外学者对地震有了深刻认识，但仍无法有效的预报或抵御地震。目前，防震减灾的最有效措施是对工程结构进行抗震设计。在结构进行抗震设计时，必须确定合理的设计地震动，包括峰值加速度、反应谱、特征周期等。
        关键词：场地条件；震害参数；反应谱
        1 引言
        设计地震动的确定依赖于拟建工程在设计使用年限内，可能遭遇到的地震有多大和在可能发生的地震中在拟建场地的地震动有多大。前者取决于对地震的预报，后者反映了场地条件对地震动的影响。场地条件一般是指局部地质条件，如近地表几十米至几百米的土壤、岩石、地下水等工程地质情况、微地形以及有无断层破碎带通过等。国内外震害表明，场地条件是引起地表震害或地震动局部变化的主要因素[1-3]。
        场地条件对地震震害的影响早为人们所认识。1928年，美国学者Wood在分析1906年旧金山大地震的异常震害现象时，首先意识到场地条件对地震地面运动的重要影响。其后对每次地震的观察，都表明震害与场地条件有关。1967年委内瑞拉地震，加拉加斯高层建筑的破坏具有非常明显的地区性，主要集中在市内冲击层最厚的地方，而在基岩或薄的冲击层上的高层建筑几乎未遭到破坏。1976年唐山地震，位于10度区内的唐山陶瓷厂、唐山钢铁公司一带，由于地处大城山山脚附近，基岩埋藏浅，震害相对较轻，而唐山陶瓷厂附近一二百米地方的房屋普遍倒塌，与该厂附近严重倒塌的房屋相比，厂区烈度却小1~2度。1985年墨西哥地震，震中在太平洋中，按地震波衰减规律，到墨西哥城已经不强，本不应该有大震害，且地震波途径的地区震害也不严重，但却造成墨西哥城数十栋18~24层高层建筑倒塌。震后通过对记录到的弹性加速度反应谱的研究表明，反应谱最大的区域在1.6~3.2s之间，而这些倒塌房屋的第一振型周期恰好在这个范围，即发生了共振。并且在本次地震中，基岩加速度峰值在0.05~0.1g之间，而附近土层记录到的加速度峰值是基岩的1.5~4倍。此外，墨西哥在抗震设计中一直使用美国UBC规范的反应谱，但墨西哥城实际反应谱最大值是UBC规范反应谱最大值的2~5倍。之所以形成这样的反应谱，是因为墨西哥城坐落在高原湖泊的很厚沉积层上，土层的影响，使地震波在传播中发生了很大的变化。同样的例子还出现在1999年台湾集集地震中，台北市一部分地区位于较厚的软土层上，台北距震中距离已超过100KM，但是仍有一部分多层建筑倒塌。出现上述震害，除这些建筑本身存在设计薄弱环节和缺陷外，土层对地震动的放大效应是最重要的原因。在1975年辽宁海城地震余震时，中国地震局工程力学研究所流动工作队，在大石桥市蟠龙山山脚基岩表面及附近平整土层上记录到的地震加速度记录，两观测点间水平距离不到100m，土层上加速度峰值是山脚基岩表面加速度峰值的3倍左右，这说明不同场地条件对地震动的放大作用不同。
        2 场地土壤的影响
        2.1 场地土壤的影响
        场地条件一般指局部地质条件，如近地表几十米至几百米内的地基土壤、地下水位等工程地质情况、微地形以及有无断层破碎带通过等等。场地土壤对震害严重性产生的影响效果在场地条件中占首要地位，几乎每次重大地震灾害的现场中都可以发现场地土壤的影响事例。
        将场地土壤分为三类，坚硬岩石、一般土层、淤泥质或饱和粉细砂土层。对比发现，三类场地土的刚度和动力强度完全不同，其中，刚度越大，地震波的传播速度越快，土体的动力特性不同，在其中传播的地震波的动力特性也不同，进而影响到震害或地震强度。
        2.2 场地土壤对烈度的影响
        在地震案例中，地震烈度异常大多数是由特殊的土壤条件所引起。例如，基岩地基附近的地震烈度较低，软弱松散地基上的地震烈度偏高。默德韦杰夫（Medvedev）研究了地基土壤和地下水等场地条件对地震烈度的影响：
                （1）
        式中，v为地震波速，为土壤密度，h为地下水位埋深，常数 =0.5（砾石）或1.0（亚砂土，亚粘土和细砂土）。
        3 局部地形对地震烈度的影响
        在宏观震害调查中，多次发现在孤立突出的小山包、小山梁上的房屋震害相对较重。例如，通海地震发生在山区，整个村庄散布在山梁上，通过对比山梁下部区域的村庄震害，发现山梁位置与附近平地的村庄震害指数之间差距0.07-0.25。除此之外，在云南永善-大关地震的回龙湾异常区和邢台地震井阮异常区的北方岭事例同样证明上述结论。
        4 场地条件对反应谱的影响
        场地条件对地震动的影响不仅表现在地震动幅值（如天然地震波峰值加速度）方面，而且还表现在地震动的频谱特性上。研究发现，傅里叶谱、功率谱和反应谱是工程抗震界代表地震动频谱的特有方式。其中，反应谱通过单自由度体系的动力响应表示，故而更容易为工程师所接受。

薄景山[13]选用美国西部有场地剪切波速资料的235条强震记录，提取标准反应谱最大值，并按场地类别和地震动有效峰值加速度分组，计算同一分组内的反应谱最大值的平均值，如表1所示。
表 1 薄景山得出的标准化反应谱最大值

        分析表1的计算过程发现，该文献将有效峰值加速度定义为反应谱最大值除以2.5，即按照标准化反应谱最大值分组。对于选用两百多条地震波来讲，各类场地在同一分组区间的反应谱最大值不会有显著差别，其差别仅是各类场地在同一分组区间的地震记录数据的个数有可能不同，但这并不能导致反应谱最大值的显著变化。由此可知，同一等级地震动强度下，各类场地反应谱最大值的平均值没有显著差别。
        5 地震动的场地效应
        地震动的场地效应主要是指场地土对基岩峰值加速度的放大作用，以及场地条件对设计反应谱最大值的影响。目前，有关前一方面的研究成果相对较少，而后一方面的放大作用更加丰富。
        冯希杰等[11]通过对河北、河南、陕西等省近30个城市50余个工程场地的土层地震反应计算结果的统计分析发现，不同的场地条件、不同的地震动水平，其地面峰值加速度相对于基岩峰值加速度的放大倍数不一样。岩石类地基、碎石类的放大倍数较黄土地基、粘性土地基的放大倍数要稍大一些，同一类地基2%超越概率水平的放大倍数要比10%和63%两种超越概率水平的放大倍数要小一些。放大倍数变化在1.0～2.0之间，且多数在1.0～1.5之间。
        刘峥等[12]以美国西部地震观测数据资料为基础，分别建立了基岩和深冲积层场地的峰值加速度衰减规律，研究了深冲积层对基岩峰值加速度的放大作用。研究发现，对于相同的基岩峰值加速度，深冲积土层场地峰值加速度的放大倍数随相应震级及距离的变化而不相同。由较近、较小地震产生的基岩地震动，峰值加速度的放大作用较大。
        对比发现，在研究场地土对基岩峰值加速度的放大作用方面，冯希杰等是利用土层地震反应计算结果，刘峥等是利用峰值加速度的衰减规律，均不是利用基岩和地表的实际强震观测数据，其结论有待强震观测数据的检验。
        6 结论
        不同的场地条件可引起地震动反应谱不同周期段值的改变，如果结构的自振频率与场地放大周期段相近，那么可能会引起工程结构更严重的破坏，而一般建设工程抗震设防中反映场地条件影响的一个重要手段就是进行场地分类，相应的场地分类就是将地震动作用下具有相似场地条件的场地进行分类。因此，明确而合理的场地分类方法和指标，可为工程场地设计地震动确定和工程结果抗震设防提供重要依据。
        参考文献：
        [1]薄景山，崔庆生，吴兆营．2004．基于±层结构的场地分类方法．地震工程与工程振动，24（4）；46-49．
        [2]郭明珠，贾连军，铁瑞.2011．剪切波速测试方法的现状分析.西北地震学报：21-23．
        [3]郭晓云，薄景山，己文辉．2012．最小二乘法分段拟合标定反应谱法方炬世界地震工程，28（3）：29-33．