第27卷第5期2018年10月 自 然 灾 害 学 报JOURNAL OF NATURAL DISASTERSVol.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@ 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@ 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 siteWANG Luan 1,YUAN Jinyuan 2,WANG Yunlong 1,WANG Ke 1(1.Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration;Key Laboratory ofEarthquake 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 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⁃·31·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]。