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基于KiK-net强震动记录对不同土层条件下场地非线性反应的研究

陈永新  
【摘要】:地震动场地效应一直以来都是地震工程领域的研究热点,而强震动条件下土体非线性反应则是地震工程和岩土工程领域研究的难点。对于地震动场地效应的分析主要有两种方法:一是针对特定的场地,采用理论计算和数值模拟分析;另一种方法是根据不同场地上的强震记录资料分析地震动场地效应。近年来,随着强震动观测技术的发展,破坏性地震的强震动记录也越来越丰富,而基于强震动记录研究场地效应的数据源于现场观测,能够比较真实的反映场地的地震动特点,因而该方法越来越得到广泛应用。日本KiK-net地表和井下强震观测台阵为场地效应的研究提供了丰富的数据。本文基于KiK-net台网的强震动记录,系统分析了不同土层条件下近震与远震地震动反应的特点。首先根据两个基岩台站和两个土层台站强震记录,分析了地表土层对地震动特性的影响;其次选取了8个有代表性的台站的强震动记录,针对不同厚薄、不同软硬土层条件的场地,对比分析了PGA放大系数变化以及卓越频率分布特点;最后利用地表比井下傅里叶谱比(SBFSR, Surface to borehole fourier spectral ratio)法和地表水平比竖直傅里叶谱比(HVFSR, Horizontal to vertical fourier spectral ratio)法对不同土层条件场地反应进行非线性识别,分析了地震动输入和场地土层条件对场地反应非线性的影响以及两种谱比法的适用性。主要研究成果如下:(1)基于两个基岩台站和两个土层台站强震记录,分析了地表岩土层对地震动特性的影响,结果表明:无论基岩场地还是土层场地,井下记录各分量傅里叶谱卓越频率都随震级增大或距离增大而减小;基岩场地地表卓越频率大小及分布与井下基本一致;土层场地地表卓越频率大小及分布与井下明显不同,且对于地表土层条件不同的台站具体分布不同,表现出地表土层对地震动特性有明显影响及其影响的复杂性。(2)分析了不同厚薄、不同软硬场地上近震和远震中PGA放大系数的变化,结果表明:无论是近震还是远震,各场地PGA放大系数基本都随井下输入PGA的增大而减小。对于较软场地,近震中三个分量PGA放大系数基本相当,而远震中两个水平分量的PGA放大系数明显大于垂直分量PGA放大系数;对于厚硬和中厚硬场地,无论在近震或远震,两个水平分量的PGA放大系数都明显大于垂直分量。场地软硬对PGA放大系数的影响大于厚度影响,近震中厚硬场地PGA放大系数较大,远震中厚软场地PGA放大系数较大。场地深部剪切波速梯度较大的,场地PGA放大系数也较大。(3)对比分析了不同厚薄、不同软硬场地上近震和远震中井下记录卓越频率、地表记录卓越频率以及谱比卓越频率,结果表明:各场地近震井下记录三分量卓越频率分布比较分散,而远震井下记录三分量则分布比较集中;近震卓越频率由井下至地表由高频往低频移动,而远震井下至地表卓越频率由低频往高频频移动。较软场地上远震与近震的地表卓越频率比较接近,而较硬场地远震的卓越频率明显小于近震卓越频率。(4)利用不同土层条件场地上8个台站的强震记录,分别使用SBFSR法和HVFSR法对各台站所在场地在近震和远震中场地反应非线性进行了识别,分析了场地土层条件和地震动输入对非线性反应的影响。结果表明:软场地相对于硬场地非线性更明显,覆盖层较厚的场地相对于较薄场地非线性更明显;软场地在远震中即使井下输入地震动很小,根据谱比法仍能明显识别到场地非线性反应。井下输入PGA与场地反应非线性有直接关系,当井下输入PGA比较小时,由于场地反应非线性本来就小,SBFSR法和HVFSR法对于场地非线性识别都不理想,当井下输入PGA较大时,两种方法对于非线性识别都比较理想。(5)综合对比了两种谱比法在确定场地卓越频率以及识别场地反应非线性中的适用性。结果表明:对于基岩场地,两种谱比法得出的卓越频率与地表记录傅里叶谱卓越频率分布都很分散;对于土层场地,两种谱比法得出的卓越频率分布集中,SBFSR卓越频率比地表HVFSR卓越频率更合理。多数土层场地上通过两种谱比法得出的卓越频率与地表记录卓越频率数值比较接近,但HVFSR卓越频率普遍略小于SBFSR卓越频率,厚硬场地上两种谱比法的卓越频率差别较大,较软场地上两种谱比法所得卓越频率差别较小。对于场地反应非线性识别,SBFSR法普遍优于HVFSR法,HVFSR法对于识别频率往低频移动比较敏感,而谱比减小的识别则不如SBFSR法理想,此外,场地上H/V谱比明显小于S/B谱比,这是由于H/V忽略了垂直分量地震动的放大作用。


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