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地下地震动参数研究

胡进军  
【摘要】: 21世纪是人类开发利用地下空间的世纪,是解决越来越严重的土地紧缺、环境污染、交通拥塞、能源浪费等的战略方向。地下空间的开发利用,已成为世界性发展趋势和衡量城市现代化的重要标志。我国也对开发地下空间的可行性作了研究,并且认为“目前我国已经具备大规模开发城市地下空间的条件”。因此,了解地震动在地表下沿深度的变化规律,对于半埋或者是完全埋置于地下的结构物的抗震设计与抗震安全来说是十分必要的。本文通过对日本和美国的一批地表和地下地震动数据进行分析,对地震动参数沿深度的变化规律进行了初步研究,得到了一些较有意义的结论。 本文的研究对象及地震动数据包括:美国加州强震观测计划(CSMIP)的6个土工台阵(Geotechnical Array)的28个地震,包括NS、EW和UN三分量共429条地震加速度时程。以及日本宫城县北部Hosokura矿的24个地震动峰值加速度数据,包括192组加速度峰值,其中每组峰值包括两个水平分量和一个竖向分量。按照场地的软硬和土层分布将台阵分为三类:基岩场地、土层场地和上部为土层下部为基岩的“土层/基岩”场地。 本文主要从三方面来研究地震动沿深度变化的特性,即幅值、频谱和持时。根据本文中对地震动数据的分类,以下称M<4.5的地震为Ⅰ类较小地震,称4.5<M<6.0的地震为Ⅱ类较大地震,称M>6.0的地震为Ⅲ类强烈地震。 以往的研究多是从场地放大方面考虑的,没有系统地从地震动参数沿深度的变化来研究,因此也没有较明确的结论。本文通过全面系统地研究地震动三要素取得如下结论: (一)地震动幅值沿深度的变化规律 对于本研究的各台阵的地震可以归纳如下结论: 1.地震动峰值加速度(PGA): ①通过本文的峰值加速度比沿深度变化拟合曲线(图3.4、3.6)可以看出:无论基岩场地还是土层场地,加速度峰值一般随深度的增加而减小,且加速度峰值在浅层沿深度的下降梯度明显比深层大。 ②加速度峰值沿深度的变化与地震的大小和场地条件有关。对于土层场地,一般说来,随着震级和地表PGA的增大,加速度峰值沿深度的下降梯度减小。对于“土层/基岩”型场地,基岩面处的水平分量约是地表的1/3.7,竖向分量约是地表的1/3.2。 ③基岩场地峰值加速度下降梯度明显小于土层场地。 2.地震动峰值速度(P GV)和峰值位移(P GD): ①PGv和PGD沿深度的变化特点与PGA相似; ②只是PGV沿深度的下降梯度小于PGA,且PGD沿深度的变化 梯度小于PGV。 丈二。地震动频谱沿深度的变化规律 对于本研究的CSMIP的土层场地可以归纳如下结论: !.地震动反应谱沿深度变化的规律 (l)加速度反应谱(S、)沿深度的变化规律 ①一般,加速度反应谱(S。)随深度的增加而减小。震级较小时,不 同深度各测点的反应谱形状很相似,卓越周期基本一致;浅层处 反应谱沿深度的变化梯度较大;深层处反应谱大小比较接近;强 震时,反应谱形状在短周期有较小差别,长周期逐渐接近。震级 较大时,反应谱特点介于较小与强震之间。 ②标准反应谱(pa):地震较小时,不同深度各测点的标准反应谱大 小比较接近,个别地震在卓越周期附近,浅层测点的标准反应谱 峰值高出其它测点。强震时,在长周期段地下测点的标准反应谱 越来越接近或超过地表的标准反应谱。地震较大时,标准反应谱 特点介于较小与强震之间。 ③无论强震还是较小地震,反应谱沿深度下降梯度在浅层要比深层 大;地震较小时,各深度相对于最深测点的反应谱比形状基本相 似。较大地震和强震时,随周期增大各反应谱比逐渐接近于1。 ④另外对于“土层/基岩”型场地,基岩内上下两测点的反应谱和标 准反应谱的形状和大小十分接近。 (2)速度反应谱(S、)和位移反应谱(Sd)沿深度变化的规律 速度反应谱沿深度变化的特点与加速度反应谱基本相似;位移反 应谱沿深度变化的特点与加速度和速度反应谱有较小差别,即强震时 位移反应谱和标准位移反应谱沿深度的变化很小。 2.地震动傅立叶振幅谱沿深度的变化规律 (D随着深度的增大,傅氏谱振幅逐渐减小;越接近地表傅氏谱的频谱成 份越多,形状越复杂; ②傅氏谱振幅值在浅层沿深度的下降梯度较大,在深层下降较小; ③“土层/基岩”场地的基岩内_匕下两测点的地震动频谱沿深度几乎不 变,傅氏谱十分相似; 〔D基岩以上的土层测点,高于SHz的高频成分减少。 三)地震动持时沿深度的变化规律 摘要 本文研究了地震动的90%相对能量持时(Trifullac一Brady)得到如下结论: ①震级大小对于地震动持时沿深度的变化有一定影响,一般情况,震 级越大地表的地震动持时与地下相比越小。 ②强震下地震动相对能量持时随着深度的增加而增大,地表的地震动 持时约为深度10Om处的1/4。这说明在地下深处地震动的能量沿时间轴 分布比较均匀,而地表的地震动的能量沿时间轴的分布比较集中,还可 以认为地下深层地震动的强度变化相对平


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