1722 岩 土 力 学 215 年 frequency band lower than.2 Hz or higher than 2.5 Hz, the ground motion amplification characteristics are insignificant. (5) Ground

第 36 卷 第 6 期 岩 土 力 学 Vol.36 No. 6 215 年 6 月 Rock and Soil Mechanics Jun. 215 DOI:1.16285/j.rsm.215.6.26 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1, 陈 国 兴 2 1,, 金 丹 丹 2 1,, 朱 姣 2, 李 小 军 (1. 南 京 工 业 大 学 岩 土 工 程 研 究 所, 江 苏 南 京 219;2. 江 苏 省 土 木 工 程 防 震 技 术 研 究 中 心, 江 苏 南 京 219; 3. 中 国 地 震 局 地 球 物 理 研 究 所, 北 京 181) 3, 1 摘 要 : 针 对 基 岩 明 显 起 伏 土 层 非 均 匀 分 布 的 典 型 河 口 盆 地 场 地, 考 虑 土 体 非 线 性 特 征, 采 用 黏 弹 性 人 工 边 界 模 拟 无 限 域 对 地 震 波 动 的 影 响, 建 立 大 尺 度 精 细 化 二 维 有 限 元 模 型, 分 析 了 盆 地 地 表 地 震 动 幅 值 频 谱 持 时 传 递 函 数 特 征, 探 讨 了 基 岩 起 伏 土 层 的 地 震 动 聚 集 效 应 及 盆 地 边 缘 效 应 结 果 表 明 :(1) 盆 地 近 地 表 土 层 表 现 出 不 同 程 度 的 地 震 动 放 大 效 应, 且 随 土 层 深 度 增 加 呈 非 单 调 递 减 特 征, 基 岩 突 变 处 地 震 动 聚 集 效 应 明 显, 盆 地 两 侧 产 生 较 为 显 著 的 边 缘 效 应 ; 场 地 中 长 周 期 地 震 动 的 放 大 作 用 显 著 ;(2) 多 遇 地 震 偶 遇 地 震 和 罕 遇 地 震 水 平 时, 场 地 卓 越 周 期 依 次 介 于.35~.65 s.4~.75 s 和.5~ 1.5 s 之 间 ; 给 出 了 盆 地 地 表 PGA( 地 表 峰 值 加 速 度 ) 卓 越 周 期 均 值 等 值 线 图 及 地 表 加 速 度 反 应 谱 放 大 因 子 建 议 值, 地 表 设 计 地 震 动 参 数 a max ( 地 震 影 响 系 数 ) 与 T g ( 特 征 周 期 ) 明 显 大 于 现 行 建 筑 抗 震 设 计 规 范 取 值 ;(3) 盆 地 特 殊 位 置 地 表 地 震 动 持 时 得 到 不 同 幅 度 增 长, 且 与 输 入 地 震 动 特 性 相 关 ;(4) 该 盆 地 对.5~2. Hz 频 段 基 岩 地 震 动 的 放 大 效 应 比 较 显 著, 对 小 于.2 Hz 或 大 于 2.5 Hz 的 基 岩 地 震 动, 该 盆 地 地 震 动 放 大 效 应 不 明 显 ;(5) 福 州 城 区 及 其 邻 近 区 域 地 震 动 放 大 效 应 普 遍 较 大 大 尺 度 二 维 非 线 性 分 析 一 定 程 度 上 能 合 理 反 映 微 地 形 起 伏 土 层 分 布 及 土 体 非 线 性 对 地 震 波 传 播 过 程 的 影 响 关 键 词 : 河 口 盆 地 ; 非 线 性 地 震 效 应 ; 聚 集 效 应 ; 边 缘 效 应 ; 地 表 峰 值 加 速 度 ; 地 震 动 持 时 ; 设 计 地 震 动 参 数 中 图 分 类 号 :TU 475+1 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :17598 (215) 6172116 Nonlinear seismic response of estuarine basin and design parameters of ground motion CHEN Guoxing 1, 2,JIN Dandan 1, 2,ZHU Jiao 1, 2,LI Xiaojun 3, 1 (1. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing Tech. University, Nanjing, Jiangsu 219, China; 2. Civil Engineering & Earthquake Disaster Prevention Center of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 219, China; 3. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 181, China) Abstract: Based on the explicit FE method and parallel computing cluster platform of ABAQUS, a largescale refined twodimensional (2D) nonlinear FE model is developed in the time domain with considering the heterogeneity of ground soils, for a typical site on the estuarine basin with undulating bedrock and nonuniformly distributed soil layers. The artificial viscoelastic boundary condition is proposed for simulating the semiinfinite field, the main characteristics of basin surface ground motion are analyzed, including the motion amplitude, spectrum, duration and transfer functions, and the accumulation effect of ground motion and edge effect of basin are investigated. The results show that: (1) The amplification effect at different observation points on the basin ground surface is observed; and the peak ground acceleration(pga)of basin ground surface displays a nonmonotonic decrease with soil depth; the prominent accumulation effect is found to be at particular positions where the bedrock surface sharply undulates, and the pronounced edge effect is found to be on both sides of basin; the moderate and longperiod ground motions of the basin are significantly amplified compared to the shortperiod motions. (2) For the earthquakes with high, moderate and low occurrence probabilities, the predominant periods of the basin are.35.65 s,.4.75 s and.51.5 s, respectively;the mean value contours of the peak ground acceleration and site predominant periods of the basin are plotted, and the recommended values of the amplification factor of ground motion acceleration response spectra for different period intervals are given. The seismic effect coefficient a max and characteristic period T g of the design parameters of ground motion by this paper are significantly larger than those of the Chinese code for seismic design of buildings. (3) Ground motion durations at different points of basin ground surface extend over several orders, and the duration is also closely related to the bedrock motion characteristics. (4) Amplification effect and accumulating effect of the basin ground motion are more significant for the frequency band from.5 Hz to 2 Hz; while for the 收 稿 日 期 :21446 基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (No.211CB1361); 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (No.51378258); 国 家 自 然 科 学 青 年 基 金 项 目 (No.513892) 第 一 作 者 简 介 : 陈 国 兴, 男,1963 年 生, 博 士, 教 授, 主 要 从 事 土 动 力 学 与 岩 土 地 震 工 程 研 究 Email: gxchen@njut.edu.cn 通 讯 作 者 : 金 丹 丹, 女,1987 年 生, 博 士 研 究 生, 主 要 研 究 场 地 地 震 效 应 Email: jddnjut@163.com

1722 岩 土 力 学 215 年 frequency band lower than.2 Hz or higher than 2.5 Hz, the ground motion amplification characteristics are insignificant. (5) Ground motion amplification effects in Fuzhou city downtown area and its adjacent areas of the basin are generally larger, compared to other areas. It is indicated that the largescale twodimensional nonlinear FE model can describe the influence of micro topographic relief and nonuniformly distributed basin soil layers on seismic wave propagation. Keywords: estuarine basin; nonlinear site seismic effect; focusing effect; edge effect; peak ground acceleration; duration of ground motion; design parameters of ground motion. 1 引 言 场 地 条 件 对 震 害 具 有 显 著 的 影 响, 这 已 是 地 震 工 程 界 普 遍 接 受 的 事 实 大 量 震 害 调 查 及 理 论 研 究 表 明 : 地 形 地 貌 的 局 部 变 化 会 对 地 震 波 的 传 播 产 生 影 响, 使 得 地 震 动 空 间 分 布 特 征 呈 现 出 显 著 的 差 异 性 [16] 2 世 纪 发 生 的 若 干 次 破 坏 性 地 震, 使 地 震 工 作 者 们 更 加 意 识 到 场 地 条 件 在 工 程 抗 震 中 的 重 要 作 用 Wood 根 据 196 年 旧 金 山 大 地 震 的 震 害 分 布 资 料, 发 现 场 地 条 件 对 地 震 地 面 运 动 有 重 要 影 响 [7] 日 本 关 东 Ms8.2 级 地 震 (1923 年 ), 中 国 邢 台 Ms7.2 级 地 震 (1966 年 ) 唐 山 Ms7.8 级 地 震 (1976 年 ), 墨 西 哥 Ms8.1 级 地 震 (1985 年 ), 土 耳 其 Ms7.8 级 地 震 (1999 年 ) 和 中 国 台 湾 集 集 Ms7.6 级 地 震 (1999 年 ) 等 震 害 调 查 资 料, 几 乎 一 致 佐 证 了 Wood 的 观 点 我 国 从 196 年 开 始 研 究 场 地 条 件 对 场 地 地 震 动 效 应 的 影 响, 特 别 是 197 年 通 海 Ms7.7 级 地 震 以 后, 在 强 地 震 调 查 研 究 中 特 别 注 意 了 这 一 问 题 [8] 许 多 城 市 位 于 沉 积 盆 地 中, 场 地 条 件 复 杂 多 变, 近 年 来, 沉 积 盆 地 对 地 震 动 和 震 害 的 影 响 越 来 越 受 地 震 工 程 研 究 者 的 关 注 1985 年 墨 西 哥 Ms8.1 级 地 震 使 距 离 震 中 4 km 的 墨 西 哥 城 遭 受 严 重 破 坏 [9] 据 1985 年 9 月 3 日 发 布 的 政 府 公 告, 死 亡 5 5 人, 行 踪 不 明 3 5 人, 受 伤 者 3 人, 房 屋 破 坏 1 132 栋, 市 内 建 筑 物 倒 塌 和 严 重 破 坏 高 密 度 区 域 面 积 约 为 23 km 2, 墨 西 哥 城 11 个 地 铁 车 站 中 有 13 个 停 止 使 用 墨 西 哥 地 震 专 家 分 析 地 震 动 记 录 和 脉 动 记 录 得 到 [112] : 城 中 心 区 软 土 地 基 的 场 地 卓 越 周 期 为 2 s, 且 墨 西 哥 城 的 严 重 破 坏 主 要 是 由 于 2~3 s 的 水 平 地 震 动 大 幅 放 大 所 引 起, 这 表 明 水 平 地 震 波 在 盆 地 内 深 厚 松 软 土 层 传 播 过 程 中 发 生 多 次 反 射 和 折 射, 使 得 地 震 动 幅 值 和 持 续 时 间 大 幅 放 大, 建 筑 物 基 本 周 期 接 近 场 地 卓 越 周 期, 类 共 振 现 象 导 致 建 筑 物 的 严 重 震 害 墨 西 哥 城 这 一 奇 特 的 严 重 震 害 现 [1315] 象 有 力 地 推 动 了 盆 地 效 应 的 研 究 Stewart 等 研 究 表 明, 盆 地 中 结 构 性 软 土 使 其 具 有 特 殊 的 动 力 非 线 性 性 质, 显 著 放 大 了 长 周 期 地 震 动 及 延 长 了 软 [1617] 土 层 强 地 震 动 的 持 续 时 间 Semblat 等 研 究 表 明, 盆 地 下 伏 基 岩 面 碗 状 起 伏 的 几 何 形 状 把 地 震 波 聚 焦 在 盆 地 内 特 定 位 置, 盆 地 边 缘 产 生 的 面 波 或 衍 射 波 与 直 达 的 地 震 波 发 生 相 长 干 涉 而 使 地 震 动 放 [18] 大 Makraa 等 针 对 浅 滩 Volvi 盆 地, 采 用 有 限 差 [1921] 分 法 分 析 给 出 了 沉 积 谷 地 地 震 反 应 的 主 要 特 征 是 局 部 位 置 产 生 面 波 并 对 地 面 运 动 有 显 著 贡 献, 盆 地 内 横 向 不 均 匀 土 层 对 地 震 动 具 有 显 著 影 响 [22] Sun 等 分 析 得 出, 盆 地 几 何 形 状 及 其 特 殊 场 地 条 件 对 其 地 震 动 反 应 有 重 要 影 响, 沉 积 土 层 显 著 放 大 了 从 基 岩 传 播 到 地 表 的 剪 切 波, 地 表 峰 值 加 速 度 放 大 系 数 达 2.5~5 倍, 邻 近 盆 地 边 缘 的 地 表 峰 值 加 速 度 比 盆 地 中 央 的 地 表 峰 值 加 速 度 大, 且 盆 地 边 缘 产 生 及 汇 集 面 波 使 地 震 动 持 续 时 间 被 延 长 目 前, 关 于 大 尺 度 盆 地 地 震 效 应 的 精 细 化 非 线 性 数 值 分 析 仍 鲜 有 报 道 考 虑 土 层 呈 水 平 层 状 分 布 平 坦 场 地 时, 简 化 为 一 维 波 动 问 题, 其 分 析 结 果 可 以 满 足 工 程 抗 震 设 计 的 需 要, 但 在 地 形 地 貌 和 基 岩 面 起 伏 较 大, 覆 盖 土 层 不 均 匀 的 情 况, 简 化 的 一 维 波 动 模 型 的 分 析 结 果 与 实 际 场 地 的 地 震 反 应 存 在 较 大 的 差 异, 对 于 盆 地 河 谷 等 地 形 起 伏 剧 烈 的 复 杂 场 地, 有 必 要 采 取 二 维 甚 至 三 维 分 析 方 法, 考 虑 地 形 地 貌 差 异 及 土 体 非 线 性 对 场 地 地 震 效 应 的 影 响 2 盆 地 工 程 地 质 条 件 福 州 盆 地 位 于 福 建 省 东 部 沿 海 闽 江 下 游, 介 于 东 经 118 8'~12 31' 和 北 纬 25 15'~26 29' 之 间, 距 入 海 口 约 3 km, 属 新 生 代 盆 地 在 新 生 代 的 断 陷 盆 地 和 海 湾 中, 堆 积 了 较 厚 的 晚 更 新 世 以 来 的 冲 积 洪 积 冲 积 海 积 层, 地 貌 属 典 型 的 河 口 盆 地 盆 地 内 主 要 为 闽 江 下 游 的 冲 积 平 原, 也 有 起 伏 不 平 的 低 山 丘 陵 点 缀, 见 图 1 基 于 区 域 探 测 资 料 及 钻 孔 分 布 图, 主 要 选 取 了 井 字 形 分 布 的 纵 横 向 4 个 剖 面 为 研 究 对 象, 总 长 度 达 1 km, 跨 越 整 个 盆 地 图 2 3 为 福 州 盆 地 北 西 南 东 和 北 东 南 西 方 向 的 地 质 剖 面 图 II 和 IIIIII 剖 面 福 州 盆 地 沉 积 物 种 类 繁 多, 结 构 复 杂, 覆 盖 土 层 厚 度 一 般 为 2~4 m, 最 深 达 7~9 m 盆 地 内 土 层 大 致 是 一 松 二 软, 属 较 典 型 的 沿 海 软 土 地 基 土 层 地 层 结 构 如 下 :1 下 部 : 主 要 为 泥 质 砂 砾 卵

第 6 期 陈 国 兴 等 : 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1723 ( 碎 ) 石 和 含 砾 黏 性 土, 总 厚 度 为 2~3 m, 由 于 闽 江 古 河 道 多 次 变 迁 作 用, 泥 质 砂 砾 卵 ( 碎 ) 石 和 含 砾 黏 性 土 的 岩 性 结 构 在 横 纵 向 变 化 甚 大 ;2 中 部 : 主 要 是 粗 中 砂 中 细 砂 淤 泥 质 土 和 黏 性 土 等, 厚 度 为 3~35 m; 粗 中 砂 中 细 砂 中 常 夹 有 厚 度 不 一 的 软 土 层, 因 海 侵 作 用, 厚 度 变 化 较 大 ;3 上 部 : 主 要 为 海 侵 淤 积 的 淤 泥 泥 质 细 砂 等, 厚 度 为 2~ 3 m 分 上 下 两 段, 上 段 除 地 表 人 工 杂 填 土 外, 大 部 分 沉 积 为 2 m 左 右 黏 土 层, 下 段 是 高 压 缩 性 软 弱 淤 泥 层 ; 基 底 以 花 岗 岩 为 主, 该 岩 体 经 长 期 物 理 和 化 学 风 化 作 用 后 残 留 于 原 地, 为 花 岗 岩 风 化 残 积 土 花 岗 岩 风 化 残 积 土 在 福 州 市 区 广 泛 分 布, 厚 度 可 由 几 米 至 几 十 米 [23] 图 4 为 典 型 钻 孔 土 层 分 布 及 剪 切 波 速 特 征 总 体 而 言, 福 州 盆 地 内 埋 藏 地 层 沉 积 始 于 晚 更 新 世 中 期 ( 约 56.5 ka BP), 由 一 套 砾 石 砂 黏 土 淤 泥 组 成 ; 盆 地 内 发 育 3 层 淤 泥, 第 1 2 层 淤 泥 发 育 于 全 新 世 中 晚 期 (1.44~7.86 ka BP), 为 长 乐 海 侵 产 物, 第 3 层 淤 泥 发 育 于 晚 更 新 世 晚 期 (44~2 ka BP), 为 福 州 海 侵 产 物 [24] 我 国 位 于 不 同 规 模 盆 地 的 城 市 众 多, 深 入 研 究 福 州 盆 地 非 线 性 地 震 效 应, 有 利 于 了 解 以 福 州 盆 地 为 代 表 的 河 口 盆 地 地 震 反 应 特 征, 这 对 于 河 口 盆 地 城 市 国 土 利 用 规 划 城 乡 规 划 防 灾 减 灾 规 划 等 具 有 重 要 意 义 笔 架 山 I III II 闽 江 福 州 盆 地 鼓 山 东 海 福 州 盆 地 IV 旗 山 方 山 III IV I II 图 1 福 州 盆 地 地 貌 及 选 取 的 计 算 剖 面 Fig.1 Topography and section locations of Fuzhou basin 135 m zk71 zk78 zk64 zk58 zk38 zk41 17.62 18.96 19.32 19.26 2.46 21.2 zk96 zk83 zk84 zk48 18.3 2.94 16.7 21.12 19.8 zk92 21. zk3 16.56 S1 S2 S3 S4 A 注 : 编 号 含 义,A 代 表 钻 孔 号,B 代 表 地 震 动 持 时, 单 位 s B zk16 18.84 zk25 16.68 zk55 21.96 S1 填 土 S2 黏 性 土 S3 砂 土 砾 石 S4 花 岗 岩 c22 16.38 19.69 km 图 2 福 州 盆 地 剖 面 II 土 层 分 布 特 征 及 偶 遇 地 震 时 地 表 地 震 动 持 时 Fig.2 Geological profile II of Fuzhou basin and ground motion duration under moderrateoccurrence probability earthquake c3 16.94 zk32 17.5 13 m zk4 18.32 zk1 18.1 zk71 17.56 18.34 zk46 16.59 zk51 19.68 zk93 21.2 zk73 19.23 zk8 19.62 S1 S2 S3 S4 A 注 : 编 号 含 义,A 代 表 钻 孔 号,B 代 表 地 震 动 持 时, 单 位 s B zk89 18.69 zk12 2.65 zk37 18.76 zk52 17.67 zk39 2.45 T2 18.51 S1 填 土 S2 黏 性 土 S3 砂 土 砾 石 S4 花 岗 岩 2.66 km 图 3 福 州 盆 地 剖 面 IIIIII 土 层 分 布 特 征 及 偶 遇 地 震 时 地 表 地 震 动 持 时 Fig.3 Geological profile IIIIII of Fuzhou basin and ground motion duration under moderateoccurrence probability earthquake

1724 岩 土 力 学 215 年 Vs/(m/s) Vs/(m/s) ZK 59 杂 填 土 1 2 3 4 5 6 C24 杂 填 土 1 2 3 4 5 6 7 8 淤 泥 粉 质 黏 土 淤 泥 质 土 卵 石 粉 质 黏 土 中 砂 圆 砾 全 风 化 深 度 /m 1 2 3 4 中 砂 B淤 泥 质 土 深 度 /m 1 2 3 强 风 化 55.7 m 5 (a) 钻 孔 ZK59 44. m 强 风 化 4 中 风 化 (b) 钻 孔 C24 图 4 典 型 钻 孔 的 土 层 剪 切 波 速 分 布 图 Fig.4 Shear wave velocity profiles of typical boreholes 基 于 福 州 盆 地 124 个 钻 孔 的 实 测 波 速 资 料, 分 析 各 类 土 的 剪 切 波 速, 福 州 盆 地 各 类 土 剪 切 波 速 随 深 度 的 变 化 特 征 如 图 5 所 示 土 层 等 效 剪 切 波 速 按 建 筑 抗 震 设 计 规 范 [25] 中 的 方 法 计 算, 福 州 盆 地 等 效 剪 切 波 速 等 值 线 图 如 6 所 示 从 图 5 6 可 以 直 观 地 了 解 福 州 盆 地 土 层 剪 切 波 速 的 空 间 分 布 规 律 基 于 上 述 等 效 剪 切 波 速 及 覆 盖 层 厚 度 信 息, 福 州 盆 地 的 场 地 类 别 分 区 如 图 7 所 示 3 盆 地 土 体 的 非 线 性 动 力 特 性 循 环 荷 载 作 用 下 土 体 应 力 应 变 关 系 表 现 出 非 线 性 滞 后 性 和 变 形 累 积 性 3 方 面 的 特 征 合 理 描 述 土 体 动 力 本 构 是 正 确 分 析 场 地 地 震 效 应 的 重 要 基 础 采 用 修 正 的 MairtinSeedDavidenkov 黏 弹 性 动 力 模 型 模 拟 土 体 特 性 修 正 后 的 土 体 动 应 力 应 变 关 系 滞 回 曲 线 如 图 8 所 示 剪 切 波 速 Vs/(m/s) 1 2 3 4 剪 切 波 速 Vs/(m/s) 1 2 3 4 1 1 土 层 深 度 H/m 2 3 4 土 层 深 度 H/m 2 3 5 4 6 1 (a) 淤 泥 质 土 剪 切 波 速 Vs/(m/s) 1 2 3 4 5 1 (b) 粉 质 黏 土 剪 切 波 速 Vs/(m/s) 1 2 3 4 5 土 层 深 度 H/m 2 3 4 土 层 深 /m 2 3 /m 4 5 5 6 (c) 细 砂 6 (d) 中 粗 砂 图 5 福 州 盆 地 各 类 土 剪 切 波 速 与 土 层 深 度 拟 合 曲 线 Fig.5 Fitting curves of shear wave velocities at different depths on Fuzhou basin

第 6 期 陈 国 兴 等 : 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1725 26 3 N 26 4 N 26 5 N 26 6 N 图 6 福 州 盆 地 等 效 剪 切 波 速 等 值 线 分 布 图 Fig.6 Equivalent Swave velocity contour map of Fuzhou basin 26 N 26 4 N 26 8 N 福 州 大 学 金 山 中 学 119 16 E Fig.7 福 州 总 院 省 教 委 2 15 1 15 1 1 国 发 广 场 15 2 1 15 省 地 震 局 协 和 医 院 图 7 福 州 盆 地 场 地 类 别 分 区 图 Site characteristic map of Fuzhou basin 5 中 亭 街 1 福 马 路 闽 江 大 桥 119 17 E 119 18 E 119 19 E zk17 新 店 坂 中 等 效 剪 切 波 速 Ⅱ zk22 zk9 浦 口 大 桥 zk44 省 地 震 局 1 zk58 zk4 福 州 总 院 鳝 溪 琼 河 福 州 大 学 zk54 吉 祥 大 厦 zk35 zk3 zk52 洋 里 鳌 峰 大 桥 金 山 中 学 zk39 zk25 zk13 浦 上 台 屿 村 Ⅲ 会 展 中 心 图 例 zk14 zk15 二 类 场 地 Ⅱ 东 兴 村 黄 山 螺 洲 码 头 三 类 场 地 zk18 119 14 E 119 18 E 119 22 E 4 35 3 25 2 15 1 5 其 中 H 1 2B 2 B A (2) 式 中 :A B 为 与 土 性 有 关 的 拟 合 参 数 ; 为 土 体 剪 应 变 土 体 实 际 的 动 应 力 应 变 关 系 曲 线 应 有 : 当, ( 剪 应 力 上 限 值 ), 而 式 (3) (4) ult 描 述 的 骨 架 曲 线 为 当,, 这 与 土 体 动 应 力 应 变 关 系 曲 线 的 基 本 特 征 不 相 符 各 类 土 都 应 存 在 某 一 剪 应 变 上 限 值 ult, 当 土 体 的 剪 应 变 幅 值 超 过 该 上 限 值 ult 时, 土 体 将 处 于 破 坏 状 态 ; 当 剪 应 变 幅 值 进 一 步 增 加 时, 土 体 内 的 剪 应 力 不 再 增 加, 甚 至 有 减 小 的 趋 势 陈 国 兴 等 [27] 采 用 分 段 函 数 法 描 述 土 体 的 骨 架 曲 线, 将 Davidenkov 模 型 的 骨 架 曲 线 修 正 为 Gmax 1 H c ult Gmax ult 1 H ult c ult (3) ult Gmax ult 1 H ult (4) 基 于 ABAQUS 软 件 的 VUMAT 接 口, 利 用 Fortran 语 言 嵌 入 本 构 子 程 序 代 码, 即 可 调 用 该 本 构 程 序, 实 现 用 户 自 定 义 材 料 [28] 盆 地 土 层 分 布 自 地 表 到 基 岩 有 : 填 土 黏 土 淤 泥 质 粉 质 黏 土 粉 质 黏 土 细 砂 中 粗 砂 砾 石 等 基 于 福 州 盆 地 现 场 钻 探 资 料, 及 对 现 场 取 样 进 行 动 力 特 性 试 验, 盆 地 各 类 土 模 量 比 G/G max 阻 尼 比 λ 与 剪 应 变 幅 值 γ 的 关 系 曲 线 如 图 9 所 示 1. 24 H ult A O A I B C J D u c G/Gmax.8.6.4.2 淤 泥 质 黏 土 黏 土 淤 泥 粉 质 黏 土 中 砂 强 风 化 花 岗 岩 杂 填 土 2 16 12 8 4 λ/% 图 8 修 正 Davidenkov 模 型 描 述 的 土 体 应 力 应 变 滞 回 曲 线 Fig.8 Cycle shear stressstrain hysteretic curves in modified Davidenkov model 可 表 示 为 G F E Martin 和 Seed [26] 提 出 的 Davidenkov 骨 架 曲 线 G Gmax 1 H (1). 1 4 1 3 1 2 1 1 1 图 9 福 州 盆 地 各 类 土 模 量 比 G/G max 阻 尼 比 λ 与 剪 应 变 幅 值 γ 的 关 系 曲 线 Fig.9 G/G max and damping ratio λ versus shear strain amplitude γ for soils on Fuzhou basin 4 地 震 动 输 入 剪 应 变 /% 以 弹 性 均 匀 基 岩 与 非 均 匀 土 层 的 交 界 面 作 为 地 震 动 输 入 界 面, 且 将 从 基 岩 面 输 入 的 地 震 动 视 为 竖

1726 岩 土 力 学 215 年 直 向 上 传 播 的 S 波 依 据 福 州 盆 地 钻 探 资 料, 将 剪 切 波 速 大 于 5 m/s 的 风 化 岩 石 层 作 为 地 震 动 输 入 界 面 依 据 福 州 盆 地 地 震 危 险 性 分 析 结 果, 人 工 合 成 具 有 不 同 频 谱 特 性 的 相 应 于 5 a 超 越 概 率 63%( 多 遇 地 震,5 cm/s 2 ) 1%( 偶 遇 地 震,1 cm/s 2 ) 和 2%( 罕 遇 地 震,15 cm/s 2 ) 抗 震 设 防 水 平 的 地 震 波 各 6 条 (w1~w6), 作 为 基 岩 输 入 地 震 动, 图 1 11 给 出 了 相 应 于 偶 遇 地 震 的 6 条 地 震 波 的 加 速 度 时 程 曲 线 和 功 率 谱 另 外, 选 取 低 频 成 分 丰 富 的 近 场 地 震 动 Kobe 波 (1995 年 日 本 Ms7.2 级 Kobe 地 震, KJMA 台 站 记 录, 震 中 距 18.27 km) 对 福 州 盆 地 剖 面 进 行 场 地 地 震 效 应 分 析, 其 加 速 度 时 程 及 功 率 谱 如 图 12 所 示, 其 输 入 地 震 动 能 量 与 福 州 人 工 波 大 致 相 当 加 速 度 /g 加 速 度 /g 加 速 度 /g.1.6.2.2.6.1 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (a) w1.12.8.6..4.8.12 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (c) w3.1.6.2.2.6.1 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (e) w5 Fig.1 加 速 度 /g 加 速 度 /g 加 速 度 /g.1.6.2.2.6.1 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (b)w2.1.6.2.2.6.1 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (d) w4.12.8.6..4.8.12 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (f) w6 图 1 福 州 盆 地 人 工 波 w1~w6 加 速 度 时 程 图 Acceleration time histories of artificial bedrock motion w1 to w6 on Fuzhou basin 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ) 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ) 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ).16.12.8.4.16.12.8.4.. 2.5 5... 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. (a) w1.2.16.12.8.4..2.16.12.8.4. 2 4 6. 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. (c) w3.24.2.16.12.8.4..24.16.8.. (e) w5 2.5 5.. 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ).2.16.12.8.4.16.12.8.4.. 2.5 5... 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. (b)w2.3.24.24.18.18.12.12.6..6. 2.5 5. 7.5.. 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. (d) w4.15.12.12.9.9.6.3.6..3. 2.5 5... 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ) 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ) (f) w6 图 11 福 州 人 工 波 w1~w6 的 功 率 谱

第 6 期 陈 国 兴 等 : 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1727 加 速 度 /g.1.6.2.2.6 Fig.11 Power spectra of artificial bedrock motion w1 to w6 for Fuzhou basin.2.2.16.16.12.12.8.8.4.4. 1 2 3 4.1 5 1 15 2 25 3 时 间 /s (a) 加 速 度 时 程 功 率 谱 值 /(m 2 /s 3 ).. 2.5 5. 7.5 1. 12.5 15. 17.5 2. (b) 功 率 谱 Fig.12 图 12 Kobe 波 加 速 度 时 程 及 功 率 谱 Acceleration time histories and power spectra of the Kobe seismic record 5 人 工 边 界 条 件 及 单 元 类 型 5.1 人 工 边 界 的 设 置 无 限 地 基 的 模 拟 是 场 地 地 震 效 应 分 析 模 型 的 核 心 问 题 之 一, 截 取 地 基 范 围 过 大, 将 导 致 过 多 的 存 储 空 间 和 计 算 时 间, 而 截 取 地 基 范 围 过 小, 散 射 波 在 人 工 边 界 的 反 射 将 导 致 计 算 结 果 存 在 较 大 误 差 依 据 福 州 盆 地 二 维 剖 面 具 体 特 点, 采 用 二 维 黏 弹 性 人 工 边 界, 在 剖 面 的 两 侧 加 入 水 平 成 层 介 质 区, 人 工 边 界 设 置 在 该 成 层 介 质 区 两 侧, 在 计 算 区 域 两 侧 添 加 竖 向 约 束 水 平 向 施 加 黏 性 阻 尼 器 和 弹 簧, 如 图 13 所 示 该 人 工 边 界 克 服 了 黏 性 边 界 的 低 频 失 稳 问 题, 能 够 模 拟 远 域 地 基 的 弹 性 恢 复 性 能, 具 有 良 好 的 低 频 和 高 频 稳 定 性 [29] 图 13 人 工 边 界 黏 性 阻 尼 器 和 弹 簧 元 件 Fig.13 Viscous damper and spring element of artificial boundary 二 维 黏 弹 性 人 工 边 界 等 效 物 理 系 统 的 弹 簧 系 数 K B 和 阻 尼 系 数 C B 按 下 式 计 算 [29] : G KB N, CB Cp (5) R 式 中 :R 为 波 源 至 人 工 边 界 点 的 距 离 ;C p 为 纵 波 波 速 ;G 为 介 质 剪 切 模 量 ;ρ 为 介 质 质 量 密 度 ;α N 为 法 向 黏 弹 性 人 工 边 界 参 数 在 ABAQUS 软 件 中 设 置 黏 弹 性 人 工 边 界, 其 显 式 和 隐 式 算 法 均 能 较 好 地 模 拟 半 无 限 地 基 的 辐 射 阻 尼 [3] a 位 移 u b 5.2 单 元 类 型 网 格 划 分 时 考 虑 了 截 止 频 率 所 对 应 的 波 长 沿 土 层 深 度 的 变 化, 竖 向 网 格 最 大 尺 寸 h max 取 截 止 频 率 对 应 波 长 的 1/8~1/1, 按 下 式 计 算 : V V 1 f 8 s s hmax (6) max fmax 式 中 :V s 为 土 层 剪 切 波 速 ; f max 为 截 止 频 率 截 止 频 率 f max 取 为 2 Hz, 据 此, 竖 向 单 元 尺 寸 为 1~1.2 m 依 据 土 层 横 向 不 均 匀 性, 横 向 单 元 尺 寸 为 3~5 m 为 保 证 计 算 精 度 且 尽 可 能 减 少 计 算 时 间, 采 用 以 四 边 形 单 元 为 主 视 地 形 特 征 辅 助 部 分 三 角 形 单 元 的 有 限 元 网 格 6 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 特 征 与 分 析 基 于 显 式 有 限 元 和 并 行 算 法 [3], 数 值 模 拟 盆 地 的 非 线 性 地 震 效 应 特 征, 采 用 ABAQUS /Explicit 的 中 心 差 分 法 对 运 动 方 程 进 行 显 式 的 时 间 积 分, 运 动 方 程 解 的 表 达 式 为 ( ) 1 ( ) ( ) u i M ( F i I i ) (7) 式 中 : M 为 集 中 质 量 矩 阵 ; F 为 施 加 的 外 荷 载 向 量 ; I 为 单 元 内 力 向 量 6.1 地 表 峰 值 加 速 度 分 布 特 征 图 14(a)~14(d) 显 示 了 多 遇 地 震 偶 遇 地 震 罕 遇 地 震 下 剖 面 II 及 偶 遇 地 震 下 剖 面 IIIIII 的 地 表 峰 值 加 速 度 PGA 放 大 系 数 PGA 表 现 出 不 同 程 度 的 放 大 效 应, 且 局 部 位 置 处 放 大 程 度 尤 为 明 显 基 岩 面 坳 陷 区 域 对 应 的 PGA 明 显 比 其 附 近 的 PGA 值 大, 如 图 14 中 zk58 zk41 处 由 于 该 盆 地 为 典 型 的 新 生 代 断 陷 盆 地, 毗 邻 海 湾, 存 在 明 显 的 隆 起 区 域 与 坳 陷 区 域, 盆 地 在 隆 起 与 坳 陷 区 域 的 土 层 剪 切 波 速 和 深 度 的 变 化 梯 度 较 大, 在 地 震 波 传 播 过 程 中 发 生 面 波 汇 集, 聚 焦 在 盆 地 基 岩 面 急 剧 起 伏 位 置 而 使 PGA 放 大 效 应 明 显, 且 这 种 聚 集 效 应 也 体 现 在 随 深 度 方 向 [3132]

1728 岩 土 力 学 215 年 (a) 多 遇 地 震 情 况 ( 剖 面 II) w1 (b) 偶 遇 地 震 情 况 ( 剖 面 II) (c) 罕 遇 地 震 情 况 ( 剖 面 II) (d) 偶 遇 地 震 情 况 ( 剖 面 IIIIII) 图 14 不 同 输 入 工 况 下 各 钻 孔 处 地 表 PGA 放 大 系 数 Fig.14 PGA amplification factors of surfaces at different borehole locations under different bedrock motions 图 15 为 剖 面 II IIIIII 地 震 动 峰 值 加 速 度 随 深 度 PGA 放 大 系 数 PGA 放 大 系 数 PGA 放 大 系 数 PGA 放 大 系 数 及 水 平 方 向 的 空 间 分 布 特 征 ( 以 PGA 放 大 系 数 表 示 ) 由 图 可 以 发 现 :1 图 15(a) 中 虚 线 框 对 应 的 位 置 为 基 岩 明 显 坳 陷 区 域, 其 地 震 动 PGA 表 现 出 随 深 度 增 加 而 非 单 调 递 减 的 特 征, 地 表 以 下 某 一 局 部 深 度 处 峰 值 加 速 度 显 著 增 大, 这 表 明 了 地 震 动 在 深 度 方 向 存 在 聚 集 效 应, 图 15(a) 中 地 表 以 下 约 5 m 图 15(d) 中 地 表 以 下 约 1 m 处 均 表 现 出 了 聚 集 效 应 图 16 也 表 明 在 基 岩 坳 陷 区 的 地 表 以 下 约 5 m 处 存 在 地 震 动 PGA 显 著 放 大 的 现 象 这 可 能 是 基 岩 坳 陷 的 形 状 汇 集 了 地 震 动 能 量, 地 震 波 在 非 均 匀 土 层 间 传 播 时 不 断 地 反 射 与 折 射, 发 生 波 的 相 长 干 涉 作 用, 使 得 地 震 动 聚 集 到 某 一 深 度 处 2 盆 地 地 势 及 基 岩 平 缓 处, 地 震 动 聚 集 效 应 不 明 显, 且 随 着 深 度 增 加, 地 震 动 PGA 大 致 呈 单 调 递 减 特 征 3 盆 地 边 缘 区 域 的 地 震 动 PGA 较 平 缓 区 域 的 地 震 动 PGA 更 大, 如 实 线 框 对 应 的 钻 孔 及 zk32, 其 地 表 及 随 深 度 方 向 的 地 震 动 PGA 均 表 现 出 相 对 较 大 地 震 体 波 沿 盆 地 边 缘 进 入 时, 盆 地 的 边 缘 产 生 了 面 波 或 衍 射 波 与 直 达 的 地 震 波 发 生 相 互 作 用, 并 导 致 地 震 波 的 相 长 干 涉, 从 而 使 地 震 波 像 水 纹 波 一 样 在 盆 地 中 反 复 反 射, 使 得 地 震 动 被 放 大 4 从 地 形 影 响 的 角 度 而 言, 剖 面 IIIIII 的 地 震 动 PGA 随 深 度 的 变 化 规 律 与 剖 面 II 的 类 似, 即 盆 地 坳 陷 区 域 对 应 的 PGA 放 大 效 应 明 显, 且 随 深 度 非 单 调 递 减 变 化 ; 总 体 而 言, 由 于 剖 面 IIIIII 的 软 土 分 布 更 为 广 泛, 如 zk46 与 zk37 zk52 与 zk39 之 间, 均 有 广 泛 软 黏 性 土 分 布, 从 而 使 剖 面 IIIIII 表 现 出 更 为 明 显 的 地 震 动 放 大 效 应, 其 PGA 放 大 系 数 比 剖 面 II 的 更 大 6.2 地 表 地 震 动 频 谱 特 征 图 17 为 盆 地 不 同 观 测 点 水 平 向 加 速 度 反 应 谱 ( 阻 尼 比 ζ = 5%) 随 土 层 深 度 的 变 化 盆 地 水 平 加 速 度 反 应 谱 双 峰 及 多 峰 现 象 明 显, 第 1 峰 值 出 现 在 周 期.5 s 左 右, 第 2 峰 值 可 能 出 现 在 周 期.8~1.5 s 附 近 近 地 表 土 层 对 不 同 周 期 地 震 波 具 有 选 择 性 放 大 作 用, 接 近 土 层 固 有 周 期 的 地 震 波 频 率 分 量 的 幅 值 显 著 放 大, 从 而 使 地 震 波 频 谱 显 得 非 常 发 育 在 盆 地 土 层 分 布 较 均 匀 位 置 ( 见 图 17(a) 17(d)), 水 平 向 加 速 度 在 周 期.5~1. s 表 现 出 明 显 的 放 大 现 象, 而 在 基 岩 坳 陷 或 隆 起 区 域 ( 见 图 17(b) 17(c) 17(e) 17(f)) 的 地 表 加 速 度 反 应 谱 谱 形 加 宽, 谱 峰 向 长 周 期 方 向 移 动, 相 应 的 场 地 卓 越 周 期 增 大, 其 增 幅 达.5~1. s 同 时, 图 17 也 表 明 地 震 动 在 深 度 方 向 存 在 聚 集 效 应

第6期 陈国兴等 河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数 2.2 1.7 1.2.7 5 1 15 2 25 3 zk78 zk96 zk64 zk83 zk58 zk84 zk38 zk48 zk41 1729 zk92 zk3 zk16 zk25 zk55 zk3 zk16 zk25 zk55 zk3 zk16 zk25 zk55 zk12 zk37 zk52 zk39 zk12 zk37 zk52 zk39 钻孔号 (a) 小震情况(剖面II 深度与水平方向比例1 5) 2.9 1.5 1.1.7 5 1 15 2 25 3 zk78 zk96 zk64 zk83 zk58 zk84 zk38 zk48 zk41 zk92 钻孔号 (b) 中震情况(剖面II 深度与水平方向比例1 5) 1.8 1.2.6 5 1 15 2 25 3 zk78 zk96 zk64 zk83 zk58 zk84 zk38 zk48 zk41 zk92 钻孔号 (c) 大震情况(剖面II 深度与水平方向比例1 5) 2. 1.6 1.2.8 5 1 15 2 25 3 zk32 zk4 zk1 zk71 zk46 zk51 zk93 zk73 zk8 zk89 钻孔号 (d) 小震情况(剖面IIIIII 深度与水平方向比例1 5) 1.9 1.5 1.1.7 5 1 15 2 25 3 zk32 zk4 zk1 zk71 zk46 zk51 zk93 zk73 zk8 zk89 钻孔号 (e) 中震情况(剖面IIIIII 深度与水平方向比例1 5) 1.8 1.4 1..6 5 1 15 2 25 3 zk32 zk4 zk1 zk71 zk46 zk51 zk93 zk73 zk8 zk89 zk12 zk37 zk52 钻孔号 (f) 大震情况(剖面IIIIII 深度与水平方向比例1 5) 图15 盆地剖面II IIIIII的地震动峰值加速度空间分布特征 视角 遵循近大远小的透视规则 Fig.15 Spatial distribution features of PGA for the sections II and IIIIII of basin ( view from distant to near ) zk39

岩 173 土 2. 1.8 2.2 1.6 215 年 1.8 2. 2.2 2.4 1.6 zk58 zk41 5 zk58 zk41 2.2 2.4 1 深度/m 深度/m 2. zk58 zk41 5 1 15 1.8 5 1 深度/m 学 1.6 力 15 15 2 2 2 25 25 25 3 3 3 (a) w1 (b) w2 (c) w3 3 24 18 12 6 1 2 3 4 5 11 1 1 2 1 1 1 周期/s 1 周期/s (a) w1作用下zk3处加速度反应谱随深度变化 36 加速度反应谱/(cm/s) 54 48 42 36 3 24 18 12 6 (b) w1作用下zk58处加速度反应谱随深度变化 3 24 18 12 6 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 1 1 1 1 2 11 1 1 1 周期/s 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 1 周期/s (e) w2作用下zk58处加速度反应谱随深度变化 (d) w2作用下zk3处加速度反应谱随深度变化 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 加速度反应谱/(cm/s) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 11 周期/s (c) w1作用下zk83处加速度反应谱随深度变化 1 2 加速度反应谱/(cm/s) 1 1 1 2 1 1 1 加速度反应谱/(cm/s) 1 2 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 1 加速度反应谱/(cm/s) 36 加速度反应谱/(cm/s) 图16 多遇地震时PGA放大系数随着土层深度的变化 剖面II Fig.16 Variations of PGA amplification factors with soil depth in section II under highoccurrence probability earthquake 11 周期/s (f) w2作用下zk83处加速度反应谱随深度变化 图17 多遇地震时加速度反应谱随土层深度的变化情况 Fig.17 Variations of acceleration response spectra with soil depth under highoccurrence probability earthquake

第 6 期 陈 国 兴 等 : 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1731 为 了 详 细 了 解 盆 地 的 地 震 动 放 大 效 应 机 制, 采 用 传 递 函 数 的 概 念, 进 一 步 探 讨 场 地 条 件 对 地 震 动 的 影 响 加 速 度 传 递 函 数 定 义 为 地 表 加 速 度 的 傅 里 叶 谱 与 基 岩 加 速 度 的 傅 里 叶 谱 之 比, 亦 即 地 震 波 由 基 岩 传 播 到 地 表 时 单 频 谐 波 幅 值 的 放 大 倍 数 由 图 18 可 知, 基 岩 坳 陷 或 隆 起 区 ( 见 图 18(b) 18(c)) 的 地 表 加 速 度 传 递 函 数 幅 值 较 之 基 岩 平 缓 区 域 的 ( 见 图 18(a)) 的 更 大, 且 图 18(b) 18(c) 相 比 图 18(a) 而 言, 地 表 地 震 动 的 低 频 放 大 效 应 更 加 明 显 高 频 地 震 波 输 出 傅 立 叶 谱 / 输 入 傅 立 叶 谱 输 出 傅 立 叶 谱 / 输 入 傅 立 叶 谱 输 出 傅 立 叶 谱 / 输 入 傅 立 叶 谱 3. 2.5 2. 1.5 1..5. 4.5 4. 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1..5 (a) zk3 (b) zk58 (c) zk83 w1 w2 Kobe 5 1 15 2. 5 1 15 2 4. 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1..5. w1 w2 Kobe w1 w2 Kobe 5 1 15 2 图 18 多 遇 地 震 时 地 表 加 速 度 传 递 函 数 Fig.18 Ground motion acceleration transfer function under highoccurrence probability earthquake 在 基 岩 坳 陷 或 隆 起 及 不 均 匀 土 层 的 复 杂 条 件 中 传 播 时, 出 现 了 严 重 散 射 现 象, 无 明 显 的 放 大 现 象 总 体 上, 该 盆 地 在 特 定 频 段 (.5~2. Hz) 的 地 震 动 放 大 效 应 与 聚 集 效 应 比 较 明 显, 为 地 震 波 传 播 的 敏 感 频 带 ; 频 率 小 于.2 Hz 或 大 于 2.5 Hz 时, 盆 地 的 地 震 动 放 大 效 应 不 显 著 由 图 18 可 知, 近 场 地 震 动 Kobe 波 作 用 下, 该 盆 地 地 表 的 加 速 度 传 递 函 值 明 显 小 于 福 州 人 工 波 作 用 下 的 加 速 度 传 递 函 值, 而 6 条 福 州 人 工 波 作 用 下 的 地 表 加 速 度 传 递 函 值 程 度 较 为 接 近 ( 图 18 中 仅 给 出 波 1 和 波 2 的 情 况, 其 他 情 况 也 类 似 ), 且 加 速 度 传 递 函 数 值 的 差 异 性 随 着 频 率 的 增 大 越 显 突 出 这 表 明, 该 盆 地 的 地 表 加 速 度 传 递 函 值 与 基 岩 地 震 动 的 频 谱 特 性 密 切 相 关 6.3 地 表 设 计 地 震 动 反 应 谱 场 地 设 计 地 震 动 参 数 主 要 表 征 为 水 平 向 地 表 地 震 动 峰 值 加 速 度 a max 加 速 度 地 震 影 响 系 数 最 大 值 α amx 特 征 周 期 T g 和 反 应 谱 曲 线 下 降 系 数 r 依 据 中 国 地 震 动 参 数 区 划 图 ( 报 批 稿,212) [33], 场 地 设 计 地 震 动 加 速 度 规 准 反 应 谱 表 达 式 为 或 者 S T a T (8) a ( ) max ( ) S ( T ) a (9) g g a max ( T ) ( T ) 1 1( max 1) T T.1 s ( T ) max.1s T T max ( Tg T ) r Tg T Ts g (1) 式 中 : a max 为 设 计 地 震 动 地 表 峰 值 加 速 度 ; Sa( T ) ( T) 和 ( T) 分 别 为 设 计 地 震 动 加 速 度 反 应 谱 地 震 影 响 系 数 谱 和 放 大 系 数 谱 ;g 为 重 力 加 速 度 ;T 为 周 期 (s);t g r 和 T s 分 别 为 规 准 化 谱 的 特 征 周 期 谱 曲 线 的 下 降 系 数 和 谱 曲 线 的 截 止 周 期, 其 中 r 宜 不 大 于 1., 此 处 取 值 1.,T s 宜 不 大 于 6. s, 此 处 取 值 6. s;β max 为 放 大 系 数 的 最 大 值 该 盆 地 分 为 II 类 及 III 类 场 地, 图 19 分 别 给 出 了 II 类 III 类 场 地 相 应 于 地 表 峰 值 加 速 度 a max 均 值 的 地 表 地 震 动 谱 加 速 度 S a 曲 线 及 相 应 的 均 值 曲 线 图 2 给 出 了 福 州 盆 地 的 地 表 地 震 动 地 震 影 响 系 数 曲 线, 设 计 地 震 动 参 数 的 取 值 如 表 1 所 示 可 以 发 现, 场 地 特 征 周 期 T g 随 地 震 动 水 平 的 提 高 而 增 大, 且 III 类 场 地 的 T g 值 明 显 比 II 类 场 地 的 T g 值 大, 二 维 非 线 性 分 析 给 出 的 福 州 盆 地 地 表 设 计 地 震 动 参 数 α max 和 T g 值 远 大 于 现 行 建 筑 抗 震 设 计 规 范 的 取

1732 岩 土 力 学 215 年 值, 亦 即 该 规 范 给 出 的 福 州 盆 地 抗 震 设 防 地 震 动 水 平 明 显 偏 于 不 安 全 因 此, 对 类 似 福 州 盆 地 的 复 杂 非 均 匀 场 地, 采 用 二 维 非 线 性 地 震 效 应 分 析 方 法 给 出 的 设 计 地 震 动 参 数 更 为 合 理 表 1 场 地 设 计 地 震 动 参 数 ( 阻 尼 比 为 5%) Table 1 Design parameters of ground motion response spectrum on Fuzhou basin(damping ratio of 5%) 基 岩 输 入 II 类 场 地 III 类 场 地 地 震 动 水 平 T g /s β max r κ α max T g /s β max r κ α max 多 遇 地 震.55 2.5 1..7 4.176.8 2.5 1..88 6.222 偶 遇 地 震.6 2.5 1..159 8.4.9 2.5 1..173 6.434 罕 遇 地 震.65 2.5 1..28.52.95 2.4 1..227 2.545 注 : 建 筑 抗 震 设 计 规 范 中 规 定 II 类 与 III 类 场 地 的 特 征 周 期 值 分 别 为.4.55 s( 罕 遇 地 震 时, 特 征 周 期 增 加.5 s) 1 1 1 1 S(a)/amax 均 值 1 S(a)/amax 均 值 1 1 1 地 表 地 震 动 反 应 谱 均 值 曲 线 设 计 地 震 动 规 准 反 应 谱 1 1 地 表 地 震 动 反 应 谱 均 值 曲 线 设 计 地 震 动 规 准 反 应 谱 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 周 期 /s 周 期 /s (a) II 类 场 地 ( 多 遇 地 震 ) (b) II 类 场 地 ( 偶 遇 地 震 ) 1 1 1 1 S(a)/amax 均 值 1 S(a)/amax 均 值 1 1 1 地 表 地 震 动 反 应 谱 均 值 曲 线 设 计 地 震 动 规 准 反 应 谱 1 1 地 表 地 震 动 反 应 谱 均 值 曲 线 设 计 地 震 动 规 准 反 应 谱 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 周 期 /s 周 期 /s (c) II 类 场 地 ( 罕 遇 地 震 ) (d) III 类 场 地 ( 多 遇 地 震 ) 1 1 1 1 S(a)/amax 均 值 1 S(a)/amax 均 值 1 1 1 地 表 地 震 动 反 应 谱 均 值 曲 线 设 计 地 震 动 规 准 反 应 谱 1 1 地 表 地 震 动 反 应 谱 均 值 曲 线 设 计 地 震 动 规 准 反 应 谱 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 周 期 /s 周 期 /s (e) III 类 场 地 ( 偶 遇 地 震 ) (f) III 类 场 地 ( 罕 遇 地 震 ) 图 19 福 州 盆 地 地 表 地 震 动 谱 加 速 度 ( 阻 尼 比 5%) Fig.19 Acceleration response spectra of surface ground motion of the basin (damping ratio of 5%)

第 6 期 陈 国 兴 等 : 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1733 1 1 偶 遇 地 震 罕 遇 地 震 偶 遇 地 震 罕 遇 地 震 1 1 多 遇 地 震 1 1 多 遇 地 震 α 1 2 本 文 α max=.52 规 范 α max=.5 本 文 α max=.4 规 范 α max=.23 本 文 α max=.18 规 范 α max=.8 α 1 2 本 文 α max=.55 规 范 α max=.5 本 文 α max=.43 规 范 α max=.23 本 文 α max=.22 规 范 α max=.8 1 2 1 1 1 1 1 周 期 /s 1 2 1 1 1 1 1 周 期 /s (a) II 类 场 地 (b) III 类 场 地 图 2 本 文 与 规 范 的 水 平 地 震 影 响 系 数 曲 线 比 较 ( 阻 尼 比 5%) Fig.2 Design ground motion horizontal seismic influence coefficient curves for 2D results in the paper vs. the specified curves of the Chinese code for seismic design of buildings(damping ratio of 5%) 6.4 地 表 PGA 及 卓 越 周 期 等 值 线 图 PGA 等 值 线 图 主 要 以 井 字 形 分 布 的 剖 面 II 至 剖 面 IVIV 的 二 维 非 线 性 分 析 结 果 为 依 据 ; 另 外, 为 提 高 样 本 数 据 的 覆 盖 范 围, 将 位 于 井 字 形 剖 面 中 间 区 域 的 3 个 钻 孔 进 行 补 充 分 析, 该 3 个 钻 孔 位 置 对 应 的 场 地 相 对 平 坦, 土 层 横 向 分 布 较 为 均 匀, 采 用 国 际 通 用 软 件 Proshake 进 行 场 地 地 震 反 应 分 析 结 果 图 21~23 分 别 为 多 遇 地 震 偶 遇 地 震 罕 遇 地 震 水 平 下 福 州 盆 地 的 PGA 均 值 等 值 线 图 多 遇 地 震 水 平 下,PGA 均 值 的 最 大 值 达 11~125 cm/s 2,PGA 放 大 系 数 范 围 介 于 1.4~2.5; 偶 遇 地 震 水 平 下,PGA 均 值 的 最 大 值 达 18~2 cm/s 2,PGA 放 大 系 数 范 围 介 于 1.3~2.; 罕 遇 地 震 水 平 下,PGA 均 值 的 最 大 值 达 25~3 cm/s 2,PGA 放 大 系 数 范 围 介 于 1.1~2. 由 此 可 知, 随 着 基 岩 地 震 动 强 度 的 增 大,PGA 放 大 系 数 减 小 因 此, 福 州 盆 地 的 地 表 地 震 动 放 大 效 应 普 遍 较 大 26 2 N 26 6 N zk27 新 店 9 9 zk22 8 1 浦 口 大 桥 国 发 广 场 8 8 zk4 zk1 11 鳝 溪 福 州 大 学 9 8 zk8 11 9 11 西 洋 新 村 1 zk1 12 11 9 zk16 zk52 中 亭 街 PGA/(cm/s PGA: 2 鳌 峰 屿 ) 金 山 中 学 7~8 9 8~9 zk34 9~1 9 zk55 1~11 zk14 白 湖 亭 魁 岐 特 大 桥 11~125 东 兴 村 119 14 E 119 18 E 119 22 E 图 21 多 遇 地 震 时 福 州 盆 地 PGA 均 值 等 值 线 图 Fig.21 Contour map of PGA average for Fuzhou basin under highoccurrence probability earthquake 26 2 N 26 6 N zk27 新 店 14 16 zk22 国 发 广 场 16 14 zk1 浦 口 大 桥 zk4 鳝 溪 zk8 福 州 大 学 西 洋 新 村 zk1 zk52 zk16 PGA/(cm/s 2 ) 中 亭 街 PGA 16 金 山 中 学 鳌 峰 屿 13~15 15~16 16~17 zk34 zk55 白 湖 亭 17~18 18 魁 岐 特 大 桥 zk14 18~19 东 兴 村 16 119 14 E 119 18 E 119 22 E 图 22 偶 遇 地 震 时 福 州 盆 地 PGA 均 值 等 值 线 图 Fig.22 Contour map of PGA average for Fuzhou basin under moderateoccurrence probability earthquake 26 2 N 26 6 N 24 zk22 浦 口 大 桥 22 2 zk27 新 店 国 发 广 场 26 22 zk4 24 福 州 大 学 zk8 22 西 洋 新 村 24 zk1 24 zk52 中 亭 街 PGA/(cm/s 2 ) 金 山 中 学 175~2 2~22 22 zk13 22~23 23 台 屿 村 18 23~25 25 2 25~3 zk14 东 兴 村 zk1 2 鳝 溪 图 23 罕 遇 地 震 时 福 州 盆 地 PGA 均 值 等 值 线 图 Fig.23 Contour map of PGA average for Fuzhou basin Fuzhou basin under lowoccurrence probability earthquake 地 震 波 在 不 均 匀 岩 土 介 质 中 传 播 时, 地 震 波 会 在 不 同 介 质 的 界 面 发 生 多 次 反 射 现 象, 某 一 周 期 的 22 zk16 22 鳌 峰 屿 zk55 2 22 魁 岐 特 大 桥 119 14 E 119 18 E 119 22 E

1734 岩 土 力 学 215 年 地 震 波 的 强 度 得 到 增 强 图 24~26 为 福 州 盆 地 的 卓 26 2 N 26 6 N zk27.4 新 店.45.5.65 zk22.5.6 浦 口 大 桥 国 发 广 场.45.4.55.45 zk1.4.55 鳝 溪 zk4 zk8 福 州 大 学 西 洋 新 村.55.55.4 zk1 zk16 zk52.45 中 亭 街 卓 越 周 期 /s 鳌 峰 屿 金 山 中 学.35~.4.45.5.4~.45 39.45~.5 zk34 zk55.5~.55 白 湖 亭 魁 岐 特 大 桥.55~.6 zk14 东 兴 村.45 119 14 E 119 18 E 119 22 E 图 24 多 遇 地 震 时 福 州 盆 地 卓 越 周 期 均 值 等 值 线 图 Fig.24 Contour map of predominant period average for Fuzhou basin under highoccurrence probability earthquake 26 2 N 26 6 N zk27 新 店.6.65.6 zk22 浦 口 大 桥 国 发 广 场.55.45 zk1.65.55 鳝 溪.6.5 zk4. zk8.65 福 州 大 学 西 洋 新 村.55 zk1 zk16.5 zk52 中 亭 街.55 卓 越 周 期 /s 金 山 中 学.65 鳌 峰 屿.4~.45.65.45~.5.6.6.5~.55 zk34 zk55.55~.6 白 湖 亭 zk14 魁 岐 特 大 桥.6~.75 东 兴 村 119 14 E 119 18 E 119 22 E 图 25 偶 遇 地 震 时 福 州 盆 地 卓 越 周 期 均 值 等 值 线 图 Fig.25 Contour map of predominant period average for Fuzhou basin under moderateoccurrence probability earthquake 26 2 N 26 6 N zk27.55新 店.9.75.65.65.95 zk22.85 浦 口 大 桥.55 国 发 广 场.55 zk1.8 zk4.65 鳝 溪.7.8.75.6 福 州 大 学 zk8.75 西 洋 新 村.7.65 zk1.55.55 中 亭 街.8 zk16.6 zk52.75 鳌 峰 屿 卓 越.55 周 期 /s 金 山 中 学.65.45~.55.6.55~.65 zk34.7.7 zk55.65~.75.75~.85 zk14.65 白 湖 亭.75.85~1.5 魁 岐 特 大 桥 东 兴 村 119 14 E 119 18 E 119 22 E 图 26 罕 遇 地 震 时 福 州 盆 地 卓 越 周 期 均 值 等 值 线 图 Fig.26 Contour map of predominant period average for Fuzhou basin under lowoccurrence probability earthquake 越 周 期 等 值 线 分 布 图, 由 此 可 知, 福 州 盆 地 的 卓 越 周 期, 多 遇 地 震 偶 遇 地 震 和 罕 遇 地 震 时 依 次 介 于.35~.65 s.4~.75 s 和.5~1.5 s 之 间, 比 一 般 地 形 地 貌 平 坦 的 II III 类 场 地 的 卓 越 周 期 要 大 福 州 盆 地 地 貌 属 于 典 型 的 河 口 盆 地, 覆 盖 土 层 厚 度 差 异 较 大, 盆 地 下 伏 基 岩 面 碗 状 起 伏 引 起 的 地 震 波 聚 焦 与 相 长 干 涉 作 用, 使 其 卓 越 周 期 明 显 增 大 可 以 看 出,III 类 场 地 PGA 放 大 系 数 受 覆 盖 层 厚 度 的 影 响 程 度 比 II 类 场 地 更 大, 但 无 论 是 III 类 场 地 还 是 II 类 场 地, 在 同 一 工 况 下, 覆 盖 层 厚 度 与 地 表 PGA 放 大 系 数 均 表 现 为 同 趋 势 增 长, 即 随 着 覆 盖 层 厚 度 增 大,PGA 放 大 系 数 相 应 增 大, 但 这 种 关 联 性 随 着 地 震 动 强 度 的 增 大 而 减 弱 ;III 类 场 地 PGA 放 大 系 数 总 体 上 比 II 类 场 地 的 大 另 外, 覆 盖 层 厚 度 对 卓 越 周 期 的 影 响 不 明 显, 实 际 上, 特 征 周 期 的 增 大 主 要 与 土 体 非 线 性 有 关 7 结 论 (1) 河 口 盆 地 沉 积 土 层 表 现 出 不 同 程 度 的 地 震 动 放 大 效 应, 近 地 表 土 层 放 大 程 度 尤 其 显 著, 且 基 岩 坳 陷 区 域 的 土 层 加 速 度 放 大 系 数 随 深 度 增 加 而 呈 非 单 调 递 减 特 征, 地 表 以 下 约 5~1 m 土 层 存 在 显 著 的 地 震 动 聚 集 效 应, 且 盆 地 两 侧 地 带 存 在 较 显 著 的 地 震 动 边 缘 效 应 (2) 河 口 盆 地 中 长 周 期 地 震 动 放 大 效 应 显 著, 地 表 设 计 地 震 动 的 水 平 明 显 高 于 现 行 建 筑 抗 震 设 计 规 范 的 取 值 对 类 似 该 盆 地 的 复 杂 非 均 匀 场 地, 采 用 二 维 非 线 性 地 震 效 应 分 析 方 法 给 出 的 设 计 地 震 动 参 数 更 为 合 理 (3) 河 口 盆 地 的 地 震 动 放 大 效 应 与 聚 集 效 应 对.5~2. Hz 频 带 的 基 岩 地 震 动 敏 感, 且 PGA 放 大 效 应 普 遍 较 大 (4) 多 遇 地 震 偶 遇 地 震 和 罕 遇 地 震 时, 该 盆 地 的 卓 越 周 期 依 次 介 于.35~.65 s.4~.75 s 和.5~1.5 s 之 间, 明 显 大 于 一 般 地 形 地 貌 平 坦 的 II III 类 场 地 的 卓 越 周 期 (5) 给 出 了 多 遇 地 震 偶 遇 地 震 和 罕 遇 地 震 水 平 下 该 盆 地 PGA 场 地 卓 越 周 期 均 值 等 值 线 图 及 地 表 设 计 地 震 动 参 数 的 建 议 值 上 述 结 论 是 在 给 定 计 算 模 型 条 件 下 得 到 的, 影 响 盆 地 地 震 动 非 线 性 效 应 特 征 的 因 素 很 多, 主 要 有 局 部 地 形 地 貌 土 层 条 件 及 基 岩 入 射 地 震 波 特 性 等 因 素, 河 口 盆 地 的 真 实 地 震 动 空 间 分 布 特 征 极 为 复 杂, 对 其 认 识 有 待 进 一 步 深 入 研 究

第 6 期 陈 国 兴 等 : 河 口 盆 地 非 线 性 地 震 效 应 及 设 计 地 震 动 参 数 1735 参 考 文 献 [1] ASSIMAKI D, JEONG S. Groundmotion observations at Hotel Montana during the M7. 21 Haiti earthquake: Topography or soil amplification[j]. Bulletin of the Seismological Society of America, 213, 13(5): 2577 259. [2] CADET Héloïse. Site effect assessment using KiKnet data: Part 1. c[j]. Bulletin of Earthquake Engineering, 212, 1(2): 421448. [3] LANZO G, SILVESTRI F, COSTANZO A, et al. Site response studies and seismic microzoning in the Middle Aterno valley (L aquila, Central Italy)[J]. Bulletin of Earthquake Engineering, 211, 9(5): 14171442. [4] ASSIMAKI D, LEDEZMA C, GONZALO A, et al. Site effects and damage patterns, special issue on the Maule 8.8 earthquake[j]. Earthquake Spectra, 212, 28(1): 5574. [5] VINCENZO Di Fiore. Seismic site amplification induced by topographic irregularity: Results of a numerical analysis on 2D synthetic models[j]. Review on Engineering Geology, 21, 114(3 4): 19115. [6] 盛 志 强, 卢 育 霞, 石 玉 成, 等. 河 谷 地 形 的 地 震 反 应 分 析 [J]. 地 震 工 程 学 报, 213, 35(1): 126132. SHENG Zhiqiang, LU Yuxia, SHI Yucheng, et al. Seismic response analysis of valley topography[j]. China Earthquake Engineering Journal, 213, 35(1): 126132. [7] RICHTER C F. Elementary Seismology[M]. San Francisco: WH Freeman and Company, 195. [8] 钱 培 风, 沈 蕴 芬, 郭 载 瑜, 等. 通 海 地 震 的 某 些 震 害 与 分 析 [J]. 地 震 研 究, 1984,7(3): 357363. QIAN Peifeng, SHEN Yunfen, GUO Zaiyu, et al. Parts of seismic hazard in the Tonghai earthquake and their analysis[j]. Journal of Seismological Research, 1984, 7(3): 357363. [9] SOMERVILLE P G, GRAVES R. Conditions that give rise to usually large long period ground motions[j]. The Structural Design of Tall Buildings, 1993, 2(3): 211232. [1] SINGH S K, MENA E, CASTRO R. Some aspects of source characteristics of the 19 September 1985 Michoacan earthquake and ground motion amplification in and near Mexico City from strong motion data[j]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1988, 78(2): 451477. [11] FRANCISCO J, CHÁVEZGarcía, PIERREYVES Bard. Site effects in Mexico City eight years after the September 1985 Michoacan earthquakes[j]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1994, 13(4): 229247. [12] CAMPILLO M, GARIEL J C, AKI K, et al. Destructive strong ground motion in Mexico city: Source, path, and site effects during great 1985 Michoacán earthquake[j]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1989, 79(6): 17181735. [13] STEWART J P, CHIOU S J, Bray J D, et al. Ground motion evaluation procedures for performancebased design[r]. Berkeley: College of Engineering, University of California, 21. [14] BARD P Y, CAMPILO M, CHAVEZGARCIA F J, et al. The Mexico earthquake of September 19, 1985 A theoretical investigation of large and smallscale amplification effects in the Mexico City valley[j]. Earthquake Spectra, 1988, 4(3): 69633. [15] SEMBLAT J F, DUVALB A M, DANGLA P. Numerical analysis of seismic wave amplification in Nice (France) and comparisons with experiments[j]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2, 19(5): 347362. [16] SEMBLAT J F, DANGLA P, KHAM M, et al. Seismic site effects for shallow and deep alluvial basins:indepth motion and focusing effect[j]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 22, 22(9): 849854. [17] CHÁVEZGARCÍA F J, RAPTAKIS D, MAKRAB K, et al. Site effects at EuroseistestII. Results from 2D numerical modeling and comparison with observations[j]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2, 19(1): 2339. [18] MAKRAA K, CHÁVEZGARCÍA F J, RAPTAKIS D, et al. Parametric analysis of the seismic response of a 2D sedimentary valley: Implications for code implementations of complex site effects[j]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 25, 25(4): 33315. [19] MOCZO P. Finitedifference technique for SH waves in 2D media using irregular grids: Application to the seismic response problem[j]. Geophysical Journal International, 1989, 99(2): 321329. [2] MOCZO P, BARD PY. Wave diffraction, amplification and differential motion near strong lateral discontinuities[j]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1993, 83(1): 8516. [21] MOCZO P, LABÁK P, KRISTEK J, et al. Amplification

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