浅硬场地剪切波速测试标准差对地震动影响初探

采用Shake 2000程序,以Turkey Flat试验场地为模型,通过输入不同类型下多种强度的地震波,计算研究多工况下剪切波速测试标准差对地表加速度反应谱和峰值加速度的影响。结论为:(1)浅硬场地上剪切波速测试标准差对地震动的影响很大,影响程度与输入地震波的强度和频率以及场地剪切波速计算值有关;(2)如果将反应谱残差大于20%或加速度峰值差别大于20%定义为统计意义上的不可忽略,那么剪切波速测试标准差对计算结果的影响在大多数情况下均不可忽略;(3)当输入波的卓越周期与场地特征周期接近时,浅硬场地上剪切波速测试标准差引起的反应谱变化非常显著;(4)只有当输入波的卓越周期与场地特征周期相差较大且输入波强度偏小时,剪切波速测试标准差引起的反应谱变化才可略去;(5)当浅硬场地上剪切波速实测结果低于统计均值时,地震动计算结果的偏差一般明显大于剪切波速实测结果,高于统计均值时引起的偏差,且地震输入越强表现越明显。     

现场剪切波速测试误差及其对地震动影响研究

剪切波速是建筑工程场地上岩土体介质的一个重要参数。由于其数据结果直观、现场实验简单易行,剪切波速在工程中得到了广泛的应用。对任何一个物理量,测试结果均存在着一定程度的偏差。长期以来,无论专家学者还是工程技术人员,对剪切波速测试结果的可靠性均心存疑虑,希望能够早日了解掌握客观情况,以便制订相关标准进而改进技术。由于剪切波速测试不是一个孤立的量,对地震工程而言,现场剪切波速测试误差直接影响了地震动计算结果。这一结果涉及地震小区划和工程场地地震安全性评价工作。目前,还缺乏对剪切波速测试误差的实测结果,相关工作还无法开展。基于以上原因,本文围绕剪切波速测试误差专项实验展开,对现场剪切波速测试误差及其对震动的影响进行了研究,旨在为评价波速测试误差和确定其对地震动的影响提供依据。首先,本文介绍了剪切波速测试误差及其对地震动影响的研究现状,评述了相关工作的研究进展。目前,对剪切波速测试误差的研究还停留在对波速与深度关系进行拟合的层面上,还缺乏专门的波速测试误差专项实验。对于现场剪切波速测试误差对地震动的影响研究则主要集中在假设波速变化的定性分析上。本文的研究内容填补了国内外波速测试误差研究的空白,提出用专项实验结果来研究现场剪切波速测试误差并研究其影响。其次,本文设计了剪切波速测试误差专项实验并通过实验获得了波速测试误差的初步分布。通过对国内8个地区20个专项实验场地的测试,给出了涵盖4类工程场地的剪切波速测试误差测试结果,证明了波速测试误差客观存在。实验结果表明,噪音是影响波速测试误差的首要因素。再次,本文对剪切波速测试误差进行了分布拟合并进行了验证,论证了剪切波速测试误差的分布符合标准正态分布。通过将每一类场地的波速测试误差进行整合,本文将波速值的偏差变成了无量纲的测试误差百分比,这一结果就将具体场地的波速测试误差结果推广到所有一、二、三、四类场地。研究表明:波速测试误差的标准差约为15%,结合标准正态分布的性质,本文认为,约38%的测试结果精度较高,约68%的测试结果较为可靠。然后,本文利用专项实验结果采用一维等效线性化土层反应分析程序,研究了波速测试误差对加速度反应谱的影响。通过2 160组工况的计算结果,本文总结了剪切波速测试误差对反应谱的影响规律。研究表明:剪切波速测试误差对加速度反应谱有影响,影响程度主要由波速测试误差程度、场地类别和输入的地震波决定。剪切波速测试误差引起的加速度反应谱偏差程度与输入的地震动强度基本无关,只与波速测试误差的大小有关。当输入的地震波周期成分与场地卓越周期相近时,场地易发生共振,波速测试误差引起的反应谱变化明显。最后,本文结合波速测试误差的正态分布特性讨论了不同概率水平下,波速测试误差对地震动的影响程度。本文认为,用PGA和SI作为指标讨论影响程度是合理的。PGA值的变化准确描述了场地最大响应的变化,而SI则代表了能量的变化。研究表明:如果以PGA变化20%为标准,那么均值0.5倍波速测试误差范围内的波速测试误差对PGA基本没有影响,结合波速测试误差的分布进行分析,可以认为,38%的波速测试结果对PGA没有影响,其余62%的波速测试结果对PGA是否有影响,需要结合场地条件和地震波进行分析。均值0.5倍波速测试误差范围内的波速测试误差对造成的SI偏差基本都在5%以内。本文的结语部分对工作进行了总结,指出了现有工作的不足之处和未来工作的重点。     

兰州地区剪切波速实测误差分析与评价

为了给兰州乃至西北地区的地震安全性评价和重大工程抗震设计提供参考,在兰州地区选取4个不同类别场地,完成由10家单位参加、使用不同仪器剪切波速现场测试误差专项实验,研究该地区剪切波速实测误差分布规律,讨论测试误差对地表加速度反应谱影响的统计特征,并给出该地区剪切波速测试误差评价。结果表明:兰州地区各单位剪切波速测试误差具有明显规律性,测试误差绝大部分符合标准正态分布,且误差大小不随深度和场地类别而改变;兰州地区波速测试水平优于全国平均水平,Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地的剪切波速测试精度较高,偏差较小,其平均标准差可以定为10%;就兰州地区而言,其1倍波速测试标准差引起PGA最大偏差为25%,2倍标准差为50%;给定波速测试误差下反应谱变化程度与输入波形相关,输入波频率成分与场地频率成分接近的地震输入下,误差影响较大,反之则影响较小。     

浅硬场地剪切波速变异性对结构地震输入的影响

场地对地面结构地震动力的输入分析有决定性影响。本文用Shake 2000程序计算并讨论了浅硬场地多工况下剪切波速变化对不同周期结构动力响应的影响,主要结论如下:浅硬场地剪切波速测试标准差对地表加速度反应谱的影响很大,影响程度与输入地震动的强度、频率和剪切波速有关;剪切波速测试标准差对地表加速度反应谱的影响在大多数情况下不可忽略;对于不同周期的结构,剪切波速变化对短周期和1s周期的影响程度与地表加速度反应谱峰值略有不同;场地剪切波速减小对反应谱的影响明显大于波速增大时的影响;浅硬场地波速标准差对短周期的影响基本不可忽略,对1 s周期的影响则可以忽略;随地震动强度增加,剪切波速的减小对反应谱短周期的影响程度加大。     

温州深软场地剪切波速实测误差及其对PGA影响研究

该研究在温州两个深软土层场地上完成了剪切波速测试误差专项实验,统计拟合了误差分布规律并研究了其对PGA的影响,得到结论:每米深度上的实测误差基本符合标准正态分布,温州地区深软场地的测试误差与我国其他几个地区覆盖土层较浅场地上的每米实测误差程度基本相同;两个场地上各深度的误差标准差大致相同,约为16%;实测误差对PGA影响明显,误差取1倍标准差时PGA的变化程度可能达到30%,取2倍标准差时可能高达45%;PGA的变化程度受输入地震动的频率特性制约,长周期频率成分对深软场地计算结果的影响明显。     

波速原位测试结果标准差对较深软场地地震反应谱影响初探

波速测试结果在工程上的应用越来越重要,但波速测试结果的不确定性一直影响着抗震设计。为了准确地描述这一不确定性,对较深软场地的地震响应进行了计算。采用Shake 2000程序,通过输入不同类型的多种强度的地震波,研究了较深软场地的多种工况下剪切波速测试标准差对地表加速度反应谱和峰值加速度的影响。结果表明,较深软场地上的波速测试标准差对场地的加速度反应谱和峰值加速度基本没有影响;不同地震强度下的反应谱和峰值加速度的变化,基本可以忽略。随着波速测试数据量的增加,本文研究结果还有待进一步的深入与完善。     

土层剪切波速测试中的不确定性对场地地震动参数的影响分析——以Ⅲ类场地为例

本文选取山东地区2个Ⅲ类场地的工程地质勘探及土层剪切波速等资料,将土层厚度按5个深度段,每个分段给出了4个土层剪切波速的改变量,通过改变不同深度段土层剪切波速,建立了19种土层地震反应分析模型,分析了不同深度段,不同概率水平下土层剪切波速的变化对场地地震动参数的影响。研究表明,不同深度段土层剪切波速的变化对场地地震动参数的影响有差异。具体表现为,土层剪切波速的改变在1—10m、11—40m和地震输入界面处三个深度段对地震动加速度峰值影响较大;其中,41—70m和71—100m两个深度段剪切波速的改变对地震动加速度峰值影响小;在土层深度1—10m时,剪切波速降低,峰值变大,剪切波速的改变与峰值的改变呈负相关;在其它深度段,剪切波速降低,峰值变小,剪切波速的改变与峰值的改变呈正相关。剪切波速的改变在1—10m和11—40m两个深度段对地震加速度反应谱影响较大;在41—70m、71—100m和地震输入界面三个深度段对地震加速度反应谱影响很小。     

基于蒙特卡洛方法的剪切波速误差影响分析

场地土层剪切波速测试不可避免会存在误差,误差达30%左右。目前,在对剪切波速误差对土层地震反应计算影响的研究中,设计波速误差或者设计土层模型的方式偏于理想化。为更接近现实情况,本文基于实测土层模型,用蒙特卡洛方法研究剪切波速误差对土层地震反应计算结果的影响。本文搜集并建立了均匀分布在山东地区的132个场地计算模型,涵盖了山东境内分布广泛的Ⅱ类场地和Ⅲ类场地。根据蒙特卡洛随机模拟原理,对每一场地计算模型,在实测剪切波速值30%的偏差范围内随机生成100组剪切波速值,分别进行土层地震反应计算,分析反应谱值、反应谱平台值和特征周期的变化。研究表明,30%以内的随机波速误差会导致某些周期处的反应谱的变化达30%以上,其对反应谱平台值最大的影响大多在10%~50%之间,对Ⅱ类场地特征周期的最大影响大多在0~50%之间,对Ⅲ类场地特征周期的最大影响大多在20%~90%之间。     

剪切波速对场地地表地震动参数的影响

本文以江淮地区典型场地资料为原型,将土层剪切波速实测值按照一定比例进行增减,构造多种场地土层地震反应分析模型,选择Taft、E1centro和Kobe三条强震记录作为地震输入,采用一维频域等效线性化波动方法进行了土层地震反应分析.研究结果表明,剪切波速的变异性与场地地表地震动的影响程度与输入基岩地震动的频谱特性、幅值、土层结构等因素有关.地表峰值加速度随着剪切波速的增大而逐渐增大,地表加速度反应谱的特征周期随着剪切波速的增大而逐渐减小.     

剪切波速对场地地表地震动参数的影响TPF

本文以江淮地区典型场地资料为原型,将土层剪切波速实测值按照一定比例进行增减,构造多种场地土层地震反应分析模型,选择Taft、E1centro 和Kobe 三条强震记录作为地震输入,采用一维频域等效线性化波动方法进行了土层地震反应分析。研究结果表明,剪切波速的变异性与场地地表地震动的影响程度与输入基岩地震动的频谱特性、幅值、土层结构等因素有关。地表峰值加速度随着剪切波速的增大而逐渐增大,地表加速度反应谱的特征周期随着剪切波速的增大而逐渐减小。     

地震动输入界面的选取对深软场地地震效应的影响

以天津和上海两个典型的深厚软弱场地为研究背景,探讨了地震动输入界面对场地地表地震动参数的影响。对于场地1(天津)和场地2(上海),分别选择7个和8个剪切波速(υs)大小不同的土层位置作为地震动输入界面,并选用Taft、Northridge地震加速度记录和南京人工波作为输入地震动,将Taft波、Northridge波和南京人工波的加速度峰值水平调整为0．35m／s^2、0．70m／s^2和0．98m／s^2,用SHAKE91程序对这两个场地进行了不同的地震动输入界面、输入地震波和峰值加速度水平的128种组合的场地地震反应分析。与从假想基岩面(υs≥500m／s)输入地震动的结果(假想的实际值)相比,可得到如下结论：(1)随着地震动输入界面深度(剪切波速)的增加,场地地表加速度反应谱逐渐地向实际值接近;(2)地震动输入界面的深度相同时,地震动加速度峰值水平越高,两者的加速度反应谱谱值的相对差异也越大;(3)对于一般建筑物,可以把剪切波速为400m／s左右的土层作为地震动输入界面;对于中长周期的建筑物,则应慎重选择地震动输入界面,最好选取υs≥500m／s^2的土层或基岩面作为地震动输入界面。     

土层剪切波原位测试的误差分析及减小方法

弹性波在土层中的传播速度是反映土的动力特性的一项重要参数,根据波速测试的实测地层波速,场地土层剪切波速度不仅能为提供场地土的动力参数,成为地震反应分析的重要基本参数,同时也是场地分类法中划分场地类别的重要依据。本文根据误差分析理论,分析土层剪切波测试的误差来源及影响程度,通过作者十余年从事大量工程的波速测试工作工作经验,提出减小误差的具体方法。     

强震动记录选取中目标谱的研究及应用

随着强震动观测技术的发展,强震动观测数据的累积推动了结构抗震设计理论的发展。目前,在许多国家的抗震规范中都将结构动态时程分析方法列为静态设计方法的必要补充,但对于高层建筑、大跨结构等特殊结构形式及重要建设工程,要求强制使用动态时程分析方法。我国结构抗震设计规范及相关标准关于强震动记录选取的规定过于笼统,结构设计人员在面对大量强震动记录数据时缺乏明确的选取依据。本文搜集整理了国内外现有强震动记录数据,通过对地震参数的统计,提出基于场地类型的改进反应谱谱值相关系数经验公式,并将其应用于条件均值反应谱(conditions mean spectrum,CMS)的建立。同时,本文基于地震动衰减关系建立地震信息与抗震设计参数的对应关系,将其作为匹配规范标准谱选波方法的筛选依据,进而明确了抗震规范中强震动记录选取的初选条件。研究中发现,规范标准谱不宜作为谱形匹配选取强震动记录的目标谱,因此,提出两种建立合理目标谱的方法:一是基于地震动衰减关系建立PGA目标谱;另一是基于地震参数建立EPA均值目标谱。最后探讨了在地震安全性评价工作中实际强震动记录的选取及应用。本文主要研究内容及结论如下:(1)通过对20 000余条强震动记录的地震动参数进行分析,发现记录的加速度、速度及位移峰值和反应谱谱值的相关系数的分界周期点随着场地条件而变化,并提出基于场地类别改进反应谱谱值相关系数经验公式。改进后的反应谱谱值相关系数经验公式改善了目标谱的场地特征,使其更符合场地条件的要求。(2)针对抗震设计规范中关于强震动记录选取的相关条款,提出强震动记录选取的基本原则和具体方法,为完善相关规定提供参考依据。针对一般建设工程,依据地震动加速度峰值(PGA)衰减关系,提出同等设防PGA目标值对应的地震参数范围,建立断层距和地震设计分组的对应关系,进而确定强震动记录选取的初选条件。讨论了结构响应和强震动记录反应谱谱值的关系,以典型框架结构为例确定匹配周期范围。结构位移反应与强震记录反应谱相关性分析表明,两者在结构自振周期前后相关关系最为显著,距离自振周期越远的反应谱值与结构反应的相关系数越小。基于以上分析,建立了选取强震记录的基本原则:以距离和场地条件作为强震动记录选取第一限制条件。根据结构自振周期确定匹配规范标准目标谱周期范围,建议的匹配周期范围为0.4T1~1.5T1,最后由实际记录与规范标准谱在匹配周期范围内的均方差由小到大的顺序选取记录,记录的放缩系数限定在0.2~4.0之间。(3)本文基于地震动衰减关系,建立PGA目标谱并匹配目标分布的强震动记录的选取方法。对于未进行地震安全性评价,无法提出地震参数的一般建筑工程拟建场地,先利用PGA衰减关系,确定同等PGA目标值下的震级和距离,再代入加速度反应谱衰减关系,确定与PGA目标值对应的反应谱即为PGA目标谱。PGA目标谱不仅是确定的均值谱,而且具有概率含义。PGA目标谱的分布及概率特性反应了地震动的不确定性,进而为结构反应的离散性提供了一个合理的参考范围。(4)本文按场地条件和断层距将现有强震动记录数据分组,建立EPA均值目标谱。通过将EPA均值谱、PGA目标谱和规范标准谱进行比较,EPA均值谱与PGA目标谱谱形相似均具有良好谱形,匹配效果优于规范标准谱。建议规范标准谱作为强震记录选取的目标谱时,需要:(1)增加特征周期;(2)减小地震设计分组1、2组,场地类型为I类场地和II类场地的中长周期段反应谱值。(5)探讨了地震安全性评价工作中强震动记录的选取,结合不同等级的工程场地地震安全性评价,提出与之相适应的强震记录选取的基本方法及原则,建议如下:(1)I级安评的工程场地,采取基于设定地震的强震动记录选取方法。首先根据设定地震确定地震参数的初选条件,然后以场地设计谱作为目标谱,匹配场地设计谱选取记录。(2)II级和III级安评的工程场地,采取建立条件均值目标谱的方法。即以场地设计谱上结构特征周期点对应的加速度反应谱值为条件,利用设定地震的震级和距离等基于加速度反应谱衰减关系建立条件均值目标谱,并采取匹配条件均值目标谱分布的方法选取强震动记录。(3)Ⅳ级安评的工程场地,根据目标PGA值,采取PGA目标谱的方法选取强震动记录。     

输入地震动相位特性对不同类别场地土层地震反应影响

以某Ⅷ度设防区基岩场地地震危险性计算为基础,拟合不同随机相位的人造地震动时程作为输入,采用一维等效线性化方法,计算了Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类典型场地的土层地表地震反应。结果表明:(1)在不同地震动强度、不同随机相位基岩时程输入条件下,对不同类型场地土层地震反应计算得到的地表加速度峰值和反应谱值相对极差差别较大,地震动相位特征对土层地震反应的影响不可忽略;在反应谱特征周期2.0 s内,地表峰值和反应谱值变异系数随输入地震动强度的增大有增大趋势;(2)采用统计学方法计算给出了不同场地类别的基岩输入随机相位样本时程的必要数量,不同场地类别不同地震强度输入条件下所需要的最少样本量不同。在输入地震动强度不大(PGA0.20 g)且满足反应谱变异系数在均值加1倍标准差范围内时,不同类别场地至少需要15组不同随机相位的基岩时程,基本能满足均值统计要求;在输入地震动强度较大(PGA≥0.20 g),满足反应谱变异系数在均值加1倍标准差范围内时,至少需要30组不同随机相位的基岩时程,才能满足均值统计要求。     

Analysis of Influence Characteristics of Site Ground Motion in Ya'an Area,Sichuan

为分析雅安地区场地结构引起的震动特性,选取该地区重大安评项目中的实际测试钻孔进行场地地震反应分析,采用等效线性化方法,并以NGA强震记录为输入,开展场地反应计算,在全面分析该地区场地地震特征的基础上,以峰值速度为参数指标,研究场地条件引起的峰值速度放大效应。研究结果表明,雅安地区场地卓越周期约为0.2 s,自振周期为0.2 s的建筑结构破坏相对严重;随着基岩峰值加速度的增大,峰值速度呈增大趋势,峰值速度与峰值加速度变化趋势并非完全一致,分析场地效应时应考虑多种地震动参数的变化规律;不同地震输入下峰值速度放大系数为1～1.8;峰值速度放大系数k_v在不同强度基岩输入下,大致呈随等效剪切波速的增大而减小的趋势,软土场地更易引起场地峰值速度的放大,这种现象在芦山地震中较为明显。     

熊本MW7.0地震近场地表与井下地震动对比研究

选取日本熊本M_W7.0地震断层距小于200 km的82个近场KiK-net台站记录到的三分量记录数据进行基线校正后,获得近场地面运动水平向的峰值加速度PGA、峰值速度PGV及周期为0.2,1,2,3,5和10 s的加速度反应谱数据,并与美国NGA-West2的地震动预测模型相比较,研究熊本地震地表和井下地震动峰值及反应谱的衰减特征,通过比较KiK-net台站地表与井下记录结果,探讨浅层场地放大效应的影响。研究结果表明:① 对于井下观测结果,NGA-West2的地震动模型对PGA和短周期0.2 s的反应谱的预测值与井下观测值相比整体偏高,而PGV和较长周期地震动（如1,2和3 s的反应谱）的预测值与井下观测值较为吻合;② 地表观测记录的PGA,PGV和周期为0.2—3 s的反应谱残差整体上随v_S30对数值的增大呈线性减小的趋势,而周期为5 s和10 s的长周期部分,其场地效应的影响很小;③ 相对于井下记录,地表记录的地震动PGA,PGV和周期为0.2,1和2 s的反应谱有明显的放大,这种放大作用随浅层场地剪切波速的增大而减小;周期为3,5和10 s时长周期地震动的放大效应很小。      

场地条件对地表峰值加速度的放大效应分析

在研究西安地区大量钻孔资料的基础上,构造了44个不同等效剪切波速和覆盖层厚度场地条件下的典型场地剖面,利用一维等效线性化地震反应分析方法,计算了不同场地在3种不同强度的地震动输入下的地面峰值加速度,分析了地震动峰值加速度放大系数ks随场地类别、等效剪切波速Vse、覆盖层厚度H和输入地震动强度ar的变化特征,指出了按场地类别对地震动峰值加速度调整存在的问题。分析结果表明,加速度放大系数随等效剪切波速、覆盖层厚度及基岩输入地震动强度的增大而减小;等效剪切波速对加速度放大系数的影响大于覆盖层厚度的影响,随着输入地震动强度的增大,覆盖层厚度对加速度放大系数的影响成份有逐渐加大的趋势;覆盖层厚度对加速度放大系数的影响程度随着等效剪切波速的增大而逐渐减弱;加速度放大系数与场地等效剪切波速和覆盖层厚度之间具有较高的拟合度的统计回归关系。由此提出了直接用场地等效剪切波速和覆盖层厚度对地震动峰值加速度进行调整的新途径。最后,就地震动峰值加速度随场地条件的调整方法,提出了有待进一步研究的问题。     

基岩输入参数对场地地震反应的影响分析

基岩输入参数主要包括基岩面埋深、基岩剪切波速和基岩地震动强度等因素.本文通过分析某场地在选择不同深度的假想基岩面、不同的基岩剪切波速以及不同基岩地震动强度条件下的场地地震反应结果,得出在不同的基岩输入参数条件下,地表的地震动峰值加速度和加速度反应谱存在很大差异.     

天津滨海地区覆盖层特征

利用天津滨海地区钻孔地质与剪切波速测试资料,确定该地区不同场地的覆盖层厚度,并分析覆盖层分布特征及地震动影响.结果表明,天津滨海地区覆盖层厚度与地质构造单元凹凸差异有一定对应关系,受基底构造的明显控制;覆盖层厚度差异对地震动峰值与反应谱有一定影响,但假想基岩面的剪切波速变化对地表加速度峰值与反应谱的影响更为明显.     

控制性深孔地震输入界面位置的确定方法和影响研究

探讨了在工程场地地震安全性评价的地震反应分析模型中,江苏省盐城地区部分工程场地内深度超过100m时剪切波速仍小于500m/s的控制性深孔,采用近似估算方法弥补所缺波速值和确定地震输入界面后,进行波速值和地震输入界面位置的不确定性对工程场地地震反应的影响研究,包括地表地震动峰值加速度和反应谱特征周期等,为其他地区控制性深孔的地震输入界面位置的确定方法和影响研究提供参考。