高烈度山区复杂场地环境地震响应研究

黄泰烈,朱 敏,陈克坚,王玉珏,曹凌飞,申爱国

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031；2.西南交通大学,成都 610081)

地壳运动使内陆板块之间相互挤压，结果造成了规模不等的断层，其中一些深大活动断层往往成为孕育大地震的温床。纵观我国近100年地震历史，很多具有极大破坏性的地震就是在这样的环境中发生的[1-2]，汶川8级地震是其中的一个典型代表[3]。“5.12”汶川8级地震，震区宝成、德天、成汶、广岳等多条铁路受到不同程度的损坏。宝成、德天、成汶铁路几天内就修复通车，广岳铁路广汉—木瓜坪段破坏严重，32 d后才修复通车，震中附近的映秀—汶川公路几乎全部被损毁，同时由于崩塌、落石、滑坡、泥石流等次生灾害使之修复困难，部分地段临时抢通，很快又因余震及次生灾害而断道[4]。从艰险山区铁路、公路等建筑物抢修情况看，桥梁、隧道等建筑物因建造的场地不同，损毁的程度差别也较大。大量震害资料的统计也显示，在地形起伏较大的山区，房屋、道路、桥梁、隧道等建筑物平均震害程度往往要重于地形较为平缓的地区[5]。同样在山区，在地形地貌特征不同的情况下，相同的建筑也会显示出不同的震害程度[6]。

汶川地震的巨大破坏使得人们再一次深刻认识到地震对于交通网络造成的威胁。特别是建设在高烈度艰险山区的公路和铁路桥梁，如何避免或减少地震时的毁坏，除了在结构上采取防落梁等防震措施以及进行支承连接件设计、桥梁结构包括延性设计等抗震设计外[7-9]，还应重视桥梁的总体设计，即结合桥梁附近的地形、地貌、地质等场地环境特点选择合适的桥位、桥型和跨度，提高山区恶劣环境中桥梁结构抗震安全性。目前我国现行的《铁路抗震设计规范》、《公路抗震设计规范》等有关抗震规范仅考虑了基于地质特性的场地对地震烈度的影响，均未考虑地形和地质等场地环境对地震烈度的影响。《工程场地地震安全性评价》在地震危险性分析中，要求结合地质特征、历史地震活动规律以及地形条件等，对工程寿命期内场地可能遭遇到最大的地震破坏程度进行预测，并提出了分析方法[12]。但未系统地对山区典型场地的地震响应开展分析。有些科研人员针对山区震害异常现象与山区地形特征之间的关系展开了一些研究，本文的研究工作也是在这个方面进行的一次新的尝试。本研究的特点在于针对不同特征的山区典型地形建立三维有限元模型、模拟山区多种特征地形场地、系统进行地震响应分析，分析场地环境对地震激励影响的机理。

1 场地环境及研究方法

1.1 场地环境

指艰险山区中以地形地貌和表层覆盖土为主要特征的局部地址环境，在场地环境这个概念里，“场地”隐含着局部、局限、规模较小的意思，适用于某一项工程的建设，而“环境”则隐含着场地周围的各类地形地貌、各种厚度和分布形态的覆盖土层、地震断层以及它们的组合。归纳起来，山区典型的场地环境如下。

场地环境一：局部盆状沉积场地；

场地环境二：倾斜岩面上覆软弱沉积层；

场地环境三：山前孤突山包；

场地环境四：峡谷；

场地环境五：山区凹凸坡面地形。

1.2 研究方法

针对山区典型的5种场地环境，利用三维有限元方法建立三维模型。采用ALGOR分析软件和Midas/FEA分析模块，对其在地震作用下的特殊地震效应进行时程分析[10-11]。时程分析所采用的地震波分别为汶川地震广元曾家镇地震记录(图1、图2)和美国EL Centro地震记录(图3、图4)。

图1 汶川地震广元曾家镇地震记录

图2 汶川曾家镇地震记录的加速度频率特性

图3 美国EL Centro地震记录

图4 EL Centro地震记录的频率特性

在建模过程中，考虑在弹性范围内，当边界范围取的足够大时，采用任何一种边界条件都可以得到满意的结果。因此模型单元边界均采用自由边界，底部采用刚性约束。在划分有限元网格时，单元的竖向尺寸一般要满足下述要求：L竖向≤nλ，式中，L竖向为单元竖向尺寸；λ为输入地震波在该土层中向上传播的最小波长，根据有关研究n一般取1/8或1/16，也就是认为单元的竖向尺寸小到足以采集最小波长1/8或1/16点处的数据时，就近似认为能够描述所输入的波在土层中沿竖向的传播过程[12-13]。

2 各类场地环境地震效应

限于篇幅，本文就场地环境一(局部盆状沉积场地)和场地环境四(峡谷)两种场地环境对地震激励的影响机理作较详细论述。

2.1 场地环境一(局部盆状沉积场地)的地震效应研究

局部盆状沉积场地，即盆状凹陷地形是一种工程中很常见的场地，这种场地对地震反应的影响早已被受关注。1985年9月19日墨西哥地震，墨西哥城出现了严重的震害，就是由于该城市坐落在一个很深的沉积盆地上，长周期地震波与那里横纵向非均匀的场地介质相互作用而使得长周期地震动成分得到显著放大，而且强震持时加长。

为比较分析这种场地土层地震特性，分别拟定宽深不同的盆状凹陷场地模型，建立3个模型进行对比分析，这3个模型分别为：模型A-1、模型A-2、模型A-3。

模型A-1：长度为300 m，宽度为150 m，厚度为50 m，凹陷区域宽度30 m，深度15 m；

模型A-2：长度为300 m，宽度为200 m，厚度为50 m，凹陷区域宽度60 m，深度15 m；

模型A-3：长度为1900 m，宽度为1000 m，厚度为360 m，凹陷区域宽度900 m，深度150 m。

图5 模型A-3及地表研究点

在上述3个模型的基础上，进行地震响应计算，输入图1和图2所示的地震波，得到地表各点关于位移和加速度的地震响应过程。模型A-3及地表研究点见图5，本文仅列出模型A-3位移和加速度的地震响应情况，详见图6。

图6 纵向对称轴上地震位移和地震加速度最大值分布情况

2.2 计算结果分析

从以上有关图可以看到，通过对于局部盆状沉积场地3个模型(A-1、A-2、A-3)的地震响应模拟分析，获得了大量有关盆地周围及盆地内部地震响应(包括地表位移、地表加速度和相应的频谱)的计算数据，整理有关数据可绘制成图。本文就A-3纵向对称轴上地震位移和地震加速度最大值数值进行整理绘制(图6)，从图6可以看到地震位移和地震加速度最大值分布情况。因此，对A-1、A-2、A-3模型计算数据及图进行对比分析之后，得到如下结论。

(1)当盆状沉积的深度和体横向尺度增加时，盆状沉积区域中部的地震反应有明显增大趋势。

(2)将盆地内部与盆地边缘地区的地震反应进行比较可以看到，盆状沉积中心附近的地震反应(包括地表位移和地表加速度)明显强于周围场地的地震反应，这说明盆状沉积软弱土层对地震动具有明显的局部放大作用。

(3)通过盆地中心及周围代表点的地表地震加速度时程频域分析可以看到，盆地中心一带的地表加速度频率成分较为丰富，因此，更容易对建造在盆地之上的结构物造成损害。

(4)虽然3个模型中的盆状沉积区域参数有很大差异，但频谱分析的结果都显示出相同特征，即无论地表位移响应还是地表加速度响应的频率成分都主要集中在3Hz以下的范围，这反映出场地本身的地震响应特征不会随地震输入的条件变化而改变。

2.3 场地环境四(峡谷)的地震效应研究

深切峡谷地形通常出现在高原地区或山区，目前，我国修建于深切峡谷之上的大跨度桥梁已经很多，如跨越贵州北盘江大峡谷的公路大桥和水柏铁路大桥以及贵州坝陵河大桥(图7)。

图7 贵州水柏铁路北盘江大桥和坝陵河大桥

(1)3种峡谷模型

从峡谷地形、地貌情况看，峡谷有圆弧底、深切峡谷和宽大峡谷3种地形情况，针对其特点，建立相应3种计算模型，称之为峡谷模型D-1、峡谷模型D-2和峡谷模型D-3，本文仅列出宽大峡谷地形，即模型D-3(图8)。

图8 峡谷模型D-3以及设想的3类大跨度桥梁(单位：m)

(2)3种峡谷模型在地震作用下的地表位移和加速度响应

分别对峡谷模型D-1、D-2和D-3，这3种模型开展地震响应分析，输入图1和图2所示的地震波，得到地表各点关于位移和加速度的地震响应过程。本文仅列出宽大峡谷(模型D-3)位移和加速度的地震响应情况，详见图9、图10。

图9 两种地震输入下6条等高线各点加速度响应

图10 6条等高线上各点的加速度频谱图

(3)计算结果分析

通过对峡谷模型D-1、D-2和D-3的地震响应模拟分析，获得了大量有关峡谷地震响应(包括地表位移、地表加速度和相应的频谱)的计算数据。整理有关数据可绘制成图。本文列出了D-3模型中6条等高线上各个点地震加速度响应和频谱图(如图9、图10)，从图9、10可以看到地震时地表各点加速度最大值分布和频谱特性。因此，对D-1、D-2、D-3模型计算数据及图进行对比分析之后，得到如下结论。

①峡谷的顶端、崖壁或山坡面及峡谷底部的地震位移最大值和地震加速度最大值主要由该点位的高度所决定，峡谷顶部的地震位移和地震加速度要比峡谷底部大很多。因此在这种地形中修建桥梁时，当桥墩基础的高程具有明显差异时，将造成不同桥墩产生不同强度的响应，因此，既有可能造成不同桥墩出现不同程度的破坏，也有可能因为各个桥墩的墩顶位移不一致而导致梁体坠落。

②3个模型给出的峡谷顶部、崖壁上或陡坡坡面处以及峡谷底部的位移时程和加速度时程的频谱存在较大的差异。但从分析结果可以看到，3个峡谷模型峡口一带的地震响应在1～4 Hz会出现明显的放大效应。因而在峡谷上进行大跨度桥梁设计时，应当合理提高大跨度桥梁的抗震设防水平，从而提高大跨度桥梁的抗震安全性。

3 场地环境地震响应特点和抗震设计建议

3.1 场地环境地震响应特点

通过山区典型5类场地环境三维模型的地震响应模拟分析，得到了一系列有关地震位移、地震加速度以及频谱分布方面的计算成果，将成果中各类场地环境的频谱分布汇总在图11中。从图11中可以看到：虽然在进行三维模型地震响应分析时，分别采用了2个差异很大的地震波，但地震响应的频谱却非常接近，这充分显示了每一类地形的频率特性。它们具有以下显著特点。

图11 5类场地模型中典型点位的地震加速度时程的频谱分布

(1)第一类：地形1和地形2的地震响应频谱不仅与其他地形地震响应频谱具有明显的不同，而且这两种地形的频谱还具有较高的相似，主要分布在1～4 Hz的范围，并且在1～3 Hz呈现出明显的峰值。

(2)第二类：地形3的地震响应频谱具有明显的特征。首先，虽然模型C-1和模型C-2中高耸部位的高度不同，但相同部位所表现出的频谱分布具有极为相似的峰值特征；其次，地形3的频谱与其他地形频谱虽然都表现出峰值，其频谱的分布范围和峰值位置具有明显的差异，这种差异充分表达出两类地形的差异。

(3)第3类和第4类：地形4和地形5的频谱完全不同于地形1、地形2和地形3的频谱，它们之间的频谱既有相似性，也有差异。相似性在于地形4和地形5的频谱均没有明显的峰值且分布比较均匀；差异在于两者的分布范围有很大不同。

3.2 不同类型场地环境下的抗震设计建议

(1)场地环境一(盆状沉积软弱土层)：盆状沉积软弱土对地震波具有明显的局部放大作用，并且当沉积的深度和体横向尺度增加时，盆状沉积区域中部的地震反应有明显增大趋势，并且盆地中心一带的地表加速度频率成分较为丰富。因此，更容易对建造在盆地之上的结构物造成损害，因此在选择桥位时尽量躲避这样的场地环境，特别避免将桥墩设置盆状沉积区域中部。

(2)场地环境二(倾斜岩面上覆土层)：在基底倾斜且上覆较厚沉积土的区域内，无论地表的位移响应还是加速度响应均较基岩出露的区域强烈很多，此外，地震最大响应在土层中局部位置被强烈放大为峰值，在另外一些点附近则被抑制为低谷。因此，必须充分重视地震的异常效应，应当尽量将结构建造在基岩出露或基岩埋深较浅的区域。

(3)场地环境三(山前孤突山包)：山前孤突山包顶部及附近点的加速度峰值较周围点要大很多，并且各点地震响应时程所包含的频率成分也差别极大，山包顶部一带的结构震害较其他部位要强烈很多，而山坳里的结构震害会轻很多。因此，在这种环境中进行建设时，结构的抗震设计必须充分重视不同位置的地震加速度响应的差异。

(4)场地环境四(深切峡谷)：峡谷的顶端、崖壁或山坡面及峡谷底部的地震位移最大值和地震加速度最大值主要由该点位的高度所决定，峡谷顶部的地震位移和地震加速度要比峡谷底部大很多，峡谷模型峡口一带的地震响应在1～4 Hz之间会出现明显的放大效应。所以，在峡谷上进行大跨度桥梁设计时，应当合理提高大跨度桥梁的抗震设防水平，同时控制桥梁的基本频率，消除与坡面地震共振现象，从而提高大跨度桥梁的抗震安全性。

(5)场地环境5(凹凸坡面地形)：在山腰一带，山坳里的地震响应(包括位移响应和加速度响应)比山脊表面的地震响应要强烈很多；而在坡面较高的位置，则表现出山脊表面的地震响应较山坳里的地震响应要强。根据坡面上部分典型点处的地震响应频谱分析，无论在山坳里或是在山脊上，其频谱分布特征基本一致，只不过山坳里的频谱强度较山脊上要强。因此，这类地形地震响应复杂，且地震时还伴着落石、滑坡等次生灾害，建议尽量绕避这类场地环境，避免震害发生。

4 结语

通过对山区场地环境：盆状沉积软弱土层、倾斜岩面上覆土层、山前孤突山包、深切峡谷、凹凸坡面5类场地环境，分别建立三维模型，得出了5类场地环境有关地震时地表位移、地震加速度以及频谱分布响应特点。针对特点，提出如下设计建议：在选择桥位时尽量躲避盆状沉积软弱土层、凹凸坡面场地环境，特别避免将桥墩设置盆状沉积区域中部。在峡谷上进行大跨度桥梁设计时，应当合理提高大跨度桥梁的抗震设防水平，同时控制桥梁的基本频率，消除与坡面地震共振现象，以及重视倾斜岩面上覆土层、山前孤突山包、凹凸坡面场地环境中不同位置的地震加速度响应的差异。开拓了对艰险山区常见的场地环境地震响应的研究手段，深化了对高烈度山区场地环境对桥梁结构抗震安全影响的认识。

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