防灾科技学院毕业设计廊坊城市旺点17中号楼场地土层地震反应分析.doc

防 灾 科 技 学 院毕 业 设 计题目廊坊城市旺点17号楼场地土层地震反应分析 学生姓名 许涛 学号 105021223系 别防灾工程系专 业勘查技术与工程班级 1050212 开题时间2013年3月10日答辩时间2013年6月10日指导教师 张建毅 职 称讲师 廊坊城市旺点17号楼场地土层地震反应分析作 者:许涛指导老师:张建毅摘要 本项设计的性质是通过分析土层地震反应,根据有关钻孔信息，围绕土动力学参数的影响，收集整理钻孔资料的模量比和阻尼比，建立土层计算模型，利用天然地震波作为基岩输入，进行土层地震反应计算分析,并且能够熟练运用相关软件做到理论联系实际，完成土层地震反应分析。通过这些数据和地方区域综合分析根据有关钻孔信息，得出相应结论用于抗震规划设防项目的使用,采用三个工况，分别选用不同地震波，不同峰值加速度，不同填土厚度，比较标准反应谱，绘制表格求出特征周期。关键词：反应谱；土层计算模型； 土层地震反应反应分析,Langfang city flourishing point 17 floor of site soil seismic response analysisCandidate:XutaoSupervisor:ZhangJianyiAbstract：This design is based on the analysis of the properties of the soil seismic response, according to the information about drilling, the influence of the surrounding soil dynamics parameters, collect modulus ratio and damping ratio of borehole data, establishing soil calculation model, the use of natural seismic wave as the input for the foundation, soil layer seismic response calculation analysis, and able to skillfully use related software to achieve the theory with practice, complete the soil seismic response analysis. Through the comprehensive analysis of these data and local area according to the information about drilling, the corresponding conclusion to use fortified against planning projects.Keywords：Response spectrum; The soil calculation model; The soil seismic response analysis of reactio目录引言11工程概况11.1钻孔数据的采集1层号4土层名称4ZK1孔4层号5土层名称5ZK4孔51.2设计数据52. 一维土层地震反应分析方法72.1模型建立72.2线性阻尼土层地震反应92.3计算程序框图113.构建场地模型及分析计算123.1工况一:关于同一峰值加速度选取地震波不同绘制反应谱133.2工况二:通过改变加速度峰值和其所对应的反应谱绘制分析。153.3工况三:对于填土厚度不同反应谱对比分析17四、分析和结论194.1分析194.2结论20致谢21参考文献21防灾科技学院毕业设计引言场地条件对地震动有明显的影响，是确定设计地震作用的关键因素。特别是部分场地条件对地震波的传播有较为显著的影响，它表现为对场地地震动放大或缩小，并直接影响到地震灾害程度的分布。因此，场地条件对地震动(峰值加速度、持时、反应谱等)的影响一直是地震学家和地震工程学家共同关注的问题。如何估计场地条件对地震动特性的影响， 并在工程结构抗震设防中考虑这响成为人们多年来一直研究的问题。对于场地条件来讲，工程地震学研究中指的是场所地区的工程地质水文地质条件，其中主要包括场所的地形地貌、各类岩土的构成和物理性质、地理构造以及水文地质条件等2。一般在研究场地条件时可从局部地形(地形地貌)、覆盖土层厚度、土层结构、土的动力参数及活断层影响等方面来分析，在这方面前人做了大量的工作并且许多成果已被各种规范所采用。需要注意的是，已获得的强震记录大多缺少场地条件资料，特别是我国的强震记录(汶川地震前)几乎没有详细的场地条件资料，使理论分析的结果无法用实际的强震记录检验；土的动力学参数即土的非线性资料的测试偏差将直接影响理论计算的结果2。还有，应用以一维剪切梁模型为基础，将地震波输入看做剪切运动并假设场所为一维水平成层的土层模型来进行场地地震反应的分析方法和内容时，前人构造了大量有标志性的的钻孔土层模型.1工程概况1.1钻孔数据的采集拟建场地位于薛南路南侧，和平路东侧。本次勘探，高程采取绝对高程系统拟修建建筑12层，长23.60米，宽23.5米；框架结构，基础埋深约3.0米，拟采用筏片基础。本次勘探钻探探索地下35.0米深度范围内，地层主要为人工填土层、第四系全新统河湖相和层粉质粘土以下上更新统沉积，岩性以粉土、粘性土及粉细砂为主，依据地层成因及工程性质，将所探索地层划分成11个地志单元，014个工程地质层.层杂填土：杂色，稍密，以建筑垃圾为主，局部有素填土。层厚0.801.80米，层底标高11.9812.98米。第四系全新统沉积层层粉土: 黄色，稍密中密，局部密实，湿，干强度低，低韧性，摇振反应中等，无光泽，夹粉质粘土薄层。该层分布较稳定，层厚1.402.50米，层底标高10.4810.58米。层粘土：褐灰色，可塑，干强度中等，高等压缩性，中等韧性，切面光滑，见锈染，夹粉土薄层，夹少量腐殖质。该层分布较稳定，层厚0.500.90米，层底标高9.689.98米。层粉土：灰色，中密，湿，干强度低，低韧性，摇振反应中等，无光泽，见锈染，含云母。该层分布较稳定，层厚0.801.30米，层底标高8.688.95米层粉质粘土：褐灰色，软塑可塑，干强度中等，中等高压缩性，中等韧性，稍有光泽，含礓石，含螺壳，见锈染。该层分布较稳定，层厚0.401.50米，层底标高4.324.28米。-1层粉土：黄灰色，中密密实，湿，干强度低，低韧性，摇振反应中等，无光泽，含云母，礓石，见锈染，夹粉质粘土薄层。该层分布较稳定，层厚1.202.60米，层底标高2.783.18米。层粉质粘土：褐灰色，可塑，干强度中等，中等压缩性，中等韧性，稍有光泽，含礓石，夹粉土薄层。该层分布较稳定，层厚3.704.80米，层底标高-1.72-0.75米。层粉土：黄色，中密密实，湿，干强度低，低韧性，摇振反应中等，无光泽，夹粉质粘土薄层，含螺壳，礓石。该层分布较稳定，层厚1.502.20米，层底标高-3.32-2.95米。层粉质粘土：褐黄色，可塑，干强度中等，中等压缩性，中等韧性，稍有光泽，局部夹粉土薄层，局部夹砂粒，夹粉土薄层。该层分布较稳定，层厚4.004.40米，层底标高-7.42-6.95米。层细砂：黄色，密实，饱和，主要成分：石英、长石、云母，颗粒级配良好，夹粉土薄层。该层分布较稳定，层厚1.601.90米，层底标高-9.22-8.85米。-1层粉土：褐黄色，中密密实，湿，干强度低，低韧性，摇振反应中等，无光泽，含云母，夹粉砂薄层。该层局部孔未被钻穿，揭露层厚2.602.80米。上更新沉积层层粉质粘土：褐黄色，可塑，干强度中等，中等压缩性，中等韧性，摇振反应无，稍有光泽。层厚2.602.70米，层底标高-14.28-14.25米。层粘土：黄色，可塑，干强度中等，中等压缩性，中等韧性，稍有光泽，见锈染。该层未被钻穿，揭露最大层厚5.90米。-1层粉土：褐黄色，密实，湿，干强度低，低韧性，摇振反应中等，无光泽，含云母，含礓石。层厚1.001.30米，层底标高-19.35-19.28米。明场区浅层地下水为第四系松散层孔隙潜水，勘察期间，实测稳定水位埋深6.006.10米，标高7.727.95米，表1.1-1勘探点主要数据一览编 号类 型坐标位置高程孔深地 下 水稳定水位XY深度高程(m)(m)(m)(m)ZK1技术孔4378619.00 476087.03 13.78 25.00 6.00 7.78 ZK2技术孔4378626.20 476110.00 13.82 35.00 6.10 7.72 ZK3技术孔4378603.36 476091.98 13.95 35.00 6.00 7.95 ZK4技术孔4378602.32 476107.92 13.78 25.00 6.00 7.78 根据建筑抗震设计规范 GB 50191-2012的规定，该场地做二个波速测试孔分别为ZK1和ZK4孔，场所20米深度范围内的等效剪切波速分别176.1m/s、179.8m/s，测试资料见插表1.1-2，同时查阅廊坊市区域地质资料，可知场地覆盖层厚度大于50米，即场地类别为类。设计特征周期为0.45s。 表1.1-2 剪切波速测试成果结果 层号土层名称ZK1孔深度（m）层厚(m)剪切波速Vs(m/s)杂填土0.80.8152.3粉土3.32.5171.4粘土3.80.5167.8粉土5.11.3173.7粉质粘土6.11.0165.5-1粉土8.01.9181.1粉质粘土9.01.0172.6-1粉土10.61.6184.4 粉质粘土15.44.8177.8粉土16.91.5189.4粉质粘土20.03.1178.420m深度以上等效剪切波速值176.1表1.1-3 剪切波速测试成果结果 层号土层名称ZK4孔深度（m）层厚(m)剪切波速Vs(m/s)杂填土1.81.8154.2粉土3.21.4173.4粘土4.10.9166.8粉土5.00.9178.8粉质粘土5.40.4166.4-1粉土8.02.6192.8粉质粘土9.31.3174.4-1粉土11.01.7196.4 粉质粘土15.54.5179.9粉土17.11.6199.1粉质粘土20.02.9181.120m深度以上等效剪切波速值179.81.2设计数据表2.1 各类土的动剪切模量比和阻尼比土类剪应变模量比淤泥0.8600.7900.6000.4700.1650.0900.0150.010淤泥质粘土0.9850.9700.8450.7300.3200.2100.0850.058淤泥质粉粘土0.9850.9700.8450.7300.3200.2100.0850.058粘土0.9800.9600.8250.7100.3300.2000.0500.025粉质粘土0.9800.9700.8400.7300.4000.2500.0700.030粉土（密）0.9850.9750.8580.7540.4170.2850.0950.035粉土（松）0.9600.9300.7700.6500.3000.2000.0600.035密实砂土0.9800.9650.8850.8050.5600.4480.2200.174中密砂土0.9650.9350.7750.6600.3000.2500.1050.090松散砂土0.9200.8800.7000.5750.2600.1780.0580.018砂砾石0.9900.9700.9000.8500.7000.5500.3200.200杂填土0.9600.9500.8000.7000.3000.2000.1500.100基岩1.01.01.01.01.01.01.01.0阻尼比淤泥0.0300.0350.0550.0770.1370.1650.2200.235淤泥质粘土0.0120.0150.0330.0550.1360.1700.2000.205淤泥质粉粘土0.0120.0150.0330.0550.1360.1700.2000.205粘土0.0120.0150.0370.0560.1300.1650.2350.254粉质粘土0.0120.0150.0370.0560.1120.1370.1700.180粉土（密）0.0050.0080.0250.0400.0950.1170.1480.159粉土（松）0.0120.0170.0360.0500.0870.1050.1480.155密实砂土0.0050.0070.0200.0350.0800.1000.1200.124中密砂土0.0060.0100.0300.0450.0880.1030.1240.130松散砂土0.0150.0220.0500.0650.1040.1250.1450.150砂砾石0.0040.0060.0190.0300.0750.0900.1100.120杂填土0.0250.0280.0300.0350.0800.1000.1100.120基岩0.050.050.050.050.050.050.050.052. 一维土层地震反应分析方法2.1模型建立场地条件对地震动影响分析的理论模型计算方法基于场地模拟的力学模型结合动力方程的数值求解，以确定场地地震动参数方法，人们通常称之为地表土层地震反应分析方法。一维场地模型是一种半无限弹性均匀基岩空间上覆盖水平成层土体的较为理想的场地力学模型，如图2-1所示。对于大多数局部场地或大面积场地（如城市区划场地）的局部范围内出场地地震影响分析这一方法从的工程角度考虑满足应用要求。 图2.1线性土层反应分析对于水平成层模型，如图2.1所示，假设基岩地震波垂直入射，则土层中同一平面内质点运动相同，只需要一个垂直坐标Z表示，地震反应是一维波动现象，横向非均匀变化场地要考虑界面和岩土特性随空间的变化，求解的是二维或三维波动问题。先看线性弹性土层地震反应，设平面波入射到平面界面上，反射波和透射波与入射波的关系。假定是谐波入射。 反射波和透射波也一定是相同频率，相同波速的谐波：反射波：；透射波：反射波的小括号中负号，表示向下传播；投射波的波速变位，表示进入另一个介质。现在的问题是由振幅E确定反射波振幅.两个未知数，需要两个定解条件，即位移和应力连续。 应力等于刚度乘应变因为是剪切波，所以用剪切刚度，又因为是一维平面波，只有一个坐标Z，应变等于位移乘以长度。带入求解得到： ， ， 式中称为波阻抗比。对于N层土层，在每个分界面上，有很多来回的反射波和透射波，因为是谐波，总可以合并成上行波和下行波，由此可由简单的两层推广到多层土。对于某一个界面来说，可以得到界面上下两侧波幅系数的关系： （1）这个关系式表示连接土层界面上下波幅的关系。由此可以一层套一层连接起来，推导出转换矩阵表示邻层振幅的递推关系： ，n=1，2，3.N=1 （2） 式中：为第n层的波幅矢量。转换矩阵为： （3）式中： 为第n层的厚度；为第n层的波数。由此可推得顶层与任一层间的波幅转换关系： （4）式中：称为传递矩阵： （5）传递矩阵只与图层的厚度，密度和波速有关，与输入无关。带入地表应力为零的边界条件,于是可得： （6） （7）式中：；。由此可得到地表地震动向基岩内反射波与基岩地震动幅之间的转换关系： （8） （9）将基岩的暂态输入通过福利叶变换展开成谐波，得到每个谐波的稳态解后，再经过傅里叶反换就得到地表或任一一层的地震动。注意如果用基岩表面的地震动为输入时，考虑地表的放大作用，可减半作为埋伏基岩的输入。地震动的时程的离散化使得计算结果在有限频段内有效，低频截止频率为 ，高频段截止频率为。2.2线性阻尼土层地震反应在线弹性土层反应的基础上，用复阻尼考虑线性阻尼的影响，为此改写地N层的剪切刚度，波速和波数为： 式中：为第N层的阻尼比，上标带星号的表示考虑复阻尼后的参数。 土层的等效剪切波速，应该按以下公式确定： 其中：土层等效剪切波速（m/s），：计算深度，取覆盖层厚度和 20m 二者较小值，t：剪切波在地面和计算深度之间的时间，计算深度范围内第i土层的厚度(m)，Vsi：计算深度范围内第 i 土层的剪切波速(m/s)，n:计算深度内土层的分层数。根据计算的等效剪切波速，结合钻孔资料得到的覆盖层厚度，现廊坊奥富斯小区类别为类场地。地震波合成有以下3步骤：（1） 其中：为功率谱；为加速度反应谱；为阻尼比；为反应不超过反应谱值的概率，一般取 p0.85；为总持续时间。（2）用三角级数迭加法，生成零均值的平稳高斯过程其中：初相角为0，2中均匀分布的随机量；（3）将平稳高斯过程乘以非平稳强度包络函数得到非平稳加速度时程 非平稳包络函数取如下形式： 式中：T1为幅值上升段的结束时刻；T1-T2为幅值平稳段；T3为总的持续时间；C 为幅值衰减系数。在合成过程中，采用逐步逼近目标函数的方法，使合成的加速度时程 a(t)精确满足基岩加速度峰值，并近似满足基岩加速度反应谱 Sa(n)，其相对误差小于容许误差。在此取容许误差为 5%。2.3计算程序框图本文使用的是场地地震反应的一维模型分析方法，计算程序框 输入计算控制数据、土层剖面资料、加速度时程计算输入加速度时程的傅氏谱对输入自然土层剖面进行计算分层非线性关系数据，并计算初始等效波速值计算每两层土界面上的波阻抗比计算土层位移及剪应变的传递函数计算土层等效剪应变及对应的等效值计算并输出加速度时程、反应谱及其他量 图2.3.1 场地地震反应的一维模型分析方法3.构建场地模型及分析计算 大多数情况下由于地质沉积作用，土层基本上是水平成层的，因此水平成层模型是土层地震反应分析中最基本的模型。图 3.1 抗震设防烈度标准反应谱表 3.2 抗震设防烈度和设计地震动的对应关系抗震设防烈度6789设计基本地震动加速度值0.05g0.10(0.15)g0.20(0.30)g0.40g结合数据选取阻尼系数，分别输入钻孔一和钻孔四的土类信息并且完善data2，其中内容包括土层分号，厚度，密度，土层所相对应的剪切波速，data1包括不同地震波不同的地震动时程，date3里的加速度峰值根据表3.2以及廊坊地区的抗震规划设计分别取了人工波0.5,0.1，elcentro波0.5,0.1之后得出工况一工况二四幅图。3.1工况一:关于同一峰值加速度选取地震波不同绘制反应谱 图3.1.1输出反应谱elcentro波加速度峰值0.05图3.1.2输出反应谱人工波加速度峰值0.05 图3.1.3输出在加速度峰值0.05下el波和人工波加速度时程图3.1.4输出反应谱el波和人工波加速度峰值0.05结论一 在同一地区选取不同的两个地震波来记录数据，在相同的峰值加速度相同情况下，记录反应谱最大值基本一致，地震动时程也基本一致 。 二 在周期0.1到1之间，elcentro波明显持续在人工波之上超过1以后elcentro波明显在人工波之下，差值不大最大差值在50上下。三 通过钻孔1和钻孔4的观察发现无论选取哪个地震波下图像也基本一致，上下波动不超过45。四 以上结论归纳为在选取地震波的时候，一要考虑其测特征周期的范围，再根据其特征周期范围找到最适合的那条地震波，从而达到工程抗震规划的稳定和安全。3.2工况二:通过改变加速度峰值和其所对应的反应谱绘制分析。具体方法首先改变data1里的数据，把加速度峰值均改为0.1，其他参数不变，绘制钻孔1和钻孔四在加加速度峰值0.1下的反应谱，之后选取人工波来分析，通过拟合得到3.2.3人工波在加速度峰值0.05和0.1的一个比较。图3.2.1输出反应谱人工波加速度峰值0.1图3.2.2 输出反应谱elcentro波加速度峰值0.1图3.2.3输出反应谱人工波波加速度峰值变化结论一.抗震规范烈度改变峰值加速度从0.05到0.1，发现其加速度最大值并没有随着改变加速度峰值而发生太大变化。二.过程计主要选取人工波来进行分析，包括上下其波动差额最大不超过15.三.征周期的最大值依然在相同位置在0.9左右，最大值不变依然是600，其衰减频率和节奏基本一致。3.3工况三:对于填土厚度不同反应谱对比分析之后改变data2里的参数，改变其填土厚度的大小，本项设计主要通过把填土厚度增大3m在其他条件相应改变情况下先绘制钻孔一钻孔四在elcentro波在加速度0.05和0.1下的反应谱曲线，之后选取加速度峰值0.05下的增大前和增大后绘制反应谱进行对比分析。图3.3.1输出反应谱elcentro波加速度峰值0.05厚度增大3m图3.3.2 输出反应谱elcentro波加速度峰值0.1厚度增大3m图3.3.3输出反应谱elcentro波加速度峰值0.05增大3m结论一过选取同一地震波增大上覆盖土层厚度分别在加速度峰值0.05和0.1条件较，从其变化快慢，最大值，波动曲线基本一致。二选取elcentro波增大前和增大后加速度峰值均为0.05条件下绘制反应谱，由图3.3.3明显可看出增大覆盖土层厚度加速度最大值明显减少，差值在120上下。三由图线也变化较大，在周期0.01秒到1秒这段未改变一直比增大后显著加速度值要高，在周期5以后，增大厚度所对应的反应谱超过其未改变曲线。四综合来看，同一地震波，对于该厚峰值0.05和0.1，分别增大其土层度，绘制反应谱差别不大，对于同一峰值，增大前后，发生明显变化，覆盖土层越厚，其加速度最大值越小。四、分析和结论4.1分析根据所绘制的反应谱根据老师报告参考绘制表4.1.1表4.1.1特征周期工况1.8m4.8m0.05gAmax173.4150.1amax0.3980.345Tg1.3261.3130.1gAmax174.4154.4amax0.4000.354Tg1.3121.296表中Amax，vmax从软件可得，选取两个钻孔的平均值进行计算，其地震影响系数max和特征周期Tg按照给出的式(1)、公式(2)计算。Tg=4.44×Vmax Amax （4.1） max=2.25×Amax 980 （4.2）4.2结论一从抗震规范设计中截取标准反应谱和所绘制的六个反应谱进行比较分型，反应谱随标准反应谱上下波动，tg基本一致，为工程提供依据。图 4.2.1 抗震设防烈度标准反应谱二整个设计出现三个工况工况一通过选取两个钻孔分别选用elcentro波和天然地震波进行绘图和对比，并计算数值。结论加速度最大值和其特征周期基本一致，其中两个反应谱围绕着标准反应谱上下波动。工况二通过改变两个地震波的加速度峰值，根据河北地区的抗震规范选取6度区和7度区加速度峰值分别为0.05，0.1进行绘图对比分析。工况三通过选取其中elcentro波在加速度峰值分别为0.05和0.1改变覆盖土层厚度增大3m所绘制图和原土层厚度进行分析并绘制表格计算地震影响系数和特征周期tg进行对比分析。结论增大填土厚度加速度最大值明显减小，特征周期tg变化影响不大。致谢本文是在张建毅老师的指导下完成的。感谢张老师每次在百忙之中抽空耐心的指导和帮助，同时也感谢帮助过我的同学们。从毕业设计开始到论文的选题、构思最后修改成文都凝聚了张老师很多的心血和时间，经过这次毕业论文的编写，深感老师认真负责、思维活跃、知识阅历丰富，是我以后工作学习的榜样，老师精简的话语内涵而风趣的向我展示了本行业所最基本的东西，并将使我受益终生。最后，再一次感谢所有帮助过我的老师们和同学们。参考文献田启文，路鹏，李小军，周雍年.工程地震学基础防灾科技学院试用教 材.2008刘德东，齐文浩，张宇东，兰景岩.现行土层地震反应分析存在的问题防灾科技学院学报第11卷第3期,2009张建毅1,2，薄景山1,2，林 玮1，蔡晓光1,2，赵培培北川县城土层特性对地震动影响研究.4薄景山，李秀领，刘红帅. 土层结构对地表加速度峰值的影响地震工程与工程振动第23卷 第3期，20035抗震设计规范GB50191-2012抗震烈度规划6周文国 郝延绵编著工程测量测绘出版社；2012.7齐玉来 牛永胜 马婕编著autocad建筑制图基础教程（2006）版清华大学出版社；2011.8牛志荣等编著.复合地基及其工程实例M. 北京：中国建材出版社.；2000.9本书编委会编.简明地基基础结构设计施工资料集成M.北京：中国电力出版社.；2005.10图集编绘组编.工程建设分项设计施工系列图集地基基础工程（上）M.北京：中国建材工业出版社；2004.22