Investigation on the Effect of Surface Soft Soil on Seismic Ground Motion Parameter in Bohai Sea, China
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摘要: 渤海海域软土层土对场地设计地震动参数取值具有显著影响。选取渤海中部钻孔剖面作为计算场地模型基础，分别构建软土和硬土场地模型，并通过改变软土层厚度，构造新的场地模型。采用等效线性化方法（EL法）和非线性计算方法（NL法）分别对场地模型进行地震反应分析，分析了海底软土层土对地震动参数的影响。研究结果表明：海底软土层土对地震动峰值加速度的影响显著，随着地震动输入增加，软土层放大效应减弱，减震作用逐渐增强；EL法中，软土层土对基岩反应谱的高频部分具有明显滤波作用，而NL法中，滤波作用较弱，海底面反应谱随地震动输入的增大先放大后减小；软土层土会降低设计地震动地震最大影响系数，增大特征周期。对于海域工程，特别是深基础工程抗震设计地震动参数的确定，从保守角度考虑，建立场地模型时建议删除软土层。Abstract: The surface soft soil in Bohai presents a significant impact on the ground motion design parameters. The boreholes in the central Bohai are selected as the basis for the seismic response simulation. The site models with surface soft soil and without surface soft soil are constructed respectively, and a series of new soil models are constructed by changing thickness of surface soft soil. The seismic site response analyses are performed by equivalent linear wave propagation analysis (EL) and nonlinear analysis (NL). The influences of the surface soft soil on the ground motion parameters are concluded as follows. The submarine surface soft soil has a significant impact on the peak acceleration of ground motion. The amplification effects of the soft soil layer fade with the increasement of the input ground motion, and the reduction effects strengthen gradually. In the EL method, the surface soft soil layer has obvious filtering effects on the high-frequency part of the bedrock response spectrum. In the NL method, the filtering effects are much weaker, and the seabed surface response spectrum appears as the input ground motion increases at first and decreases afterwards. The maximum of the seismic effect coefficient decrease, and the characteristic periods of response spectra increase because of the existence of surface soft soil. It is recommended to remove the soft surface layer before building the site model for the determination of the marine engineering ground motion parameters.
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Key words:
- Bohai sea /
- Nonlinear analysis /
- Surface soft soil /
- Ground motion parameters
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引言
20世纪海洋资源开发程度较低，海域工程抗震设防需求少，且海域探测手段有限，使海域地震和地质研究工作基础与研究水平较陆域低。21世纪，随着“海洋强国”“21世纪海上丝绸之路”等国家战略的实施，使海洋资源开发、建设进入快速时期，海域重大工程（如海洋平台、海底隧道、跨海大桥等）的地震安全成为海域发展的重要技术问题。
渤海地区是北部海洋经济圈和京津冀协同发展重点地区，油气资源储量丰富，是我国海洋石油开发的重要场所，兴建大量海洋石油平台。渤海是我国东部陆缘海湾，也是北东向郯庐断裂带和北西向张家口—蓬莱断裂带交汇区，断裂规模大，活动强烈，地震活动性强度大、频度高（徐杰等，2015，2016）。海洋油气平台作为重要工程设施，需专门开展场地地震安全性评价工作，为抗震设计提供设计地震动参数（Zhang等，2019）。海域场地地震安全性评价参考陆域场地技术方法开展，但海域场地条件复杂，存在特殊性，如海盆地形、局部软厚沉积层、海水对海床的动力响应影响等。海域场地地震动特性与陆域场地存在差异（胡进军等，2013；Wallace等，2016；李小军等，2020；周越，2020；Hu等，2020），如渤海海床表层覆盖1层厚约8 m的暗灰色海相淤泥沉积层（牛作民，1986）。按照陆域场地研究中常用的等效线性化方法（EL法）对厚软土场地进行地震反应分析（廖振鹏等，1989），输入中、大地震动时，表层地震峰值加速度和反应谱等存在较大误差（李小军等，2001）。导管架式海洋石油平台采用深埋基础或桩基础，持力层一般位于海床下50～80 m深的土层，在抗震设计中，根据海床层位参数进行折算得到持力层设计地震动参数，因此，海床软土层土对海洋平台抗震设计参数具有重要影响，海域厚软土场地地震反应分析及考虑地震时的场地效应对海洋平台的影响是海域工程抗震研究中的重要课题（朱镜清等，1999；李小军，2006；李小军等，2020）。
在强烈的地震波作用下，土体应力-应变关系表现出非线性、滞后性和变形积累性，这些特性对地震动参数的确定具有重要影响（陈国兴等，2013）。目前，国内工程地震研究中主要采用EL法对土层非线性问题进行简化，Idriss（1992）根据大量试验总结的土体剪切模量和阻尼比随剪应变变化的非线性规律进行土体动力特性研究。但EL法对于大应变和非线性较强的软土场地适用性较差，非线性计算方法（NL法）更能真实反映土体在应力状态下的非线性物理过程，荣棉水等（2013）对Davidenkov模型和Hardin-Drnevich模型在软土场地的适用性进行了论证，但尚未形成统一公认的软土本构模型。Bolisetti等（2014）、Kaklamanos等（2015）、Zhan等（2011）、朱姣等（2018）对EL、NL法进行了对比，普遍认为EL法在强震时低估场地地表峰值加速度，且高频部分计算结果误差较大，具有明显的滤波作用，NL法计算结果更接近台站记录值。
渤海海底软土层对地震动参数的影响显著，软土层吸收了高频波能量，加强了对低频波的放大效应，地震波卓越周期向低频方向移动，加剧地震对高层建筑的破坏作用（吕悦军等，2008）。鉴于渤海海底存在深厚、软弱沉积土层，等效线性模型在该区域的适用性较差，本文采用DEEPSOIL软件（Hashash，2020）对比分析渤海海底软土层非线性和等效线性地震反应，探究不同分析方法对海底软土场地地震动效应的影响，并为海域工程地震安全性评价相关工作提供科学依据。
1. 计算方法
1.1 土体动力本构模型
利用DEEPSOIL软件进行分析时，将波的传播问题近似地归结为剪切波一维垂直传播问题，等效线性模型是近似的非线性黏弹性模型，地震反应分析方法与SHAKE等专业土层地震反应分析程序中的方法类似（Hashash，2020）。当真实地震波穿过土层时，土体承受极不规则的循环荷载，在平均意义上用1条等效稳态回线近似地表示所有回线平均关系，将水平场地土层地震反应分析简化为一维波动问题。根据试验给定的剪切模量、阻尼比与动剪切应变幅值关系，通过迭代方法，确定等效动剪切模量和滞回阻尼比，将非线性土层地震反应问题简化为线性土层地震反应问题。
DEEPSOIL软件中的NL法将土柱按多自由度集中质量模型离散成单层，每层由相应的质量、非线性弹簧和阻尼器表示，将2个连续层质量的一半集中在共同边界上形成质量矩阵。刚度矩阵随着应变的增加不断更新，以考虑土体非线性。土体本构关系采用Hashash（2020）提出的双曲线模型，该模型是基于固结压力和Kondner等（1963）的双曲线模型，由Matasovic修正，并在骨架曲线中添加了调整系数：调整系数：
$$ \tau =\frac{{G}_{0}\gamma }{1+\beta {\left(\dfrac{\gamma }{{\gamma }_{\rm{r}}}\right)}^{S}} $$ (1) 式中：
$ \tau $ 为剪应力；$ {G}_{0} $ 为最大剪切模量；$ \gamma $ 为已知应变；$ {\gamma }_{\rm{r}} $ 为参考应变；$ \beta $ 、$ S $ 为相关拟合参数。1.2 场地特征
渤海为陆架浅海盆地，海底坡度平缓，渤海东部沿岸为岩质或砂砾质海岸，西部和西南部为粉砂质淤泥质海岸，海底现代沉积物以黄河、辽河等河流搬运的陆源碎屑物质为主（蔡锋等，2013；王中波等，2016，2020）。渤海整体海底地形变化较小，表层覆盖强度很低的海相淤泥沉积层，厚约8 m（牛作民，1986；刘晓瑜等，2013）。本文选取位于渤海中部的3个场地作为计算场地模型基础，场地表层覆盖6～8 m粉质黏土软土层，其余土层为粉砂、粉砂质细砂、粉土、砂质粉砂、砂质粉土、细砂等，依次记为场地1、2、3，上覆20 m深度内的等效剪切波速分别为176、156、162 m/s，按照《建筑抗震设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2010）（GB 50011—2010）均划分为Ⅲ类场地，场地土层分布如图1所示。
分别对土层进行剪切波速试验和应力控制振动三轴试验，确定每个场地土层剪切波速，根据蒋其峰等（2014）对渤海海域常见土类在不同埋深的动力学参数的统计分析，通过MRDF方法对非线性参数进行拟合，拟合参数b=0，使双曲线模型不考虑深度的影响，根据拟合结果，按不同埋深绘制各类土剪切模量比、阻尼比和剪应变关系曲线，如图2所示。由图2可知，当土类相同时，剪切模量比（G/Gmax）随深度的增加而增加，阻尼比随深度的增加而减小，表明浅层土非线性特征较深层土明显。
进行非线性计算时，每层土分层厚度根据允许地震动传播最大频率
$ {f}_{\rm{max}} $ 确定：$$ h=\frac{{V}_{\rm{S}}}{4{f}_{\rm{max}}} $$ (2) 式中：
$ {V}_{\rm{s}} $ 为土层剪切波速。由于各土层厚度与剪切波速的不确定性，取
$ {f}_{\rm{max}} $ 为25～50 Hz，对非线性土层模型进行分层，选取弹性半无限空间下的基岩，剪切波速为500 m/s，重度为22 kN/m3，阻尼比为0.05，作为地震动输入界面，采用二阶频率计算的Rayleigh阻尼作为黏滞阻尼。等效线性土层模型采用的非线性参数、土层分层和基岩面参数与非线性土层模型保持一致。1.3 场地模型构建
为分析软土层对地震动参数的影响，根据Zhou等（2021）对海域软土层的定义，剔除原始场地表层剪切波速小于150 m/s的土层，作为新的场地模型，采用EL法和NL法进行场地地震反应计算，与原始场地模型计算结果进行对比，分析软土层对场地地震动参数的影响。
为进一步分析软土层厚度对地震动参数的影响，以剔除表层剪切波速小于150 m/s的场地模型作为基础模型，构建含不同厚度软土层的模型，软土层厚度每隔2 m由0 m逐渐增至20 m，剪切波速取100 m/s，每个场地构建10个土层模型，共构建30个场地模型，20 m深度内等效剪切波速为100～225 m/s，属Ⅲ、Ⅳ类场地。
软土层土剪切模量比和阻尼比采用荣棉水等（2013）的渤海海域典型软土统计均值，拟合后的软土剪切模量比与阻尼比随剪应变的变化关系如图2所示。
1.4 地震动输入
输入地震动强度对场地地震反应分析具有显著影响，本文选取渤海中部某场地基岩地震动反应谱作为合成输入地震动时程目标谱。该场地位于沙东7.0级潜在震源区内，具体位置为沙南7.5级潜在震源区北35.0 km、渤东南8.0级潜在震源区西北66.5 km、唐山8.0级潜在震源区东南86.5 km，地震危险性来自近场和中场大震。依据《工程场地地震安全性评价》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2006）（GB 17741—2005），确定基岩地震动水平加速度反应谱，结合区域地震活动特征确定强度包络函数，采用拟合目标函数的三角级数迭加法合成基岩地震动加速度时程，分别作为小震、中震、大震地震动输入，基岩地震动峰值加速度分别为39、64、97、153、216、315 cm/s2。
时程采样步长为0.02 s，选择66个周期作为拟合目标谱控制点，控制点周期为0.04～6.0 s，按对数等间距分布，目标谱与合成时程反应谱相对误差<5%。目标谱、拟合谱对比图和基岩水平加速度时程曲线如图3所示。
图 3 目标谱、拟合谱对比图和基岩水平加速度时程曲线Figure 3. Time histories and response spectrum of the input ground motions on bedrock2. 计算结果与分析
2.1 不同计算方法对地震动的影响
2.1.1 峰值加速度随基岩输入地震动变化规律
不同计算方法对软土场地和硬土场地峰值加速度的影响如图4所示。由图4可知，对于软土场地，随着基岩输入地震动峰值加速度的增大，EL、NL法得到的地表峰值加速度均呈逐渐增加的趋势。当基岩输入地震动峰值加速度<0.10 g时，EL、NL法得到的地表峰值加速度基本相同，此时土层表现出近似于线弹性状态；当基岩输入地震动峰值加速度>0.15 g时，EL法得到的地表峰值加速度大于NL法，土层表现出较强的非线性，2种方法计算结果差异明显。对于硬土场地，随着基岩输入地震动峰值加速度的增大，EL、NL法得到的地表峰值加速度均呈逐渐增加的趋势。当基岩输入地震动峰值加速度<0.10 g时，EL、NL法得到的地表峰值加速度基本相同，但均小于软土场地地表峰值加速度，此时场地地震效应近似为线弹性；当基岩输入地震动峰值加速度>0.15 g时，场地土体进入强非线性阶段，EL法得到的地表峰值加速度明显大于NL法。
图 4 不同计算方法对软土场地和硬土场地峰值加速度的影响Figure 4. Peak ground acceleration of soft soil sites and hard soil sites from different simulation methods综上所述，当基岩输入地震动峰值加速度<0.10 g时，EL、NL法得到的软土场地和硬土场地地表峰值加速度均表现出放大效应，软土场地放大作用更显著；当基岩输入地震动峰值加速度>0.15 g时，EL法得到的软土场地地表峰值加速度大于硬土场地，NL法得到的软土场地地表峰值加速度小于硬土场地，场地非线性效应显著，即当强地震动输入时，NL法得到的软土场地地表峰值加速度小于基岩输入地震动峰值加速度，软土场地表现出明显的减震作用。基岩输入地震动峰值加速度较大时，表层土在地震反应中表现出较强的非线性，土层处于或接近屈服状态，NL法得到的地表峰值加速度小于EL法。
2.1.2 峰值加速度随深度衰减关系
渤海海底覆盖较厚淤泥质软弱土层，如果采用海底表层土层位设计地震动参数折算到持力层层位，得到的设计地震动参数不能真实体现实际地震发生时工程结构地震反应。陈国兴等（2013）通过二维非线性有限元分析模型，得到大地震远场地震动峰值加速度随土层深度折减明显的结论，因此，研究地震作用下软土场地峰值加速度随深度的衰减关系极为重要。
EL、NL法得到的场地1峰值加速度变化规律如图5所示，由图5可知，对于软土场地，当基岩输入地震动峰值加速度<0.1 g时，EL、NL法得到的地表峰值加速度随着深度的增加基本呈逐渐减小的趋势，当深度达20 m后，地表峰值加速度基本保持不变，与基岩输入地震动峰值加速度相当；当基岩输入地震动峰值加速度>0.15 g时，EL、NL法得到的地表峰值加速度沿深度方向先减小，到达软土层与硬土层（剪切波速Vs>150 m/s）交界处时迅速增大，到达峰值后缓慢减小，该峰值一般大于海底泥面值，这表明软土层土具有显著减震作用。对于硬土场地，场地浅土层峰值加速度随深度增加呈逐渐递减的趋势，可见明显的土层放大作用。EL、NL法得到的场地1均在6～10 m深层位处产生优势放大效应，NL法得到的优势放大效应更明显，此深度处为土层模型软土与硬土分界面，土层非线性参数发生改变，土层剪切波速发生了显著变化，分界面上下层阻抗差异性显著。整体来看，对于软土场地，EL、NL法得到的软土层土对场地峰值加速度衰减规律影响明显，地表峰值加速度无法准确反映场地受到的地震作用。
图 5 EL、NL法得到的场地1峰值加速度变化规律Figure 5. Peak ground acceleration of site NO 1 obtained by equivalent linear wave propagation analysis and nonlinear analysis2.1.3 基岩地震动频谱关系对地表反应谱的影响
通过3个场地模型计算得到6种超越概率下软土场地EL、NL法地表反应谱，为更好地表现地表反应谱与基岩反应谱的关系，引入反应谱比值（地表反应谱与基岩反应谱的比值）作为评判标准，结果如图6所示。由图6可知，3个场地模型下反应谱比值变化规律基本相同，受基岩地震动输入强度的影响较显著。EL法得到的反应谱比值随着地震动输入强度的增大，最大值逐渐向长周期方向移动，在短周期范围内（周期为0.04～0.2 s），小震输入时，反应谱比值>1.0，并随着基岩输入地震动强度的增加而减小，地表地震反应表现出明显的放大作用；中震和大震输入时，地表反应谱略小于基岩反应谱，海底地表软土层对高频地震波具有显著的滤波作用，输入地震动强度越大，减震效果越明显。NL法得到的反应谱比值与EL法基本相同，但在短周期范围内，小震输入时，NL法得到的反应谱比值略大于EL法，NL法放大效应更显著；中震、大震输入且在中长周期范围内（周期为0.4～1.2 s），NL法得到的反应谱比值略小于EL法，变化趋势基本一致，但峰值略有不同。随着基岩输入地震动强度的增加，地震动高频部分呈先放大后被过滤的规律，中长周期具有显著放大作用。
图 6 反应谱比值随基岩输入地震动的变化Figure 6. Site response spectrum with different input ground motions on bedrock2.2 软土层厚度对地震动参数的影响
通过研究不同厚度软土场地地表反应谱地震影响系数最大值和特征周期变化特征，进一步探究软土层厚度对地震动参数的影响。在地震安全性评价工作中，分析计算过程往往涉及许多不确定性因素，工程抗震设计需通过计算模型对实际问题进行简化，结合工程经验和相关规范规定给出设计值。利用水平地震影响系数最大值和反应谱特征周期可表示场地设计谱曲线，根据龚思礼（2002）的研究，利用我国地震动参数区划图用速度反应谱最大值和加速度反应谱最大值的比值确定特征周期：
$$ T_{\rm{g}} = 2{\rm{{\text{π}} }}\cdot\frac{{{S_{\rm{v}}}}}{{{S_{\rm{a}}}}}$$ (3) 式中：
$ {S}_{\rm{v}} $ 为速度反应谱最大值；$ {S}_{\rm{a}} $ 为加速度反应谱最大值。地震影响系数最大值
$ {\alpha }_{\rm{max}} $ 由下式计算（高孟潭，2015）：$$ {\alpha }_{\rm{max}}=2.5\times \frac{{A}_{\rm{max}}}{980} $$ (4) 式中：
$ {A}_{\rm{max}} $ 为峰值加速度。2.2.1 软土层厚度对地表峰值加速度的影响
场地1、2、3分别增加2、4、6 m软土层后计算得到的地表峰值加速度如图7所示，由图7可知，随着软土层厚度的增加，场地模型地表峰值加速度均降低，EL、NL法得到的地表峰值加速度随深度变化趋势基本相同，且EL、NL法得到的地表峰值加速度差值随着基岩输入地震动强度的增加而增大。当软土层厚度为4 m时，小、中、大震输入开始观察到地表峰值加速度降低，大震输入时地表峰值加速度降低现象更明显，放大作用减弱；当软土层厚度为6 m时，中、大震输入，NL法得到的地表峰值加速度小于基岩输入地震动峰值加速度，该厚度下软土层对场地地震具有减震作用，EL法得到的地表峰值加速度略高于基岩输入地震动峰值加速度；当软土层厚度为8 m时，EL、NL法计算结果均表明软土层具有减震作用，NL法得到的减震效果更明显；软土层厚度继续增加，地表峰值加速度持续降低。在软土层剪切波速为100、150 m/s的分界面，由于剪切波速变化，导致分界面波阻抗发生变化，出现明显的深部放大作用，且软土层越厚，场地减震效果越明显。
图 7 软土层厚度对地表峰值加速度的影响Figure 7. Effects of soft surface thickness on peak ground acceleration2.2.2 软土层厚度对地表反应谱的影响
场地1在小、中、大震输入时，0、4、8、12、16、20 m厚软土层反应谱比值如图8所示。由图8可知，总体上，EL、NL法得到的反应谱比值变化趋势基本相同，随着软土层厚度的增加，反应谱比值峰值向长周期方向移动，短周期范围内反应谱比值不断减小，软土层对地震波具有较强的滤波作用，高频部分被过滤，低频部分得到加强。小震输入时，软土层厚度为12 m时，高频部分明显降低，EL、NL法得到的地表反应谱与基岩反应谱基本相同，随着软土层厚度的继续增加，2种方法得到的反应谱比值略小于1，地表反应谱在高频部分低于基岩反应谱。软土层厚度为8 m时，随着软土层厚度的继续增加，EL法得到的反应谱比值最大值增长趋势缓慢，基本保持不变；NL法得到的反应谱比值最大值随着软土层厚度的增加不断增大，持续向长周期方向移动，直至6 s仍未出现峰值。当软土层厚度较大时，EL法无法准确展现大地震动输入时地表反应谱低频部分。
2.2.3 软土层厚度对地震影响系数最大值和特征周期的影响
在小、中、大震输入时，场地1、2、3软土层厚度与地震影响系数最大值及特征周期的关系如图9所示。由图9可知，软土层厚度和输入地震动强度对地震影响系数最大值及特征周期有显著影响，且具有一定规律性。对于给定的输入地震动，当软土层厚度达一定值（4～6 m）时，EL、NL法得到的地震影响系数最大值达到峰值，然后随着软土层厚度的增加，地震影响系数最大值不断降低，当厚度达20 m后，地震影响系数最大值基本保持不变，且输入地震动强度越大，地震影响系数最大值越大。小震输入时，软土层厚度为2～6 m时，EL、NL法得到的地震影响系数最大值基本相同；中、大震输入时，不同软土层厚度下，EL法得到的地震影响系数最大值较NL法大。特征周期随着软土层厚度的增加逐渐增加，NL法得到的特征周期增长较快，特征周期最大值较大。当软土层厚度为20 m时，EL法得到的特征周期开始保持不变，当软土层厚度为2～8 m时，EL、NL法得到的特征周期基本相同，随着软土层厚度和输入地震动的增加，EL、NL法得到的特征周期出现差异，小震输入时，NL法得到的特征周期略大，中、大震输入时，软土层厚度越大，EL、NL法得到的特征周期差值越大。
图 9 地震影响系数最大值与特征周期随软土层厚度的变化Figure 9. Site coefficient and characteristic period with different soft soil thickness3. 结论与建议
本文在渤海海域场地钻孔数据的基础上，分别采用EL、NL法进行场地建模，并通过改变软土层重构场地模型，探究小、中、大震输入时，软土层及厚度对地表峰值加速度、反应谱比值、地震影响系数最大值和特征周期的影响，为海域工程结构抗震设防提供科学依据。
（1）随着基岩输入地震动强度的增大，EL法得到的地表峰值加速度逐渐增加；NL法得到的地表峰值加速度先逐渐增加，当基岩输入地震动较大时，增长速度变慢。EL、NL法得到的地表反应谱比值峰值均逐渐向长周期方向移动，海底地表软土层对地震波高频部分具有先放大后过滤的作用，对低频部分的放大作用一直增加。
（2）随着软土层厚度的增加，EL、NL法得到的地表峰值加速度均降低，当软土层厚度达4 m时，出现减震作用，且减震作用越来越强烈。随着软土层厚度的增加，EL、NL法得到的反应谱比值峰值逐渐增加，且向长周期方向移动，当软土层厚度达8 m后，EL法得到的反应谱比值峰值基本保持不变；NL法得到的反应谱比值峰值持续增加，且持续向长周期方向移动。随着软土层厚度的增加，EL、NL法得到的特征周期逐渐增大，NL法得到的特征周期大于EL法。随着地震动输入的增大，EL、NL法得到的特征周期均增加。
根据本研究结果，在确定海域工程，特别是深基础工程抗震设计地震动参数过程中，对于位于强震构造环境中的场地，采用NL法计算时，需考虑软土层对地震动参数的影响，从保守角度考虑，建立场地模型时建议删除软土层。
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图 3 目标谱、拟合谱对比图和基岩水平加速度时程曲线
Figure 3. Time histories and response spectrum of the input ground motions on bedrock
图 4 不同计算方法对软土场地和硬土场地峰值加速度的影响
Figure 4. Peak ground acceleration of soft soil sites and hard soil sites from different simulation methods
图 5 EL、NL法得到的场地1峰值加速度变化规律
Figure 5. Peak ground acceleration of site NO 1 obtained by equivalent linear wave propagation analysis and nonlinear analysis
图 6 反应谱比值随基岩输入地震动的变化
Figure 6. Site response spectrum with different input ground motions on bedrock
图 7 软土层厚度对地表峰值加速度的影响
Figure 7. Effects of soft surface thickness on peak ground acceleration
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