合肥城區基于抗倒塌的地表地震動峰值加速度研究

解惠婷，曹均鋒，3，馮偉棟，彭劉亞

（(1.安徽省地震工程研究院，合肥 230031；2.安徽省地震局，合肥 230031；3.合肥工業大學，合肥 230009)）

0 引言

合理的地震動參數設計是震災防御的基礎，是一般工程進行抗震設防的重要參考依據。2015 年發布的最新版地震動參數區劃圖提出了最大考慮地震的概念（50 年2%），以其為編圖的基準[1]，可見抗倒塌的設計目標對保障人民生命安全有著十分重大的意義。

合肥市是中國長三角城市群副中心城市，近年來，城區建設飛速發展，重要建筑物和生命線工程不斷增加，隨之對工程的地震安全也提出了更高的要求。50 年超越概率2%的罕遇地震參數是抗倒塌設計的基礎，第五代地震動參數區劃圖中給出罕遇地震和基本地震動地表峰值加速度倍數的1.6～2.3 之間，受地震構造、場地條件等因素的影響浮動較大。因此本文從抗倒塌（50 年超越概率2%）的角度出發，采用一維土層等效線性方法，對合肥城區特有場地條件下的地震動參數進行分析討論。

1 合肥城區地貌及第四系分布特征

1.1 地貌特征

合肥市位于華東地區，江淮丘陵中部，地貌景觀為微波起伏，崗沖相間。地形總趨勢由西北向東南傾斜，西部大蜀山海拔282 m，巢湖淺灘海拔最低，約6 m，區內地形標高大多在10～50 m 之間，南淝河自西北部水庫向東繞城，繼而向南流入巢湖（圖1）。地貌類型可細分為低丘、波狀平原和沖積平原。低丘位于西北大蜀山位置，是構造剝蝕地貌，主要由次火山巖、熔巖、火山碎屑巖組成；波狀平原分布廣泛，分布于河流二級階地，階面有起伏，其上坳溝發育，為侵蝕堆積地貌；沖積平原廣泛分布于河漫灘、一級階地，屬于堆積地貌[2]。

圖1 合肥場地地形立體簡圖（圖中數字為地表高程，單位：m）Fig.1 The stereogram of the topography of Hefei urban area(the figure is the surface elevation,unit:m)

1.2 地層及第四系分布特征

合肥地區在元古代末期最終形成剛性基底，至三疊紀均處于古陸狀態，缺失相應的沉積構造。中生代以來，受華北地塊和揚子地塊拼合的影響，斷裂構造活動強烈，合肥地區發生斷裂沉降，形成了合肥盆地，沉積了侏羅紀—古近紀以來的一套巨厚陸相碎屑物，基巖巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖[3]。

第四紀以來，地殼升降活動明顯，合肥大部分地區被第四系覆蓋，覆蓋層厚度由西北向東南增大，由新到老可劃分如下：

（1）全新統：蕪湖組全新統分布于一級階地及河漫灘，為青灰色或褐黃色淤泥質粘土、粉質粘土、粉細砂、含礫中粗砂等；

（2）上更新統：下蜀組上更新統廣泛分布于二級階地上，為棕黃色粘土或粉質粘土；

（3）中下更新統：義城組主要分布于濱湖新區、經開區等地，巖性為粘土、粉質粘土、細砂、中砂等。

總體來說，覆蓋層厚度差異較大，西北、西部及西南覆蓋層厚度較小，最小為4 m，一般為10～24 m，東部及東南部覆蓋層厚度較大，一般為25～58 m，巢湖沿岸第四系沉積厚度最大，最厚可達58 m左右（圖2）。

圖2 合肥城區場地覆蓋層等厚線圖(圖中數字為覆蓋層厚度，單位：m）Fig.2 The contour map of site covering layer in Hefei urban area（the figure is the overburden thickness，unit：m）

1.3 場地類別劃分

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016 年版）中場地類別劃分標準，建筑物的場地類別應根據土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分[4]（表1）。

表1 場地類別劃分依據Table 1 The basis of site classification

根據上述規范中土層等效剪切波速的計算公式，對研究區36 個鉆孔的土層等效剪切波速進行計算和統計，結果場地類別均為II類場地。

2 地震動參數的計算結果與分析

2.1 基本資料

參考歷年合肥城區地震安全性評價報告，選取36 個典型工程場地的鉆孔資料，鉆孔較均勻分布于研究區內（圖3），覆蓋層厚度在4～58 m 之間，與合肥城區覆蓋層厚度變化基本相符；鉆孔第四系土層包括全新統、上更新統、中更新統及下更新統地層，并包括河漫灘、一級階地及二級階地等合肥地區典型地貌。鉆孔資料可靠，并具有一定區域代表性，一定程度上能反映合肥城區場地的情況。各鉆孔的土類特征詳見表2。

表2 鉆孔土類特征Table 2 The soil characteristics of boreholes

圖3 鉆孔平面分布圖Fig.3 The plane distribution map of boreholes

地震危險性分析中采用的潛源劃分方案和地震動衰減關系對基巖地震動參數值影響較大，文中潛源的劃分采用了新一代全國地震區劃圖所使用的潛在震源區劃分原則和方案，確定對合肥地區有影響的潛在震源區地震活動性參數；地震動衰減關系則選取與五代圖相配套的中國東部活躍區地震動參數衰減關系。

利用概率危險性分析方法和一維土層等效線性化方法，得出超越概率50 年63%、10%和2%（多遇地震動、基本地震動、罕遇地震動）條件下基巖的輸入地震動以及特定場地條件下的地震動參數。

2.2 計算結果與分析

為了便于敘述與分析，在此引入地震加速度放大系數概念：ksp=asp/arp，其中ksp 為50 年超越概率為p的加速度放大系數；asp為50年超越概率為p時的地表峰值加速度；arp 為50 年超越概率水平為p時的基巖峰值加速度[5-7]。各鉆孔覆蓋層厚度及50年超越概率為63%、10%、2%時的加速度放大系數數據見表3、圖4及圖5。

表3 鉆孔模型覆蓋層厚度及不同超越概率加速度放大系數Table 3 The overburden thickness of borehole models and the acceleration amplification coefficients under different exceedance probabilities

圖4 覆蓋層厚度對不同超越概率的加速度放大系數的影響Fig.4 Influence of the overburden thickness on acceleration amplification coefficients under different exceedance probabilities

圖5 覆蓋層厚度及土層結構對不同超越概率的加速度放大系數的影響Fig.5 Influence of the overburden thickness and the soil layer structure on acceleration amplification coefficients under different exceedance probabilities

由圖4可以看出：

（1）土層對三種超越概率的地震動均有不同程度的放大作用，總體來看，50 年超越概率63%時的放大系數最大，平均值為1.39；50 年超越概率2%時的放大系數最小，平均值為1.31，50 年超越概率10%時的放大系數介于兩者之間；

（2）放大系數隨場地覆蓋層厚度的變化而變化，覆蓋層厚度為4 m 時，各個超越概率的放大系數均最小，隨著覆蓋層厚度的增加，放大系數明顯增大，并在10 m～15 m 后趨于穩定，此后隨著覆蓋層的增大，放大倍數無明顯增大，但在20 m～30 m處有幾處突增；

（3）覆蓋層厚度大于40 m 以后，大震及中震的放大系數略有下降，而小震的放大系數還未有明顯下降趨勢。

以上規律表明，在不同覆蓋層厚度及不同地震動條件下，土體表現的非線性特性是有所區別的。下面具體分析不同超越概率條件下，土層特性、覆蓋層厚度對放大系數的影響規律。

由圖5 可以看出，50 年超越概率2%時，放大系數在1.24～1.38 之間，平均值為1.31。覆蓋層厚度小于10 m 時，放大系數隨覆蓋層厚度的增大而增大；覆蓋層厚度大于10 m，放大系數在1.25～1.38 之間浮動，并在覆蓋層厚度大于48 m 后，放大系數呈明顯下降趨勢。同時，覆蓋層厚度在24 m、28 m、30 m、38 m、48 m 處有突增。分析這幾個鉆孔的模型的資料，有突增的模型大多是含有除雜填土外的全新統土層，土性有淤泥質粘土、粉質粘土等，鉆孔位置分布在河漫灘或者一級階地上；另外覆蓋層30 m 處的突增鉆孔，含有中下更新統的中砂土土層，也對放大系數有增大的作用。

50年超越概率10%時，放大系數在1.26～1.46之間，平均值為1.36。覆蓋層厚度小于10 米時，放大系數隨覆蓋層厚度的增大而增大；覆蓋層厚度大于10 m，放大系數在1.33～1.46之間浮動，其中覆蓋層厚度在24 m、28 m、30 m、38 m、39 m處有突增。在覆蓋層大于45 m 后，放大系數呈明顯下降趨勢。分析這幾個鉆孔的模型的資料，有突增的模型大多是含有除雜填土外的全新統土層，土性有淤泥質粘土、粉質粘土等，鉆孔位置分布在河漫灘或者一級階地上；另外覆蓋層30 m 處的放大系數的突增，也表明其含有中下更新統的中砂土土層的鉆孔，對放大系數有增大的作用。

50年超越概率63%時，放大系數在1.33～1.48之間，平均值為1.39。覆蓋層厚度小于15 m 時，放大系數隨覆蓋層厚度的增大而增大；覆蓋層厚度大于15 m，放大系數在1.33～1.48之間浮動，且隨著覆蓋層厚度的增大，放大系數并無明顯下降趨勢?？傮w來看，含全新統的土層和含中下更新統中砂土的土層鉆孔，其放大系數是大于其他鉆孔模型的。

第五代中國地震動參數區劃圖（GB18306-2015）6.2規定，罕遇地震動峰值加速度宜按基本地震動峰值加速度1.6～2.3倍確定[8]。下表用放大倍數M代表罕遇地震動地表峰值加速度與基本地震動峰值加速度的比值，合肥地區36 個鉆孔的M值計算結果如表4所示。

表4 各鉆孔罕遇地震動峰值加速度與基本地震動峰值加速度及其放大倍數MTable 4 The peak acceleration of basic ground motion and the rare ground motion of each borehole and their amplification factor M

由表4 和圖6 分析得出，合肥地區罕遇地震動峰值加速度與基本地震動峰值加速度比值在1.67～1.86之間，平均值為1.81。

圖6 放大倍數M隨覆蓋層厚度變化關系圖Fig.6 The relationship of amplification factor M with the overburden thickness

3 結論

通過對覆蓋層厚度在4～51 m 范圍內36個典型鉆孔土層放大系數Ks 及罕遇地震動峰值加速度放大倍數M的分析，得到以下初步結論：

（1）36 個鉆孔具有一定的代表性，涵蓋了合肥城區的典型地貌、土層以及覆蓋層厚度。

（2）合肥城區范圍內，土層對多遇、基本及罕遇地震動均有不同程度的放大效應，放大系數在1.24～1.48之間?？傮w來看，多遇地震（50年超越概率63%）的放大系數最大，罕遇地震（50 年超越概率2%）的放大系數最小。

（3）根據上文分析，在合肥城區進行抗倒塌計算時，其地表峰值加速度的放大系數一般在1.24～1.38 之間浮動，均值1.31。當土層含有全新統淤泥質粘土、粉質粘土時，或其工程位置為位于河漫灘、一級階地處，其放大系數明顯變大；當土層含有中下更新統的中砂，或者其工程位置位于濱湖新區等地時，其放大系數也有明顯增加。

（4）合肥地區罕遇地震動峰值加速度與基本地震動峰值加速度比值在1.67～1.86 之間，平均值為1.81。

上述研究得到的初步結論相對于中國地震動參數區劃圖而言，更具有地域針對性，可為今后合肥地區建筑物抗震設計，特別是在抗倒塌設計時的地震動峰值加速度的取值提供一定參考意義。