整理工程地震实习报告.docx
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整理工程地震实习报告
防灾科技学院
实习报告书
专业勘查技术与工程
系别防灾工程系
报告题目西昌市土层地震反应分析计算
班级1050211学号105021133
报告人王亚红指导教师刘必灯
实习时间2013.5.27-6.1实习地点北校实验楼205
教务处监制
报告内容摘要：
工程地震学基础课程综合实习报告主要内容大体分为两部分，人工合成地震动和一维土层地震反应线性化计算分析。
具体来讲有，2条人工合成地震动记录的合成和1条天然地震动记录的改造；一维土层模型和场地分析模型的熟悉和建立（主要是4个输入数据文件DATA.DAT,DATA1.DAT,DATA2.DAT,DATA3.DAT的数据含义及其创建和修改方法）；西昌市钻孔资料和数据的整理、分析与输入；采用一维土层地震反应分析计算程序对西昌市3个钻孔进行土层地震反应计算得出的钻孔处地表的地震动加速度时程、峰值加速度、速度、位移和加速度反应谱数据以及对输出结果进行整理分析对比，在Excel下画出的散点曲线图。
最后是结束语，是对此次工程地震学基础课程综合实习的总结和个人的收获与体会。
指导教师评语：
成绩：
指导教师（签名）：
年月日
前言
工程地震学是从工程角度研究与减轻地震灾害有关的地震问题，预测工程场地的地震动参数，对工程场地的地震安全性进行评价，以便采取抗震设防措施，最大限度地减轻地震灾害。
工程地震学是介于地震学与土木工程学之间的一门学科。
地震学研究地震本身的发生机制，对地震发生的时间、地点和强度作出预测。
而工程地震学则是在地震预报的基础上，研究它的破坏作用，对地震的破坏影响作出预测，以便对土木工程结构的抗震设计提供科学依据。
因此，该课程是地震和工程两方面知识的综合和发展。
工程地震综合实习模块，我们将学习场地地震反应分析的意义，一维土层地震反应分析计算程序的使用；程序输入数据文件DATA、DAT、DATA1、DATA2、DATA3的建立与数据修改；通过地震危险性分析人工合成基岩地震动，建立场地的分析模型；根据西昌市新世纪MALLC03公共钻孔和ZK33的土层资料和13类土的土动力学参数，对西昌市MALLC03钻孔土层进行粗分，对西昌市ZK33个人钻孔进行粗分、细分，通过程序软件计算出场地模型输入人造地震动后的输出结果；对程序输出结果在Excel环境下绘制地震动加速度时程及反应谱图，最后对得到的结果进行相应的解释与对比。
实训时间为2013年5月27日到6月1日，通过实训，使学生巩固了课
堂所学理论知识，深入地理解了地土层地震反应分析方法；掌握了用土层反应分析计算程序；熟练运用EXCEL对计算结果进行绘图；学会了编写实训报告。
第一章场地地震反应分析的意义
地震发生时，地震波从震源体发出经地壳介质传播至地球表，引起地球表面局部场地振动，即场地地震动。
工程结构所在地，即支撑并对其地震反应有直接影响的地基称为场地。
震害调查及强震记录表明，地表覆盖土层对地震地面运动的幅值、频谱及强震动持续时间等有重要影响。
大多数情形下，认为地表土层对地震波有放大作用；发生地震时，基岩面的加速度可能并不大，但是由于场地条件不好可能引起地表加速度的剧烈放大，从而对结构产生严重的破坏，如软土场地的震害比基岩严重；震害与土层的厚度有关，厚土层的卓越周期相对较长，因此引起高层建筑物的共振破坏；盆地的震害（盆地效应导致地震波能量被吸收）比周边严重，但在特殊情况下，如地表有较强硬的持力层，而下部含有软弱夹层，则软弱夹层可能会起某种减震作用。
因此，对工程场地进行土层地震反应分析是必要的。
在地震危险性分析和确定设计地震动中，一般都是先确定基岩面的地震动，然后再考虑土层对地震动的影响。
地基岩土结构和特性、地形地貌、地质构造、浅表断层、水文地质条件、工程地质条件等工程要素对地震动和地面破坏有强烈的影响，对结构抗震有至关重要的作用。
为了在抗震设计中达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，必须考虑场地条件对地震动特性的影响，其分析方法总体有两类，一是近似估计的经验方法，通过经验方法利用强震记录资料及计算分析结果统计给出以场地特性指标为控制量的场地地震动的特征参数，给出平均值，适合于一般房屋和工程结构的建设；的二是本次实习中的理论模型计算方法，建立场地土层计算力学模型，通过土层反应分析计算程序计算地震反应量。
针对特定场地或重要工程对地震动输入与结构地震反应分析的精度要求较高，需利用理论分析方法来考虑工程场地条件对设计地震动的影响。
第二章场地地震反应分析步骤
地表土层反应分析方法给出的是场地地表和不同深度处的相关地震动参数，这一方法的基本步骤是：
（1）用地震危险性分析所给出的在一定设防水平下的自由基岩面地震动参数（峰值加速度、加速度反应谱和包络函数等），采用人工地震动合成方法得到场地基岩地震动时程，并以此确定场地反应计算中的基底入射地震波。
（2）利用工程场地工程地质勘测资料，建立场地对地震动影响分析的计算力学模型。
对局部场地介质分层界面、下卧基岩面及地表面较为平坦的场地，建立一维场地力学模型；对于土层界面、下卧基岩面及地表面沿一个水平方向较平坦的场地，建立二维场地力学模型；对于土层界面、下卧基岩面及地表面沿二个水平方向均起伏较大的场地，建立三维场地力学模型。
（3）利用数值计算方法，求解工程场地对应的力学模型在已知基底入射波情况下的动力反应，并给出场地地表或地下给定深度处的地震动时程及相应的加速度反应谱或其他有关的反应量。
（4）对场地地震反应计算结果予以综合评判，确定场地地表或某一深度处的设计地震动参数，即场地相关地震动峰值加速度和加速度反应谱等。
第三章基岩人造地震动和天然波的改造
地震动是造成地震时结构破坏的主要原因，影响场地地震动的主要因素有地震震源特性、地震波从震源传播至场地的途径及场地条件。
对区域地震地质构造、地震活动性、潜在震源区划分及活动性参数确定和区域基岩地震动峰值加速度和反应谱衰减关系研究的基础上，采用地震危险性的概率分析方法给出了基岩地震动峰值加速度和反应谱值，这一结果已包含了地震震源特性、地震波从震源传播至场地的途径对场地地震动的影响。
以地震危险性分析得到的基岩峰值加速度和反应谱作为人工合成地震动的目标函数，结合适应工程场地区域地震活动特征的强度包络函数，采用拟合目标函数的三角级数叠加法合成基岩地震动加速度时程，作为场地土层地震分析分析的地震动输入。
基岩地震动加速度时程的方法合成的基本思路是用一个三角级数构造一个零均值的平稳高斯过程，然后乘以强度包络函数，得到非平稳的基岩加速度时程。
采用地震危险性分析结果与地震动时程合成过程中地震动能量匹配的原则，即以地震危险性分析所得到等效震级与距离，以及由地震动持时参数统计经验所得的地震动持时作为参考，在地震动时程合成过程中综合考虑地震动反应谱与强度包络参数之间的匹配情况，调整地震动持时参数值，最终综合确定地震动持时参数。
西昌市基岩地震动的确定首先根据地震危险性分析资料和地震危险性分析结果得到地震烈度与基岩地震动水平峰值加速度评定结果（表3.1）和加速度反应谱评定结果（表3.2），并将其与等效地震相应的包线函数等参数值代入人工合成地震动程序（SAW）进行基岩地震动加速度时程的合成。
表3.1西昌市地震烈度与基岩地震动水平峰值加速度评定结果
50年超越概率
63%
10%
3%
地震烈度，I
7.0
8.9
9.7
峰值加速度，a（cm/s/s）
124
398
647
注：
来自田启文.西昌市基岩地震动确定.防灾科技学院，2012。
表3.2基岩地震动加速度反应谱评定结果（单位：
cm/s/s,阻尼比5%）
周期（秒）
50年超越概率
63%
10%
3%
0.04
150.7
494.3
784.4
0.05
159.7
520.0
826.7
0.07
192.0
613.6
978.5
0.10
273.6
882.4
1429.0
0.12
283.7
908.7
1431.9
0.14
292.8
950.7
1505.7
0.16
321.9
1028.5
1690.5
0.18
288.3
936.9
1481.9
0.20
300.9
951.0
1532.7
0.24
291.9
932.9
1508.7
0.26
290.1
938.3
1516.9
0.30
308.9
994.1
1641.9
0.34
299.7
952.0
1602.2
0.36
281.3
924.9
1519.1
0.40
280.3
879.7
1444.6
0.44
262.5
841.8
1422.5
0.50
221.7
688.6
1112.3
0.60
191.9
649.3
1060.6
0.70
181.2
577.5
970.5
0.80
156.0
497.4
846.6
1.00
127.1
403.5
630.9
1.20
92.9
319.6
496.7
1.50
76.8
243.6
396.9
1.70
69.2
225.6
385.4
2.00
56.4
204.8
350.2
2.40
37.6
148.9
254.1
3.00
29.7
113.6
204.9
4.00
22.3
84.7
158.3
5.00
16.5
62.2
118.7
6.00
12.9
49.3
92.3
注：
来自田启文.西昌市基岩地震动确定.防灾科技学院，2012。
本文采用的是西昌市基岩人造地震动合成结果。
使用的资料是西昌市防震规划设计相关资料，人工合成基岩地震动加速度时程峰值约为300.400gal之间，目标反应谱最大值均为约1000gal。
根据上面在50年超越概率为10%的设防水平下给出的基岩峰值加速度、加速度反应谱与包线函数，采用合成地震动的数值方法合成了二条基岩地震动加速度时程曲线，如图3.1、3.3所示；二条基岩地震动加速度反应谱曲线，如图3.2、3.4所示。
这二条基岩加速度时程分别如图所示,2个图的区别在于编写LI1文件时用的随机相位不同，图3.1、3.2的随机相位为2013，,图3.3、3.4的随机相位为21133。
图3.1西昌市人工合成基岩地震动加速度时程（随机相位为2013）
图3.2人工合成地震动加速度反应谱拟合程度情况（随机相位为2013）
图3.3西昌市人工合成基岩地震动加速度时程（随机相位为21133）
图3.4人工合成地震动加速度反应谱拟合程度情况（随机相位为21133）
为方便和人工合成地震波做比对，需对天然地震波进行改造。
图3-5天然波改造基岩地震动加速度时程曲线
人造合成地震动，并非真实的地震动，但有一定的规律可循，实际工程中不能仅凭一条人工合成地震动为代表来进行建筑结构的抗震设计，为满足实际工程需要，规范规定至少输入3条地震动，所以工程地震综合实习我们采用了2条人工合成地震动记录和1条天然地震动记录。
通过设置不同的随机数确定不同的初始相位，不同地震波计算得出的反应谱不同，得到的平台值等也不同，通过取平均值为工程所应用，采用2条人工合成地震动记录和1条天然地震动记录，这样不仅可以取平均，还可以避免随机错误的发生，更加具有说服力。
第四章场地地震反应的一维土层模型分析方法
4.1一维土层模型计算方法简介
一维场地地震反应分析方法所涉及的主要问题是图层介质模型和动力方程的建立、土体介质非线性特性的考虑及动力方程的求解。
对于一维场地力学模型，图层介质动力方程的建立较为方便，可以建立连续介质波动方程或有限元离散形式动力（波动或振动）方程，建立何种形式的动力方程取决于采用什么样的方法求解动力反应，而动力方程求解方法的选取有与土体非线性特性的考虑方法有关。
在一维成层场地地震反应分析方法中，较早出现的是时域弹性波传播理论方法，但这一方法实际上只能给出覆盖土层层数减少（如一、二层）情况下的反应解。
而后出现了频域弹性波传播理论方法，这一方法则适用于任意土层层数情况。
4.2等效线性化土层地震反应分析方法
等效线性化土层地震反应分析方法是一种间接考虑土体非线性特性的方法，主要分为两个部分，一是频域线性波动方程的求解，二是土体非线性的等效线性化处理。
4.3线弹性土层的稳态地震反应
土层模型如图4.1所示。
个土层覆盖在基岩均匀半无限空间之上，各覆盖层厚度、介质质量密度和剪切模量分别为
，
和
，
=1，2，…，
，下卧基岩半空间的质量密度和剪切模量为
和
。
各层界面的编号已标示于图3.1中。
采用局部坐标系并将z轴的坐标原点设置在各层上界面，正方向垂直向下。
设第
层（基岩半空间）的入射地震波位移（略去时间因子
，下同）为
（4.1）
其中，
和
分别为基岩的剪切波波数和波速。
第
层地震波位移的频域一般解可以表示成
（4.2）
其中，
，
，分别为第
层剪切波波数与波速，
和
分别为第
层介质内上行和下行波波幅系数。
求解这一波动问题的关键是传递矩阵概念。
所谓传递矩阵就是把任意两层的波幅系数联系起来的矩阵，它可由相邻两层的波幅系数之间的转换关系导出。
建立了传递矩阵之后，依据边界条件即可求得问题的解答。
专项规划工业、农业、畜牧业、林业、能源、水利、交通、城市建设、旅游、自然资源开发有关的专项规划。
环境影响报告书
（5）法律、行政法规和国务院规定的其他建设项目。
（6）环境影响评价结论的科学性。
（一）环境影响评价的概念
意愿调查评估法（简称CV法）是指通过调查等方法，让消费者直接表述出他们对环境物品或服务的支付意愿（或接受赔偿意愿），或者对其价值进行判断。
在很多情形下，它是唯一可用的方法。
如用于评价环境资源的选择价值和存在价值。
1.规划环境影响评价的技术依据
（4）跟踪评价的结论。
第一节 环境影响评价图4.1土层地震反应分析的一维力学模型
4.4非线性土层暂态地震反应的等效线性化解法
建设项目环境影响评价技术服务机构（以下简称“环评机构”）应当按照《建设项目环境影响评价资质管理办法》的规定申请建设项目环境影响评价资质（以下简称“环评资质”），经国家环境保护部审查合格，取得《建设项目环境影响评价资质证书》后，方可在环评证书规定的资质等级和评价和范围内从事环境影响评价技术服务。
由于在非线性条件下叠加原理不成立，土层的非线性暂态地震反应不能利用傅里叶变换通过叠加各个频率的稳态解求得。
为了应用叠加原理必须引入新的假定，这就是等效线性化的假定。
所谓等效线性化就是在总体动力学效应大致相当的意义上用一个等效的剪切模量
及等效阻尼比
去替换所有不同应变振幅下的
及
。
由于
及
与应变振幅无关，整个问题化为线性问题。
因此，实际计算时，先假定每一土层内介质反应的初始等效动力剪切应变，利用上述方法进行反应计算，并计算出相应的土层内中点处介质的剪应变反应的最大值，而后取每一土层内层中点处介质反应的最大剪应变值乘以折减系数（常取0.65）的值作为该土层中介质的等效剪应变的计算值。
比较计算所用等效剪切应变及计算所得等效剪切应变相对应的等效动力剪切模量和滞回阻尼比值，如果它们的相对误差都小于给定的允许误差（这里取0.05），则认为土体的非线性特性的考虑满足了要求；否则，以最新计算所得等效剪切应变值取代初始等效剪切应变值，并重复上述计算过程，直到相对误差都小于允许误差为止。
表一：
项目基本情况；
第五章场地模型建立
对工程场址进行场地地震反应分析。
场地工程地震条件调查工作提供了场址的钻孔资料。
工程地质钻孔资料包括钻孔深度、土层分层厚度、土层岩性描述等。
本次实习计算了新世纪MALLC03公共钻孔、西昌市ZK33个人钻孔、西昌市ZK33个人细分钻孔，建立了各钻孔的场地土层地震反应一维计算模型。
土动力学参数和钻孔数据见表5.1—5.4所示。
5.1新世纪MALLC03公共钻孔（粗分）场地模型
新世纪MALLC03公共钻孔（粗分）场地模型后，对输入数据文件DATA、DAT、DATA1、DATA2、DATA3的建立与数据修改，通过地震反应分析计算程序输出数据，在Excel环境下在新世纪MALLC03钻孔（粗分）地表地震动加速度时程图和地震动加速度反应谱曲线（如图6.1——6.4所示），
表5.1新世纪MALLC03公共钻孔数据表
序号
土层名称
土层深度
（m）
土层厚度
（m）
波速
（m/s）
质量密度g/cm3
土类
1
杂填土
2.1
2.1
130
1.9
12
2
粉土
4.4
2.3
145
2.0
7
3
粉质粘土
6.9
2.5
210
2.1
5
4
粉土
9.2
2.3
240
2.0
7
5
粉土
12.4
3.2
250
2.1
6
6
粉砂
16.6
4.2
260
2.1
10
7
粉质粘土
21.5
4.9
280
2.0
5
8
粉砂
31.0
9.5
300
2.1
9
9
粉质粘土
39.5
8.5
340
2.1
5
10
粉砂
44.5
5.0
380
2.1
8
11
粉质粘土
56.3
11.8
430
2.0
5
12
基岩
500
2.2
13
5.2西昌市ZK33个人钻孔场地模型
西昌市ZK33个人钻孔场地模型，对输入数据文件DATA、DAT、DATA1、DATA2、DATA3的建立与数据修改，通过地震反应分析计算程序输出数据，在Excel环境下绘制出西昌市ZK33个人钻孔（粗分）地表地震动加速度时程图和地震动加速度反应谱曲线（如图6.4——6.8所示）。
表5.2西昌市ZK33个人（粗分）钻孔数据表
序号
土类
岩性名称
层底
深度（m）
层厚（m）
横波
速度Vs（m/s）
密度
（cm/g
）
1
12
人工填土
1.5
1.5
160.7
1.7
2
5
粉质粘土
2.8
1.3
197.5
1.8
3
5
卵石
7.8
5.0
279.8
2.0
4
5
粉质粘土
11.1
3.3
288.5
1.9
5
5
卵石
20.0
8.9
455.9
2.2
5.3西昌市ZK33个人钻孔（细分）场地模型
西昌市个人钻孔（细分）场地模型，对输入数据文件DATA、DAT、DATA1、DATA2、DATA3的建立与数据修改，通过地震反应分析计算程序输出数据，在Excel环境下绘制出西昌市ZK33个人钻孔细分的地表地震动加速度时程图和地震动加速度反应谱曲线（如图6.9——6.12所示）。
表5.3西昌市ZK33个人细分钻孔数据表
层底深度（m）
岩土类型
剪切波速（m/s）
分层厚度（m）
密度
（g/cm^3）
土动力学参数序号
1
1.5
人工填土
160.7
1.5
1.7
12
2
2.5
粉质粘土
197.1
1
1.8
5
3
2.8
粉质粘土
197.5
1.3
1.8
5
4
3.8
卵石
213.96
1
2.0
5
5
4.8
卵石
230.42
1
2.0
5
6
5.8
卵石
246.88
1
2.0
5
7
6.8
卵石
263.34
1
2.0
5
8
7.8
卵石
279.8
1
2.0
5
9
8.8
粉质粘土
282.7
1
1.9
5
10
9.8
粉质粘土
285.6
1
1.9
5
11
11.1
粉质粘土
288.5
1.3
1.9
5
12
12.1
卵石
307.1
1
2.2
5
13
13.1
卵石
325.7
1
2.2
5
14
14.1
卵石
344.3
1
2.2
5
15
15.1
卵石
362.9
1
2.2
5
16
16.1
卵石
381.5
1
2.2
5
17
17.1
卵石
400.1
1
2.2
5
18
18.1
卵石
418.7
1
2.2
5
19
19.1
卵石
437.3
1
2.2
5
20
20
卵石
455.9
0.9
2.2
5
5.4土动力学参数
数据文件DATA3.DAT，此文件为土的非线性曲线ζ（γ），G（γ）的数据文件。
表格中G（γ）对应DATA3中每组数据中的第一行数据，而ζ（γ）对应DATA3中的第二行数据。
表5.4各类土的动剪切模量比和阻尼比
土类
剪应变
模量比
淤泥
0.860
0.790
0.600
0.470
0.165
0.090
0.015
0.018
淤泥质粘土
0.985
0.970
0.845
0.730
0.320
0.210
0.085
0.058
淤泥质粉粘土
0.985
0.970
0.845
0.730
0.320
0.210
0.085
0.058
粘土
0.980
0.960
0.825
0.710
0.330
0.200
0.050
0.025
粉质粘土
0.980
0.970
0.840
0.730
0.400
0.250
0.070
0.030
粉土（密）
0.985
0.975
0.858
0.754
0.417
0.285
0.095
0.035
粉土（松）
0.960
0.930
0.770
0.650
0.300
0.200
0.060
0.035
密实砂土
0.980
0.965
0.885
0.805
0.560
0.448
0.220
0.174
中密砂土
0.965
0.935
0.775
0.660
0.300
0.250
0.105
0.090
松散砂土
0.920
0.880
0.700
0.575
0.260
0.178
0.058
0.018
砂砾石
0.990
0.970
0.900
0.850
0.700
0.550
0.320
0.200
杂填土
0.960
0.950
0.800
0.700
0.300
0.200
0.150
0.100
基岩
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
阻尼比
淤泥
0.030
0.035
0.055
0.077
0.137
0.165
0.220
0.235
淤泥质粘土
0.012
0.015
0.033
0.055
0.136
0.170
0.200
0.205
淤泥质粉粘土
0.012
0.015
0.033
0.055
0.136
0.170
0.200
0.205
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