使用GIS制作位于广阔地基下沉带的桩基在地震发生时的危险度地图

1 前言

国内目前部分地区位于年沉降量在5cm左右且仍在不断沉降的地基下沉带。由于地基下沉造成的建筑物倾斜、房屋倒塌、道路凹凸不平等显著现象很容易被人们所认知, 但由于地基下沉造成的洪水灌入灾害、地震时桩基建筑物的受损等潜在灾害隐患较为难以被人们直接认识。

同时, 在地基下沉地区, 地基下沉是否会对既有建筑物的桩基础在抗水平力方面造成一定程度的负面影响, 目前既无明确的定量评价, 也缺乏长期有效的实际观测统计数据作为评价依据, 尤其在发生地震时, 地基下沉状态下桩基础建筑受破坏的危险程度更加较难推测。因此, 有必要对此类区域的地基下沉进行危害评价。

基于前述, 本文是借鉴利用某国的历史观测数据, 对某地基下沉地区中的桩基由地震带来的危险度进行评价。首先, 对由地基下沉造成的地震时的危险度进行定量评价的方法加以描述;其次, 对于危险度评价所必需的地震发生时的最大加速度, 累积沉降量等既定的数值报告及文字报告都使用地理信息系统 (GIS) 计算确定。最后, 由得到的结果, 根据危险度评价公式, 将位于对象区域内的由地基下沉造成的桩基危险度作成地图。由上述步骤制作的而成的地震时危险度地图, 会在地区防震防灾计划中发挥巨大作用。

另外, 后面所说的各种栅格数据都是以图1中所示的A、B、C、D、E、F共6个县市为中心, 包括东西方向114km, 南北方向102km的范围内, 分割成1km2的最终数据。

2 由地基下沉造成的桩基在地震时危险度评价式

在地基下沉显著的某地区, 使用支承桩作为构造物的基础下, 可以想象在发生地震时远比当初设计时要更加危险。为了能定量的表示危险度, 需要推导危险度评价式。另外, 在此作为研究对象的桩基如图-2所示, 是以单一的桩体与桩上部构造物连接固定的。还有, 设想在整个桩基范围内因为桩基旋转或水平移动造成的地基破坏、液化及伴随的地基侧方向流动都没有出现, 只着眼于作用于桩基的弯曲力矩。还有, 对于设计的加速度与地基沉降后的地点将来可能再发生的加速度加以区别考虑。

地表沉降量为S时, 桩基的地下最大弯曲力矩MG能够根据Chang[1]的方法计算 (线性弹性地基反力法) 表示:

其中, kh是水平地基反力系数, B是桩宽, EI是桩的弯曲刚性, H是水平力, α是设定加速度, W是上部建筑物的质量。

当设计时S=0, 设计加速度为αi时则设计时的地下桩基最大弯曲力矩MG如下表示:

由 (1) (4) 式可以导出下式:

这里Rα, RG分别是地震时加速度的增加率和下沉时地下桩基弯曲力矩的增加率, 由下式表达:

设计确定的弯曲力矩Mi经常是按照小于等于桩基的允许值M计算出来的, 也就是用某个安全系数n除Mc就得到Mi。即:

如果考虑上式中等号就可以将 (6) 式做如下表示:

作为与桩基危险度相关的弯曲力矩, 定义当其大于1时就会出现的危险参数, 即桩基地基下沉的危险度:

(11) 在这里是着眼于地下最大弯曲力矩而推导出来的式 (11) , 对于桩基顶端部的弯曲力矩是使用相同的推导方法。但是由于桩基顶端部的弯曲力矩相对于中部的弯曲力矩是一个较小值[2], 因此在这里定义式 (11) 为伴随桩基础的地基下沉危险度D (≡dG) 。

3 累积地基下沉量的预测

在本文中作为研究对象的某国某地区时由于地下水的上升引起的地基下沉带, 伴随地下水位的季节性变化而出现的地基下沉是该地区地基下沉的特征。对图1所示的对象区域中, 从1990年开始对图中的超过1000个地点进行连续性地基变化量的观测。此外, 因为目前地基仍在不断下沉, 所以在考虑由地基下沉带来的危险方面时, 除以往既定的下沉量外, 还必须考虑从现在起经历相对较短的一段时间范围内的危险度, 进行通盘把握。所以利用已知的地基下沉量观测数据, 推测将来的地基下沉量, 计算出从2001年到2030年, 这30年间发生的累积地基下沉量。

作者们[3]根据到目前为止观测到的地基下沉量, 在地下水位的变化周期假定为不变的情况下, 假设时间-下沉曲线能够近似符合Terzergh的压密理论曲线, 则提出使用下式来推测未来的地基下沉量:

在这里δSi是累积下沉量, δti是经过的年数。上式是测量某个观测点几年的下沉量。由观测到的数据决定参数Sp0和CR, 能够进行未来的推测。对于位于对象区域的地基下沉量观测点, 使用2001-2015年的观测值[4,5,6,7,8]及2016-2030年的预测值, 线性补充完2001-2030年的累积下沉量和观测点坐标数据, 并据此变换成最终数据, 利用GIS做成累积地基下沉地图。表示结果如图3所示, 由此可以确认A、B、C三市的交界处出现过较大地基下沉。

4 通过对地基危险度的解析推算并确定最大加速度

在这里为了制作对象区域内将来可能发生的地震引起的地表加速度分布图, 利用概率模型进行地震危险度解析[9]。解析时所使用的应用程序是经过修正的Mc Guire[10]中的EQRISK, 采用福岛·田中[11]式作为距离衰减式。此外, 作为地震的规模及烈度模型, 对于特定活断层使用特征模型[12], 并假设此模型项发生的地震在相同时间轴上具有各自独立的随机性;除此以外的地震使用b值模型。

对象区域内以及周边地区存在的活断层的数值数据, 都已被该国政府国土部门收录。这些活断层的位置、平均变位速度 (或称活动度) 、长度等都被作为了计算对象。此外, 对于特定活断层以外的地震区域采用井上·神田[13]参数。使用以上这些参数进行了过去50年的地震危险度解析。

故地表面加速度因地基不同而不同, 因此本研究中推导计算出的加速度是结合地基种类的异同加以了修正。地基的分类是根据该国政府国土部门自然地形数据栅格图的数值数据资料, 将山地, 丘陵分为第Ⅰ类, 将三角洲低地、天然堤坝、沙洲分为第Ⅲ类, 其他地域分为第Ⅱ类。第Ⅰ, Ⅲ类地基的修正系数分别为0.6和1.39, 将其与计算出的加速度相乘, 即可得到的结果如图4所示。由此我们可知, B市东部375-450gal为最大。

5 制作地基下沉导致的桩基础危险度地图

使用上文所述的由地基下沉导致的桩基础在地震发生时的危险度评价方法, 制作该区域的危险度分布图。在评价式中使用的各参数, α为由地震危险度解析得到的过去50年间的加速度, S为通过上述方法求得的2001-2030年间的累积地基下沉量, αi为198gal, β为针对比较柔软地基而设定的系数, 其值为0.2。设n=2, 可计算出危险度, 得到的结果如图5所示。由图可知, 在地基下沉剧烈的A、B、C三市交界处附近的桩基在地震发生时的危险度最大。

所以此后, 在地基下沉带我们不仅要充分考虑建筑物的倾斜、道路不平、排水不畅等显著自然灾害, 还必须充分认识在地震发生时有可能出现的各种各样的潜在危害, 并且全面思索应对策略方法。

6. 结论

以某国的地基下沉带为研究对象, 利用GIS制作了由地基下沉导致的桩基在地震发生时的危险度分布图, 该分布图显示了在地基下沉剧烈的地区具有较大危险度。今后, 有必要对位于该区域的每个桩基都进行详细的安全稳定性分析, 同时对防止地基下沉的对策方法研究也是非常有必要的。

摘要：利用借鉴某国对地基下沉区域地面沉降的观测数据, 通过计算整理出50年时间段内的该区域累计地基下沉量。建立该区域在地震发生时对桩基础的危险度评价公式, 利用累计地基下沉数据进行危险度评价并利用GIS工具绘制在地震发生时伴随地基下沉的桩基础危险度地图, 为防震减灾提供决策参考依据。

参考文献

[1] 日本建筑学会:建筑基础构造设计指南6.4节桩的水平耐力, pp.244-263, 1991;

[2] 安原·村上·福田:利用GIS对位于广阔区域地基下沉带内桩基础在地震时的危险度评价 (其中1:由地基下沉造成的桩基础在地震发生时危险度的评价方法) , 第54次土木学会年度学术报告会论文集, pp.46-47, 1999;

[3] Murakami, S.Yasuhara, K.and Murata, F.:Land Subsidence Prediction Using a Geographical Information System (GIS) , Proc.of the International Symposium on Lowland Technology, pp.507-512, 1998;

[4] A市地基下沉报告书, A市环境局公共灾害对策科, 1996-2015;

[5] B市地基下沉调查报告书, B市, 1996-2016;

[6] C市地基变动调查报告书, C市卫生环境部, 1996-2016;

[7] D市地基变动调查报告书, D市卫生环境部, 1996-2016;

[8] E市的地基下沉与地震, E市公共灾害研究所, 1996-2016;

[9] 土工学会编:动态解析和抗震设计, 第一卷地震动和动的特性, pp.41-47, 1989;

[10] Mc Guire, R.K.:Evaluation of Sites for Earthquake Risk (EQRISK) , A Computer Program Distributed by NISEE/Computer Applications, 1976;

[11] Fukushima, Y.and T.Tanaka:A New Attenuation Relation for Peak Acceleration of Strong Earthquake Ground Motion in Japan, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol.80, pp.757-783, 1990;

[12] Schwartz, D.P.and K.J.Coppersmith:Fault behavior and characteristic earthquakes, Examples from the Wasatch and San Andreas faults, J.Geophys.Res.89, pp.5681-5698;

[13] 井上超·神田顺:思考板原地震的地震区域危险度解析, 日本建筑学会构造系论文报告集, 第443号, pp.35-43, 1993。