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《兰州大学》 2017年
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兰州黄土的动力特性及其场地地震动反应

宋丙辉  
【摘要】:我国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家,黄土高原地区是世界上最典型的黄土地貌分布区。由于大孔隙亚稳定微结构以及强烈的水敏感性使得黄土具有独特的动力性质,表现出较高的地震易损性和震陷性。黄土地区历史上发生过多次强烈地震,引发了大量的地震滑坡、震陷和液化等黄土地震灾害,造成了严重的人员伤亡和财产损失。场地条件是影响地震动作用的重要因素之一。黄土地区常见的深埋厚层场地特征对地震动长周期分量会有显著的放大效应,倘若在降雨等因素的耦合作用下,场地地震动长周期分量的放大效应会更加明显,这显然对地表建筑物的抗震稳定性是十分不利的。作为场地地震动反应分析必要的输入参数,土的动力特性一直是土动力学与岩土地震工程领域研究的重点。为了更全面、系统的认识和评价黄土的动力特性,本文以兰州地区黄土为研究对象,首先利用室内共振柱试验测试了兰州黄土的小应变动力特性,并和现场黄土剪切波速测试结果进行了对比分析,然后借助循环动三轴仪得到了兰州黄土的大应变动力特性,通过汇总整理共振柱和动三轴试验结果得出了不同情况下兰州黄土从小到大更广应变范围内的动力特性,最后将室内试验成果应用于典型黄土剖面的一维场地地震动反应分析中,重点探讨了地表水下渗深度对地表地震动参数的影响规律,对比讨论了等效线性分析和非线性分析结果在不同计算工况下的异同,研究成果为更深入、科学的认识黄土场地地震动反应特征提供了重要的数据支撑和参考依据。兰州黄土小应变动力特性测试结果表明,黄土的初始动剪切模量Gmax受含水量和围压的影响显著,相反黄土的最小阻尼比Dmin则对含水量不甚敏感,含水率和围压对黄土的动剪切模量衰减曲线G/Gmax-γ和阻尼比曲线D-γ的影响不容忽视。黄土的Gmax随含水量的增大而不断减小,在塑限(PL)附近,Gmax衰减速率最快;低围压下Gmax的水敏感性较弱,随着围压的增大,Gmax的水敏感性越发明显;黄土的Dmin随含水量的增大呈先减小后增大趋势,但整体来看含水量对Dmin的影响比较有限;黄土的Gmax与围压σ'间满足Hardin等提出的幂函数相关关系,但材料参数A和围压指数m分别随含水量的增大呈幂函数形式增大和减小;在双对数坐标系中Dmin随着围压的增大而线性减小;结构强度对黄土的小应变动力特性影响很大,原状黄土的Gmax和Dmin均大于重塑黄土的值,但随着含水量的增大,原状和重塑黄土动力特性间的差距呈不断减小趋势;随着围压和含水量的增大,兰州黄土的动剪切模量衰减曲线G/Gmax-γ和阻尼比曲线D-γ的归一化程度均越来越高;黄土的参考剪应变γ0.85与围压间满足线性相关关系,不同围压和含水量下黄土的模量衰减曲线G/Gmax-γ/γ0.85可以进行很好的归一化。兰州黄土大应变动力特性测试结果表明,相比起湿黄土,干黄土的动剪切模量G随应变的增大衰减的更快;不同围压下黄土G随γ的增大呈指数形式衰减,黄土大应变动剪切模量衰减曲线G/Gmax-γ也可以进行归一化处理;兰州黄土大应变阻尼比D随含水量的增大呈先减小后增大趋势,随围压的增大而不断减小;当含水量较高时(W14.11%),不同含水量下黄土阻尼比关系曲线D/Dmax-γ可用幂函数进行归一化描述;含水量的增大也会使得原状和重塑黄土的阻尼比互相的接近。通过汇总整理兰州黄土大、小应变范围内动力特性测试成果可知,不同含水量和围压下黄土广应变范围内的模量衰减关系G/Gmax-γ和阻尼比关系D-γ之间均存在较大的差异,因此在黄土场地地震动反应分析中考虑含水量和围压对黄土动力特性的影响是必要的;不同试验状态下黄土的动剪切模量衰减曲线G/Gmax-γ/γ0.5具有良好的归一化特征,可以利用双曲线模型对该归一化特征进行描述;通过与前人研究成果对比可知,本文得到的黄土模量衰减关系G/Gmax-γ衰减的更早更快一些,而前人得到的黄土阻尼比关系D-γ则介于本文的研究成果之间。利用现场剪切波速测试结果计算得到的黄土初始动剪切模量Gmax与室内共振柱试验得到的Gmax吻合的较好;与前人研究成果类似,兰州黄土地区土层的剪切波速Vs与埋深H间也存在幂函数统计经验关系。黄土场地地震动反应数值分析结果表明,采用考虑围压效应的黄土动力本构模型进行场地地震动反应分析得到的地表峰值加速度PGA要明显小于不考虑围压效应的分析结果,暗示围压对于深埋黄土场地地震动反应的影响不容忽视;小震情况下等效线性和非线性两种分析方法得到的场地地震动峰值加速度比较接近,但随着地震震级的增大,等效线性分析得到的PGA要大于非线性分析得到的PGA;场地地表峰值加速度PGA均随地表水下渗深度的增加而不断减小,衰减速率先快后慢,说明地下水下渗对黄土场地地震动具有一定的减震作用;相比起基岩地震动,长周期范围内的黄土场地地表地震动表现出明显的放大效应,同时场地的特征周期也有增大趋势,而地表水的不断下渗也会增强这种放大效应。
【关键词】:黄土 动力特性 初始动剪切模量 最小阻尼比 场地 地震动参数 等效线性 非线性
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU435
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • Abstract5-11
  • 第一章 绪论11-16
  • 1.1 研究背景11-12
  • 1.2 选题依据及研究意义12-13
  • 1.3 主要研究内容与技术路线13-14
  • 1.3.1 主要研究内容13-14
  • 1.3.2 技术路线14
  • 1.4 关键问题及创新点14-16
  • 1.4.1 关键问题14-15
  • 1.4.2 创新点15-16
  • 第二章 文献综述16-33
  • 2.1 黄土动力特性研究现状16-30
  • 2.1.1 黄土小应变动力特性17-27
  • 2.1.2 黄土大应变动力特性27-30
  • 2.2 黄土场地土层地震动反应研究现状30-33
  • 2.2.1 等效线性分析方法31
  • 2.2.2 非线性分析方法31-33
  • 第三章 黄土的基本物理力学性质33-43
  • 3.1 研究区概况33-34
  • 3.2 黄土的基本物理性质34-40
  • 3.2.1 土层剖面34-36
  • 3.2.2 取样步骤36-37
  • 3.2.3 基本物理指标测试结果37-40
  • 3.3 黄土的压缩变形性质40-41
  • 3.4 黄土的剪切变形性质41-42
  • 3.5 小结42-43
  • 第四章 黄土的小应变动力特性43-75
  • 4.1 共振柱试验原理43-45
  • 4.2 试验程序45-50
  • 4.2.1 土样制备45-48
  • 4.2.2 试验设备及步骤48-50
  • 4.3 试验结果及讨论50-73
  • 4.3.1 黄土的初始动剪切模量Gmax50-56
  • 4.3.2 黄土的最小阻尼比Dmin56-59
  • 4.3.3 黄土小应变G/Gmax-γ关系59-66
  • 4.3.4 黄土的临界剪应变66-69
  • 4.3.5 黄土小应变阻尼比D(%)-γ关系69-73
  • 4.4 小结73-75
  • 第五章 黄土的大应变动力特性75-102
  • 5.1 动三轴试验原理75-76
  • 5.2 试验程序76-79
  • 5.2.1 土样制备76-78
  • 5.2.2 试验设备及加载方案78-79
  • 5.3 试验结果及讨论79-100
  • 5.3.1 黄土大应变G-γ关系80-84
  • 5.3.2 黄土大应变D(%)-γ关系84-89
  • 5.3.3 黄土广应变动力特性89-98
  • 5.3.4 与前人成果对比98-100
  • 5.4 小结100-102
  • 第六章 现场波速测试102-109
  • 6.1 剪切波速与剪切模量102-103
  • 6.2 现场波速测试结果103-106
  • 6.3 剪切波速预测经验公式106-108
  • 6.4 小结108-109
  • 第七章 黄土场地地震动反应分析109-125
  • 7.1 土层反应的等效线性模型109-111
  • 7.2 土层反应的非线性模型111-112
  • 7.3 黄土场地地震动反应112-123
  • 7.3.1 计算原理112-114
  • 7.3.2 数值计算工况114-117
  • 7.3.3 计算结果与讨论117-123
  • 7.4 小结123-125
  • 第八章 结论及展望125-128
  • 8.1 主要结论125-127
  • 8.2 研究展望127-128
  • 参考文献128-138
  • 在学期间的研究成果138-139
  • 致谢139

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