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《中国地震局工程力学研究所》 2004年
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液化土层两种机制下侧向大变形分析

蔡晓光  
【摘要】:随着性态抗震设计概念的提出和推广,随着变形逐渐成为土工结构抗震设计的控制标准,关于土体液化引起侧向大变形的研究对于地基和土工结构抗震设计及安全性评价越显重要。 本文从液化土体大变形震害出发,依据变形特点不同把大变形划分为两类。第一类大变形为倾斜场地部分土体在地震作用下沿屈服面的侧滑,针对此变形借鉴前人的研究成果,本文进行了模拟计算。第二类大变形为近岸场地液化造成的整体侧移,从分析变形机制入手,建立相应的数值计算方法,利用实际震害调查结果来检验方法的正确性,同时实现了侧向大变形的动态仿真,并初步探讨了此类大变形的影响因素。 本文具体工作和成果包括以下几个方面: 1.归纳国内外历次地震液化引起土体变形造成的震害,把侧向大变形依据变形机制的不同划分为两类。从数值计算方法与模型试验两个方面出发,总结了国内外关于液化引起地震永久变形研究的发展与现状。 2.针对倾斜场地侧向滑移的变形机制,即地震惯性力作用下液化土体与上覆土层沿滑动面在地震整个作用时间的某些时段内发生的有限滑动,阐述了关于此类变形分析计算所用的Newmark滑块分析法的原理,归纳了分析方法的基本步骤,编制了相应的计算程序。比已有的成果更进一步的工作主要有二点:一是分析中加速度时程可自动筛选成所需要的一系列非等幅波,大大方便了分析:二是通过计算算例,给出了滑移面加速度时程、屈服加速度时程、速度时程与位移时程图,同时得到了屈服面上液化层孔压比时程和抗剪强度时程,深化了已有的认识。 3.分析了近岸水平场地侧向大变形的机理,从震害调查结果、振动台模型试验和室内饱和砂土动三轴试验出发,探求了其变形机制,认为这种变形是岸后土体的整体侧向变形而非部分土体的相对滑动。砂土液化后,孔隙水压力增长,土的静剪切模量发生了降低,不排水条件下,土骨架变软使偏应变得到充分的发展,地表即出现较大的侧向变形。 4.基于对近岸水平场地侧向大变形机制的认识,应用软化模量法给出了一套整体大变形分析计算方法。方法中采用动力有限元分析和静力有限元分析相结合,计算中采用分段计算,可考虑液化条件下液 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 化区逐步扩展和土模量逐步衰减,分析出液化的发展与分布对近岸水 平场地侧向大变形的作用。对比分析中,选取1995年日本阪神地震中 发生液化侧向大变形的神户港沉箱式码头岸壁,计算所得结果与震害 调查结果在量级上是一致的。 5介绍了仿真分析的特点,阐述实现仿真的要点,选择了地震应 力时程的自动筛选方法,奠定了液化大变形仿真的技术基础。通过数 值计算、图形制作和动画生成,完成了阪神地震中神户港沉箱式码头 岸壁液化侧向大变形的仿真,实现了变形的事后重现。 6考察三种影响因素,对沉箱式码头岸壁侧向大变形做进一步的 分析。一是改变液化区范围。对比结果表明:当无液化区时,岸壁位 移值很小且随水平峰值加速度不同及地震动输入不同改变不大;当计 算区域中有液化区域存在时,岸壁位移明显增大且随输入水平峰值加 速度的增大而增大;二是输入不同地震波。计算结果表明:对同一个 场地进行分析,不同地震波作用下,即使峰值加速度相同、作用时间 相同,液化程度与侧移距离也不同,表现了土体变形的强非线性性质; 三是输入竖向地震动。比较水平地震动作用及水平地震动和竖问地震 动联合作用,发现后者比前者场地液化程度高、沉箱岸壁位移大c
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