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《中国地震局工程力学研究所》 2007年
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倾斜入射条件下土石坝最不利地震动输入研究

吴兆营  
【摘要】: 土石坝由于本身所具有的特点,使其成为在全世界分布最为广泛的水工构筑物。土石坝的抗震问题备受学术届的广泛关注,是当前岩土工程抗震领域研究的热点问题之一。大量的土石坝震害资料和理论研究结果表明,土石坝对地震的响应不仅与其本身的材料特性、几何尺寸和边界条件等有关,而且还与地震波的入射方向有关。在地震动输入对土石坝稳定性影响这一研究领域人们普遍关心的是最不利地震动输入的影响。本文围绕着倾斜入射条件下土石坝最不利地震动输入这一问题开展了深入的研究,完成了如下几个方面的研究工作。 1.系统地总结了当前土石坝地震稳定性分析的研究历史和现状,对土石坝分析方法进行了系统的研究和评述,对土石坝的抗震研究历史进行了较全面的回顾和总结。在此基础上,指出了这一领域存在的问题,提出了本文的研究课题并给出了具体的研究内容和研究思路。 2.地震动输入形式与边界条件的选取有关。本文结合粘性边界条件的物理特性,将地震动速度记录转化为应力记录,施加到计算模型的地震动输入边界上,从而实现动力输入。另外,本文根据波的传播方向为波振面的法向方向这一原理,将计算模型的动力输入边界做适当调整,使其与波振面走向一致,从而实现将倾斜入射转化为垂直入射,将差动输入转化为一致输入。这样即提高了地震动的输入精度,也实现了地震动倾斜输入问题。 3.快速拉格朗日显式有限差分是本文采用的数值分析方法,本文详细介绍了这一方法的原理,讨论了应用这一方法解决土石坝动力问题所涉及到的技术问题,并运用两个二维计算模型验证了粘性边界条件和自由场边界条件的有效性。摩尔-库伦弹塑性模型和Finn液化模型是本文采用的两种土的本构模型,本文在简要回顾土的本构关系研究历史的基础上,重点介绍了本文采用的两种土体本构模型的原理、物理意义和应用范围,并运用这两种本构模型进行了土石坝静力和动力分析,验证了二种模型的合理性和应用到本文的可行性,克服了邓肯-张模型模拟蓄水过程的缺陷。 4.本文深入系统地研究了均质线性坝体在地震波倾斜入射条件下,坝顶的运动(速度)放大效应,分析了这种放大效应与河谷形状、输入波的特性之间的关系。研究结果表明,坝顶的运动放大作用不仅受河谷类型影响,还受入射波的形式、入射角度、入射波频率,以及入射波波长的影响。本文通过计算分析得到一些重要结论,这对土石坝的抗震设计有着重要的指导意义。 5.本文应用非线性动力分析技术,在地震动单一方向入射的条件下,对满库容时土石坝非线性反应进行了数值分析计算。计算给出了坝顶运动放大系数、坝体表面永久变形、坝体内孔隙水压力增量,以及地震作用后坝体内土单元的塑性状态这四个评价土石坝地震稳定性的重要指标。综合不同地震动输入条件下的四项评价指标与入射角度的变化关系,本文首次提出了“①地震动以SV波形式输入时,入射角度θ=30 ?45为土石坝地震稳定性最不利入射角度;地震动以P波形式高角度(θ≥45)输入时,入射角越大对土石坝地震稳定性越不利。②自坝体下游一侧入射为土石坝地震稳定性最不利入射方向。”的重要结论。这一重要结论对土石坝抗震分析有着重要的理论和实际意义。 6.本文以吉林省二龙湖水库大坝为例,实现了文中提出的分析方法,进一步验证了倾斜入射条件下土石坝最不利地震动输入的正确性和适用性。以上几点就是本文对于倾斜入射条件下土石坝最不利地震动输入研究的主要内容和几点结论。当然关于土石坝抗震的研究仍有很多问题需要解决,它是一个难度较大的研究课题,所以作者希望有更多的人关注这一研究领域,参与这一研究课题。
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