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地震液化引起地面大位移及其对地下管线影响的研究

吴懿  
【摘要】:砂土液化是地震引起的最显著的灾害形式之一,而由地震液化引起的地面大位移具有更大的破坏性。在历次震害中,地震液化引起的地面永久性变形对地下管线等一些生命线工程造成了严重的破坏。自日本新泻地震以来,人们越来越重视对这种新的液化破坏形式的研究。但由于地震液化引起地面大位移机理复杂,且对其研究历史较短,目前研究还不够深入。 本文从地震液化引起地面大位移的机理出发,将地面大位移分成两部分进行计算:第一部分为地震动期间,即从土体液化时刻到地震动结束时刻所产生的地面位移;第二部分为地震动结束后到液化土中孔压消散时间所产生的地面位移。在第一部分位移中,重点分析地震过程中砂土液化引起地面大位移的机理,利用土体动力有限元程序计算液化后地面的加速度反应和液化土体中超孔隙水压力,并由此确定液化土层的残余抗剪强度和Newmark滑块理论中的土体的屈服加速度,再运用Newmark滑块理论计算其位移;在第二部分位移中,利用土体静力固结理论分析液化土层在地震动期间产生的超孔隙水压力的消散过程,由此修改液化土层的抗剪强度,进而确定地震动结束后土体的屈服加速度,同样运用Newmark滑块理论计算地面位移;最后将两部分位移相加得到地面大位移值。接着对影响地面大位移的可能因素进行研究,为进一步研究地面大位移对地下管线的影响提供理论依据。 地震液化引起地面大位移对地下管线的作用是当今地震工程界的前沿课题:首先,管线在长度方向的刚度较柔,其破坏往往具有大变形的几何非线性,比如发生管线的屈曲破坏;其次,土体与管线的相互作用具有非线性,体现在土与管线的摩擦非线性和土与管线的接触非线性;再者,土体是高度非线性材料,其应力、应变受多种因素的综合作用。本文运用ANSYS有限元软件建立地面大位移对地下管线作用的有限元模型,把前面计算所得的地面位移值逐级施加给地下管线周围的土体,模拟地面大位移对地下管线的作用,分析震害中地下管线破坏的内力和侧移变化,并将其分析结果与实际震害相比较,从而验证数值模拟的正确性。最后对影响地下管线抵御地面大位移的可能因素进行研究,所得结果对今后液化区铺设地下管线抗震设计提供一定的指导。 文章最后基于所分析得到的结果,并结合对以往防御地面大位移对地下管线破坏的措施归纳总结,提出一些在地震液化区铺设管线的防御措施。


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