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土层非线性地震反应分析方法研究

齐文浩  
【摘要】: 土层非线性地震反应分析方法研究是当前岩土地震工程研究领域的重要内容。土层地震反应分析技术也是当前工程场地地震安全性评价的核心技术之一。早在20世纪初人们就从旧金山大地震的震害中发现场地条件对地震动有一定影响,为合理估计场地条件对地表地震动的影响,人们把场地简化为物理力学模型,提出各种土体动力本构模型,利用解析或数值的方法对场地地震动响应进行求解。当前,工程上应用最为广泛的土层地震反应分析方法依然是等效线性化方法。等效线性化方法把土体非线性问题转化为线性问题近似求解土体动力反应,它在工程应用中存在一些不合理的情况,主要原因是没有恰当的土体动力应力应变关系;此外,历次震害调查表明,特殊场地上烈度异常是地震中经常遇到的现象,特别是软弱场地上震害尤为严重,软土场地震害研究也是当前工程抗震领域中研究的热点问题之一。鉴于此,本文就土层非线性地震反应方法和汶川地震中特殊场地上烈度异常开展了相关的研究工作。主要研究内容如下: 1、指出了现行土层地震反应分析方法存在的问题 现行土层地震反应分析方法为工程上广泛应用的等效线性化方法。简要介绍了等效线性化方法的基本原理,总结了其优、缺点,简述了其最新进展。通过具体的算例,再现了等效线性化方法在实际工程应用中存在的几个主要问题,即个别离散点个数计算失效、计算软土层时结果异常、地震动输入较大时计算结果不合理、有些情况下出现死循环等。并提出现行土层地震反应方法改进的方向。 2、构造了指数形式土体动力本构模型 基于指数函数的有界性、函数曲线形状以及构造土体动力本构模型的一般原则,把函数在(-∞,0]区间上的图像进行翻转、平移、放缩,从而构造出土体的动力本构模型的骨架曲线。在卸载和反向加载时,采用与骨架曲线相同的函数形式,并以前一次卸载开始点作为起点,以土体的极限应力水平作为渐近线,构造出土体动力本构模型的滞回曲线。在此基础上构造出适用于非对称循环荷载的指数形式土体动力本构模型(简称UE模型)。UE模型具有四个特点:第一,适用于非对称循环荷载;第二,记忆量小;第三,卸载再加载滞回曲线自动满足Masing准则;第四,模型参数少,物理意义明确,可用常规试验确定。 3、利用共振柱试验检验了UE模型 推导了UE模型等效剪切模量比的表达式。利用西安阎良区地震小区划工作中若干土样的共振柱试验结果,对所提出的UE模型进行了验证,结果表明UE模型能很好的拟合共振柱的实验结果。同时利用UE模型对剪切模量的推荐值进行了拟合,拟合结果也证明了UE模型的可靠性。 4、检验了基于UE模型的土层非线性地震反应分析方法 根据UE模型形成了一维土层非线性地震反应分析方法,并编制了相应的计算机程序NDSoilUE-1D。利用响嘡三维台阵的强震记录对NDSoilUE-1D程序进行了检验,地表加速度反应和谱比分析结果表明,新方法较等效线性化能更合理地反映土体非线性特性随输入地震动强度由小到大而由弱变强的趋势。 5、初步研究了汶川地震中特殊场地的影响 为探究汶川特大地震中汉源县城出现了烈度异常现象的原因,在对地震现场震害、附近地形地貌详细调查的基础上,结合收集到场地资料,根据震害轻重布设了五个地脉动测点,测试结果表明,震害严重区的场地卓越周期较大,并且明显大于震害较轻的场地。初步研究表明汉源县烈度异常是由于场地土软弱造成的。从砂土液化角度指出了背后山滑坡是汉源县城安全的潜在威胁。


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