岩土工程抗震理论及应用.doc

岩土工程抗震理论及应用岩土工程（Geotechnical Engineering）上世纪70-80年代：以工程地质学、土力学、岩石力学及地基基础工程学为理论基础，以解决和处理在建设过程中出现的所有与岩体和土体有关的工程技术问题的专业学科。2000：“Geotechnical Engineering is the application of the sciences of soil mechanics and rock mechanics, Engineering geology and other related discipline to civil engineering construction, the extractive industries and preservation and enhancement of the environment” 两个新名词：Environment Geotechnical EngineeringGeotechnical Earthquake Engineering目 录引言第一章 绪论第二章 土的动力计算模型第三章 波在土体中的传播第四章 土体对地震动的反应分析第五章 土对地震应力作用的反应第六章 饱和砂土液化判别和危害性分析第七章 地震引起的土体永久变形第八章 土体与结构动力相互作用第九章 土动力学和岩土地震工程研究展望引 言 各种动荷载下土的力学性能、地基和土工结构物性状分析方法及在工程设计中的应用的一门工程力学。二、内容土木工程中的岩土工程动力问题材料，边坡等。 工力所研究室中的骨干室之一。 1“土”的解释(对象)土的传播媒质，地基，土工构筑物(1) 土层、场地(2) 地基基础、基础工程(3) 土工结构物材料：挡土(水)墙，码头，岸堤，土坝(4) 天然边坡2“动力”的解释(荷载)荷载类型：车辆、机械振动、爆炸3“学”的解释(内容)(1) 强度、稳定性(2) 变形(3) 分析方法和应用风浪、地震土动力学与地震工程的关系所里的主导科研方向：地震工程土木工程的安全(结构、堤、坝、岸坡等)首先取决于地基基础的安全土体反应对土木工程的安全影响很大地基破坏和失效的震害实例四、学科特点1土介质的特点(1) 非线性(2) 多变性、局部性(3) 多相性，水、土粒、空气(4) 粘结差、稳定性差、抗剪强度低(5) 剪胀性2反应与荷载类型的密切相关性3半经验、半理论学科理论分析+工程经验(实验十调查) 工程判断五、国际土动力学与岩土地震工程研究的开展 土动力学：60年代开始成为土力学独立分支 国际著名刊物：土动力学与地震工程(SDEE) ，1982年创刊 EESD：EarthqEngngStructDynamicsASCE：JGeotechnical Engineering Division(GT) JSoil Mechanics and Foundation Division(ASME)SSMFE：Soil and Foundation岩土地震工程：Geotechnical Earthquake Engineering1995年，东 京，第一届国际岩土地震工程学术会议1999年，里斯本，第二届国际岩土地震工程学术会议2004年，Berkeley，第三届国际岩土地震工程学术会议38个国家的463篇论文，经严格评审后共收录了245篇论文，包含在13个专题内 岩土地震工程与土动力学：Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics1981年，美国，第一届岩土地震工程和土动力学新进展国际会议1991年，美国，第二届岩土地震工程和土动力学新进展国际会议1995年，美国，第三届岩土地震工程和土动力学新进展国际会议土工抗震为历次世界地震工程大会的主要专题之一2000年，新西兰，第十二届世界地震会议(12WCEE)第五专题，岩土工程(Geotechnical Engineering)191篇论文，约占整个大会论文的七分之一六、我国土动力学和岩土地震工程研究的开展中国振动工程学会土动力学专业委员会(全国土动力学学会)667名会员，2000年专业学组设置：(1) 土的动力特性(2) 土构筑物与地基抗震(3) 动力基础(4) 原位测试技术1980年，第一届全国土动力学会议，76篇论文 1998年，第五届全国土动力学会议，108篇论文2002年，第六届全国土动力学会议，?篇论文中国土木工程学会土力学与岩土工程专业委员会七、地震工程的简单知识(补充)第一章 绪 论1.1动荷载及其性能特点动荷载的三大要素：(1)峰值； (2)频率特性； (3)持时按幅值变化和往返次数分类，以区别不同的反应1. 一次冲击型荷载2.2往返作用次数大的疲劳荷载3有限往返作用次数的随机荷载地震荷载冲击型地震荷载往返型地震荷载4荷载分类的意义 速率效应 疲劳效应两种效应的综合1.2 在动荷载下土的力学状态土骨架间联接力差较低应力立平就可能产生非线性：易出现剪切破坏。 土的受力水平的定量表示 应力：缺点为相同应力可能对应不同变形大小： 应变：考虑了土的类别剪应变 土的状态：很低：小变形， 10-5 ，弹性(标准一般在2.5X10-5) 中等：中等变形，10-510-3，破坏，流动地震下：小变+中等变形+大变形，以弹塑性为主1.3地震下土体的双重作用1土体的传播媒介作用场地土作为波的传播媒介，影响地震动的特征(1)放大作用(2)滤波作用(3)共振效应(4)隔震效应(5)烈度异常2土体对结构的持力作用 地基土作为结构的持力层和土工构筑物的材料引起的地基失效问题 地基破坏现象：地表沉降、裂缝、下沉、喷砂冒水、滑移、上浮 结构的某些裂缝、倾斜地基失效原因：(1) 砂土液化(2) 粘土震动沉陷(3) 地基不均匀沉降3两类震害的区分 传播媒介振动破坏惯性力等超过结构材料强度结构问题 地基持力地基失效地基大变形或稳定性丧失地基问题1.4 地震下土体的反应及两类土的划分一、土对地震荷载的反应 1变形 2孔隙水压力二、两类土的划分 划分的依据：孔压和变形的发展 1反应明显的土，孔压上升快，应变明显，松、中密砂，含粘粒量小于14的粉土，淤泥2反应不明显的土，变形发展慢，饱水密砂，碎石土，老粘土，干砂3划分意义 抗震性能的差别，第一类土易丧失稳定性和产生大的变形，第二类上则保持稳定性和小变形 1.5 地震工程中的土动力学课题课题主要来自两方面：场地反应地基基础和土工结构物的反应第二章 土的动力计算模型 描述本构关系，动力参数 根据：平衡条件，变形协调，物理条件，边界条件 工程上实用的三个模型：线性粘弹性模型，弹塑性模型粘弹模型2.1 线性粘弹性模型滞回曲线（hysteresis）主干线弹性：弹性力与应变成正比, e=Ee粘性：粘性力与应变速率成正比, c=cc外力0sint基本方程弹性元件粘性元件弹性、粘性统一考虑稳定解能量耗损系数：一周内能量的耗损与最大弹性能之比=2c/E粘弹性模型的复模量表示在复平面内，定义实轴为弹性元件承力，虚轴为粘性元件承力定义复模量表明应力与应变成比例，大小与弹性恢复力成正比，相位与变形速度相位相同2.2 线性粘弹性单质点体系的振动自由振动方程对数衰减率=1/2lnun/un+1=/4强迫振动半对数宽度比=(1-2)/0阻尼比=半对数宽度比=(1-2)/02.3 弹塑性模型塑性变形的机制，符合地震荷载下土的表现关键如何规定：主干线，骨架曲线，后继曲线一、双线性模型 分段描述，三参数模型二、双曲线模型(应用较广)1主干线拟合2卸荷、反向加荷曲线拟合主干线平移放大原则 原点平移到1点； 退荷切线模量与初始加荷的最大切线模量相同 与主干线在3点相交，点1与点3是对称点3参数Gmax、r的确定可由试验确定三、弹塑性模型的一般说明1主干线的确定代数方程式及参数的物理意义2后继曲线的形成Massing准则：后继曲线与主干线具有相同的方程，但参数不同退荷点的斜率与原点初始加荷点斜率相同；在往返荷载对称情况下，卸荷点坐标为1 、1 ，则卸荷反向加荷曲线与主干线相交于-1、-1。Massing准则的附加条件(针对不等幅荷载情况)后继曲线一旦与主干线相交，则偏离原曲线而沿主干线移动：后继曲线与以前的同方向后继曲线相交后，偏离原曲线，而沿与它 相交的前面的后继曲线移动。为了去掉Massing准则附加条件数学处理的不方便，提出了Pyke模型3Pyke模型 ，修正参考应变,卸荷点的G仍为Gmax,由的应力限制条件求nrr达到了Massing准则同样的目的2.4 等价线性化模型目前，弹塑性模型较多用于一维分析，二维、三维不太实际实用计算模型：近似考虑土的非线性，减少计算量一、理论依据认为土具有粘性性质，模量和阻尼的模拟可以满足3点土的非线性特性滞回曲线的面积与实际相似，即耗能大致相同。滞回曲线的大小随着应变幅值的变化与实际相似，即随着应变幅值的增大滞回圈面积增大。滞回曲线的斜度随着应变幅值的变化与实际相似即随着应变幅值的增大滞回圈斜度变缓。 原点平移到1点； 退荷切线模量与初始加荷的最大切线模量相同 与主干线在3点相交，点1与点3是对称点“等价”的含义若不对滞回曲线的形状拟合做严格要求，即对一个指定的动力过程，不对整个反应过程模拟，只要求最终结果基本一致，总可以找到一个G ,使得最终计算结果一致。二、优点 计算量少； 计算量少的原因：G，随受力水平而变，在每个计算过程中，G，不变； 可以模拟土的非线性特性，最终力、加速度等结果大体一致； 三、缺点 粘性只代表耗能，塑性性质没有考虑； 过程描述不出来，不适于时程分析； 大变形不能描述四、步骤迭代法2.5 等价非线性粘弹性模型中参数的确定主要由经验和实验方法确定前一种由实验结果总结而来，后一种适用于重大工程Gmax， G/Gmax ，一、实验仪器和应变范围(1)共振柱试验仪 10-510-3(2)扭剪试验仪 5105510-2(3)简切试验仪 104510-2(4)三轴剪切试验仪 510-4 510-2二、经验方法试验表明：应力幅值与应变幅值成双曲线关系(Hardin)三、试验方法 步骤： (1)制备和安装土样； (2)施加静荷载并完成固结； (3)固结完成后，不排水条件下逐级施加往返荷载，记录应力、应变孔压时程。四、典型土的结果1. 砂土2. 粘性土nGmax确定 (1)seed公式（1970） (2)Hardin公式（1969） 与土类、有效平均主应力有关 n土层特性对地表反应谱的影响的比较 Gmax和G/Gmax非线现象：场地中非线性性质3%的差别和土软硬程度42%的差别引起的地表反应谱的差别是基本一样的。 性第三章 波在土体中的传播和土层反应分析第三章 波在土体中的传播3.1 波在土柱中的传播和共振柱原理波动方程共振柱原理3.2 土体中的波无限土体，半无限土体，无旋波，等容波，面波，波的反射与折射3.3 土动力学参数的现场测定原理方法1地震波法2面波法3孔中逐层检测法第四章 土体对地震动的反应分析4.1 概述 基岩上的地震动 求解土体中速度、加速度、应力、应变、位移土体的地震动反应 土层对基岩地震动的自行补偿作用(Self-Compensation)，基岩上50的变化，到地表上的影响不大，差别525，不需过分追求基岩上地震动的准确性，但土的动力参数影响大，需准确确定。4.2 土体地震反应分析考虑非线性时域内的逐步积分法，线性加速度法，Witson-法等频域内等效线性化法剪切层(楔)法，传递函数法集中质量法，Duharmel积分有限元法土体地震反应的简化方法(反应谱法)4.3 土的弹塑性或非线性性能的考虑增量法迭代法4.4 其它问题1 总应力法，有效应力法0随孔压增长修正，总应力法；0不变Gmax2有效应力法与总应力法比较3行波的影响场地效应 由地表附近非均匀区域造成的与水平地表运动的差异散射理论凸凹地形，盆地，地下夹杂第三章 土对地震应力作用的反应5.1 概述土对地震应力作用的反应，土在地震应力作用下：变形，强度，孔压其中孔压的发展对变形、强度有很大影响一、工作步骤1. 土体地震反应分析：计算2土对地震作用的反应：实验二、影响因素1静应力状态及数值2动应力状态及数值3排水条件4土的密度5土的饱和度6土的结构模拟：物理性质+静、动状态+环境因素三、试验仪器及能实现的应力状态 主机构造：静力系统、动力系统、测量系统1动三轴仪2动简切仪3动扭剪仪四、试验方法、步骤 1制备土； 2指定固结比和侧向固结压力下使土样固结；3固结完成后，不排水条件下施加动荷载，测应力、应变(变形)、孔压曲线4制备相同土样，保持固结比和侧向固结压力不变，改变动荷载幅值，重复实验，57个动幅值；5制备相同土样，保持固结比不变，改变侧向固结压力，重复实验，23个压力；6制备相同土样，改变固结比，重复实验，23个固结比。5.2 在往返应力作用下干砂的体积变形1震害实例2试验证明：干砂的永久变形是由往返剪应力引起的，而往返正应力引起永久体积变形很少 剪胀效应3计算公式4等幅与变幅的关系5. 由往返剪应力确定往返剪应变6小结5.3 在往返剪应力作用下饱和砂土的孔隙水压力一、震害现象的解释 、喷砂冒水孔压增高现场记录永久体积变形水的排出渗透速率小于体变速率孔隙水受阻，承压增大有效正应力降低库伦公式=0tan 解释的不完全性应用变形描述=0tan二、孔压升高的计算1Martin模型(机制) 原理：动剪切作用下体积变化的相容条件(协调条件)如果给定某一次往返剪应力幅值，确定其引起的孔压增量。推导(1)(3)，Er的求法步骤(1)(5)，结论2石原方法(1shihara，1975)静剪切试验+塑性屈服条件孔压升高原理排水剪切实验体积不变的不排水剪切实验(1)等体积有效应力轨迹线(2)等剪切应变轨迹线(3)几种应力状态的变化(4)屈服条件(5)独立倾向性(6)例子(7)小结3Seed等人的方法(1976)经验方法往返荷载剪切试验，均等固结Finn(1978)推广到非均等固结4石桥等建议的方法均等固结扭剪试验适用条件：静应力为零Sherif等8和丰万玲等9曾提出了孔压的增量模型，以适应不规则荷载下孔压的计算，为解决这一问题奠定了很好的基础，但是他们的模型都仅适用于均等固结问题，通过振动三轴仪试验，丰万玲等给出了饱和砂土均等固结下孔压增量模型9 （1）式中：为第N个应力循环中孔压增量和初始平均有效应力之比；为第N-1个应力循环中的孔压与初始平均有效应力之比；为第N-1个应力循环中的平均有效应力；为应力比；N为第N个应力循环的幅值； N为等效循环次数；C1,0、C2,0、A4,0为与土类有关的试验参数。令，则公式（1）可改写为 （2）将公式(3)和(4)代入(5)，最后有 （6）修正系数C1,a 和 C1,b可由试验结果回归得到，同其它参数一同列于表2。表中参数为松(相对密度0.3)、中密(0.5)和密实(0.75)的实验结果，对于其它密度砂，其参数可由表中结果插值得到。3.2 等幅正弦荷载下计算与试验结果对比图5给出了由公式(4)计算与试验进行对比的结果，表示的是在d=60kPa作用下哈尔滨松砂的情况。从图中可以看出，计算与实验结果较一致，更多的结果也可以反映这一点。从中亦可看出，在相同的动应力作用下，随着固结比kc的增加，在相同振动次数作用下，孔压比不断降低，这些结果符合目前认识。图5 正弦荷载下计算与试验孔压对比(d=60kPa)Fig.5 The calculated and experimental pore-pressure rises under the uniform cyclic loading(d=60kPa)3.3 真实地震荷载下计算与试验结果对比为了检验新公式对真实地震荷载的适用性，本文还进行了一系列地震波输入动三轴试验，输入波为天津54 在往返应力作用下饱和砂土液化1震害现象和实验结果2液化标准问题(1)孔压变化(2)变形变化3液化定义 在动荷载或其它动荷作用下，饱和砂土孔隙水压力会升高，其抗剪强度或对剪切变形的抵抗能力会发生降低或完全丧失，叫做砂土液化。4液化实验的基本结果5.5 影响液化的因素动荷载作用下的复杂问题物理力学性质，静力状态、动力状态、环境因素一、应力状态的影响1水平现场状态及实验模拟动三轴仪 -模拟面上的破坏模拟动简切仪：4个缺点振动台式动简切实验2一般应力状态二、动应力的影响几个问题：变幅转化为等幅，变幅的影响，双向加荷的影响(1) 动应力幅值，影响大，非线性强烈递增A4,0=2.5 (2) 动应力循环次数，影响大，非线性递增(3) 变换和作用方式，有影响冲击型与振动型：差别大，冲击型更不易液化变幅与等幅：争论大，待研究取几个应力幅值的等幅波，用这些等幅波试验-实点；对一个变幅波，按公式计算出几个等价作用次数虚点。二者比较。注意：破坏线不是变幅试验结果，真正的对比应该是一个变幅波的试验结果与按公式计算出等价作用次数等幅波试验的比较。冲击型与振动型，变幅与等幅，双向加荷1. 变幅转化等幅的等价作用次数理论结果等价作用线：等幅应力达到某一固定应变所需的次数与应力的关系2变幅的影响冲击型与振动型，差别大，冲击型更不易液化 CM与TM，扭剪3双向加荷的影响三、静应力的影响现场：埋深越大时越不易液化试验：固结应力越大越不易液化结论：引起液化在破坏面上所需的往返剪应力幅值与面上的静正应力成正比，随其上静剪应力的增加而增加。现场：埋深越大时越不易液化试验：固结应力越大越不易液化结论：引起液化在破坏面上所需的往返剪应力幅值与面上的静正应力成正比，随其上静剪应力的增加而增加。(1) 固结应力3，影响大，成正比(2) 固结比kc，影响大，与kc呈递增四、饱和砂土物理性质的影响 (1)粒径和级配的影响 (2)密度的影响 (3)饱和度的影响、(3) 结构的影响(1) 密度，影响非常大，Dr50%成正比偏于保守 (2) 饱和度，很大，稍有降低，应力比增大很大 (3) 结构，有影响（25%砂，75%砂砾石），实验室结果偏于保守 (4) 粒径和级配，不均匀系数影响小，平均粒径d50在某一范围内更易液化 五、预剪的影响 预剪的定义：往返荷载剪切试验前受到一定大小的往返剪切作用(不排水)56 砂砾石的液化性能砂砾石：承载能力好，实验条件所限，研究很少影响砂砾石液化的因素(1)砾料含量D5mm(2)渗透系数橡皮膜嵌入效应5.7 粘性土的强度1动、静强度比较2震后强度(屈服强度)5.8 在动荷载作用下土的永久变形某些砂土一稳定性其它土永久变形永久应变势第六章 饱和砂土体液化判别和危害性分析问题的提出：回答是否液化危险性 液化对结构的影响程度危害性判别途径：经验方法震害资料直观，多用于水平场地 试验试验分析方法复杂一些，不仅仅用于水平场地影响因素： 外因动应力；持时；内因静应力水平，物理性质环境排水，预剪；6.1 SeedIdriss方法试验分析方法(1970年)试验的抗液化能力与现场分析得到的地震应力比较1判别式2的确定(1)复杂法(土层分析法)(2)简单法(刚体假定及修正法)3. 的确定动三轴试验及经验结果得到4判别amax 6.2 液化的地震现场调查和规范GDJll89中判别液化的方法现场调查：液化和不液化的场地一、资料的内容(1)场地受到的地震作用水平(2)土层埋藏条件(3)土层抗液化能力液化场地的鉴别 地表现象：喷水冒砂，地裂(佐证)深埋砂层易断为不液化 建筑物的滑动，倾斜，下沉规范的来历 经验法，自由水平场地二、89规范中判别液化的内容 1思想：以往没发现液化的场地去掉 发现液化但对结构没有危害的场地去掉(1)地质年代为第四纪更新世及其以前的，可判为不液化(2)粉土粘粒含量的百分率，7，8，9度分别不小于10，13和16时，判别为不液化(3)天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一者，可不考虑液化的影响。(1) dw=0,du7m; (2) du=0,dwwf时，滑块和桌面有相对运动临界加速度ay=w/mf=gf - 屈服加速度1 概念2土坡的有限滑动计算(1)确定屈服加速度(2)地震反应分析(3)求下滑距离7.4 土单元剪切性质应变引起的永久变形两种认识(1)偏应变是在静力作用下静剪切模量降低造成的，而地震荷载的作用使静剪切模量降低一软化(2)地震作用可用等价的静荷载表示，静荷作用于土单元结点上，土单元的偏应变与地震应力产生的偏应变相等一等价结点力软化模型(Lee，1974)1震前土单元模量2震后降低模量3永久变形震前结点位移-震后结点位移4应变势的确定(1)地震前单元静应力情况(2)地震反应分析，确定地震应力(3)作永久变形试验5.注意事项(1)软化模型认为地震的主要作用在于使土变软；(2)应变势是可能的应变，在室内测定，不满足单元之间的协调条件二、等价结点力模型(Serff，Seed，1976)两个关键点：确定等价结点力和计算模量1等价结点力2计算模型3. 计算位移第八章土结相互作用8.1 概述一、什么叫相互作用(1) 通常的结构设计，根据地基土性质划分土类，选择反应谱，然后再把地基作为刚体，没有考虑相互作用。(2) 按接力式传递也不是相互作用，建筑物对土的作用没有反馈。相互作用: (1)土体是变形体(3) 土体与上部结构综合考虑，藕(交)联起来。二、相互作用的影响1 相互作用因子，主振周期比：考虑相互作用与不考虑相互作用的相对差值2 什么时候影响大：结构刚，地基柔什么时候影响小：结构柔，地基刚2. 影响因素对结构体系：系统自振周期长，阻尼比较大，辐射阻尼，峰值一般减小对土体本身：波场改变(与自由场比)，导致高频分量减小，液化、震陷情况有较大变化。4.方法子结构法：阻抗函数法半空间无限体法(等价弹簧系数)弹床系数法(1)文克尔假定；(2)弹床系数；(3)几种弹床系数整体法：有限元法，边界元法 5目前的状况 主要是相互作用对上部结构的影响，土体做的比较简单缺乏相互作用对土体反应的影响，特别是对液化、震陷问题没有考虑。 第九章 土动力学和岩土地震工程研究展望近来的大地震震害以及国际研究动态表明，土地基结构系统的地震性态远没有认识充分，有许多工程上亟待解决的问题。一方面，土体做为建筑结构的地基，以及土坝、码头、岸堤、挡土墙等土工构筑物和天然边坡的材料，其大变形对结构的地震破坏影响非常大，在很多情况下甚至起决定作用：另一方面，场地和土体做为地震波的传播媒介，其柔性对强地震动也有很大影响。因此，提出了许多场地和地基设计中的土动力学问题。1大变形下土的动力特性研究 最重要的