（岩土工程专业论文）土层非线性地震反应分析方法研究.pdf

摘要 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2 0 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( 鸭o 】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u e 模型) 。u e 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 中国地震局t - 程力学研究所博t 学位论文 再加载滞回曲线自动满足m a s i n g 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u e 模型 推导了u e 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u e 模型进行了验证，结果 表明u e 模型能很好的拟合共振柱的实验结果。同时利用u e 模型对剪切模 量的推荐值进行了拟合，拟合结果也证明了u e 模型的可靠性。 4 、检验了基于涯模型的土层非线性地震反应分析方法 根据u e 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 的计算机程序脚玎池1 d 。利用响瞠三维台阵的强震记录对慨口饵，d 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。 关键词：土层非线性、指数形式、土体动力本构模型、汶川地震 a b s t r a c t a bs t r a c t t h es t u d yo nm e t h o do fs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fn o n l i n e a rs o i ll a y e r si s a l li m p o r t a n tc o m e mi nr e s e a r c hd o m a i no fg e o t e c h n i c a le a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g n o w t h et e c h n i q u eo fs o i li a y e r ss e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i si sa l s oo n eo fc o r e t e c h n i q u e si ns e i s m i cs a f e t ye v a l u a t i o no fe n g i n e e r i n gs i t e sc u r r e n t l y e a r l yi nt h e b e g i n n i n go f 21t hc e n t u r y , s i t ec o n d i t i o n sh a v i n gc e r t a i ne f f e c to ng r o u n dm o t i o n h a db e e nf o u n df r o ms e i s m i cd a m a g eo ft h eg r e a t19 0 6 s a nf r a n c i s c o e a r t h q u a k e i no r d e rt oe s t i m a t er e a s o n a b l yt h ee f f e c t i o no fs i t ec o n d i t i o n so n g r o u n dm o t i o n ，r e s e a r c h e r sp r e d i g e s ts i t e s i n t om e c h n i c sm o d e l s ，s u g g e s ta l l k i n d so fs o i ld y n a m i cc o n s t i t u t v em o d e l s ，a n de s t i m a t es i t e s r e s p o n s eo fg r o u n d m o t i o nb ya n a l y t i c a lo rn u m e r i c a lm e t h o d s c u r r e n t l y , t l l es e i s m i cr e s p o n s e a n a l y s i sm e t h o do fs o i ll a y e r sa p p l i e di ne n g i n e e r i n gw i d e l yi se q u i v a l e n tl i n e a r m e t h o da l lt h es a m e t h es o i ln o n l i n e a rp r o b l e mi st r a n s l a t e di n t ol i n e a rp r o b l e m 证e q u i v a l e n tl i n e a rm e t h o dw h e ne q u i v a l e n tl i n e a rm e t h o di su s e dt oe s t i m a t e s i t e ss e s m i cr e s p o n s e f o rh a v i n gn oa p p r o p r i a t ed y n a m i cc o n s t i t u t v em o d e l ， s o m eu n r e a s o n a b l es i t u a t i o n sh a v eb e e nf o u n df r o mt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fe q u i v a l e n tl i n e a rm e t h o d f u r t h e rm o r e i n t e n s i t ya n o m a l yi sap h e n o m e n o n f a l l e na c r o s sf r e q u e n t l yw h e ne a r t h q u a k e sa c c u r e s p e l c i a l l y , s e i s m i cd i s a s t e ro f s o f ts i t ei sm o r es e r i o t i s t h es t u d yo ne a r t h q u a k ed i s a s t e ro fs o f ts i t ei sa l s oa h o t s p o ti nt h er e s e a r c hd o m a i no fe a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g 。i nv i e wo ft h e s ef a c t s ， i n t h i sp a p e rs o m er e s e a r c hw o r k sa r em a d eo fm e t h o do fs e i s m i cr e s p o n s e a n a l y s i so fn o n l i n e a rs o i ll a y e r sa n di n t e n s i t ya n o m a l yp h e n o m e n o no fs p e c i a l s i t ei nw e n c h u a ne a r t h q u a k e t h em a i nw o r k si sa sb l o w ： 1 s o m ep r o b l e m so fc u r r e n tm e t h o do fs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fs o i l l a y e r sa r ep o i n t e do u t c u r r e n tm e t h o do fr e s p o n s ea n a l y s i so fs o i l1 a y e r si se q u i v a l e n tl i n e a r m e t h o dw h i c hi sw i d e l ya p p l i e di ni n g i n e e r i n g t h eb a s i cp r i n c i p l eo fe q u i v a l e n t l i n e a rm e t h o di si n t r o d u c e di nb r i e f , i t sm e r i t sa n ds h o r t c o m i n g sa r es u m m a r i z e d ， t h el a t e s tp r o g r e s so fe q u i v a l e n tl i n e a rm e t h o di sa l s oi n t r o d u c e d e n g i n e e r i n g e x a m p l e ss h o ws o m em a i np r o b l e m so ft h em e t h o da p p l i e di ne n g i n e e r i n g ，t h e p r o b l e m sa r ea sf o l l o w i n g ：t h em e t h o dc a n n o tc o m p u t ew h e nt h ea c c e l e r a t i o n t i m eh i s t o r y sh a v eac e r t a i nd i s c r e t ep o i n t s ，t h er e s u l ti sa b n o r m a lw h e ns i t ei s s o f t ，a n di ti su n r e s e a n a b l ew h e nt h ei n p u tg r o u n gm o t i o ni ss t r o n g ，t h ep r o g r a m m a yo c c u rp e r p e t u a t i n gc y c l e n l ew a yt oi m p r o v et h em e t h o di s a l s op u t f o r w a r d 中国地震局t 程力学研究所博卜学位论文 2 s o i ld y n a m i cc o n s t i t u t i v em o d e lw i t he x p o n e n t i a lf o r mi sc o n s t r u c t e d b a s e do nb o u n d e d n e s sa n dt h ef o r mo fe x p o n e n t i a lf a c t i o n ，a n da l s ob a s e d o ng e n e r a lr u l e sf o rc o n s t r u c t i n gs o i ld y n a m i cc o n s t i t u t i v em o d e l ，f u n c t i o ni m a g e o fy = e xi ni n t e r v a l ( ，0 】i so v e r t u r n e da n dt r a n s l a t e da n da l s om a g n i f i e do r r e d u c e ds oa st og a i nt h es k e l e t o nc u r v eo fs o i ld y n a m i cc o n s t i t u t i v em o d e l i n t h et e r mo fu n l o a d i n ga n do p p o s i t es i d el o a d i n g ，l e tt h es t r e s s s t r a i nc u r v eh a v e t h es a m ef o r mo fs k e l e t o nc u r v e t h ec u r v eb s e st h el a s tu n l o a d i n gp o i n ta si t s s t a r t i n gp o i n t a n du s e ss o i l s u l t i m a t es t r e s sl e v e la si t sa s y m p t o t e t h c nt h e h y s t e r e t i cc u r v ei sc o n s t r u c t e d t h u ss o i ld y n a m i cc o n s t i t u t i v em o d e lw h i c hh a s e x p o n e n t i a lf o r mi sg a i n e d ，w h i c hi ss u i t a b l ef o ru n s y m m e t r i c a lc y c l i cl o a d i n g s n l em o d e li sa l s oc a l l e d 汜m o d e l 泷m o d e lh a ss u c ht r a i t sa sf l o w i n g ：f i r s t u em o d e li ss u i t a b l ef o ru n s y m m e t r i c a lc y c l i cl o a d i n g s s e c n o n d 砸m o d e l n e e dal e s sm e m o r y t l i l d u em o d e l s h y s t e r e t i c c u r v e su n d e r u n l o a d i n g r e l o a d i n gf o l l o wm a s i n g sr u l ea u t o m a t i c a l l y f o u r t h u em o d e lh a s l e s sp a r a m e t e r e s ，w h i c hh a v ec l e a rp h y s i c a lm e a n i n ga n dc o u l db cd e t e r m i n e db y c o n v e n t i o n a lt e s t s 3 u em o d e ii st e s t e db yt h er e s u l t so fr e s o n a n c ec o l u m nt e s t f o r m u l ao fe q u i v a l e n ts h e a rm o d u l u sr a t i oi sd e d u c e d 垤m o d e li st e s t e d b yt h et h er e s u l t so fr e s o n a n c ec o l u m nt e s t so ft h es o i l s ，w h i c ha r eo b t a i n e df r o m s e i s m i cm i c r o z o n t i o o nw o r ki ny a n l i a n g x i a n 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t e 涯m o d e l c o u l df i tt h et e s t i n gr e s u l t sw e l l a tt h es a m et i m e ，t h es h e a rm o d u l sr a t i ov a l u e s r e c o m m e n d e db yy u a nx i a o m i n ga r ea l s of i t t e db y m o d e l t h ef i t t i n gr e s u l t s a l s oi n d i c a t e 沈m o d e li sd e p e n d a b l e 4 t h em e t h o do fs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fn o n l i n e a rs o i ll a y e r sb a s e do n u em o d e li st e s t e d o n ed i m e n s i o nm e t h o do fs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so f n o n l i n e a rs o i ll a y e r s i s p u tf o r w a r db a s e do n 沈m o d e l n l ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a m n d s o i l u e - 1 di sa l s oc o m p i l e d t h ep r o g r a mi st e s t e db ys t r o n gg r o u n dm o t i o n r e c o r d so fx i a n g t a n gt h r e ed i m e n s i o na r r a yi nt a n g s h a n t h ea c c e l e r a t i o n r e s p o n s ea tg r o u n ds u r f a c ea n da n a l y s i sr e s u l t s o fs p e c t r a lr a t i oc o n f i r m et h a tt h e n e wm e t h o dc a r lr e f l e c tt h et r e n dm o r er e a s o n a b l et h a ne q u i v a l e n tl i n e a rm e t h o d ， w h i c hs o i l s n o n l i n e a rt r a i tc h a n g e sf r o mw e a kt os t o n gw h e nt h ei n p u tg r o u n d m o t i o nv a r i e sf r o mw e a kt os t r o n g 5 p r e l i m i n a r ys t u d i e sa r ec o m p l e t e da b o u tt h ee f f e c to fs p e c i a ls i t ei n w e n c h u a ne a r t h q u a k e i no r d e rt os t u d yt h er e a s o nw h yi n t e n s i t ya n o m a l yp h e n o m e n o no c c u r sa t h a n y u a nc o u n t yi nw e n c h u a ne a r t h q u a k e a ni n v e s t i g a t i o ni st a k e no ns e i s m i c d a m a g ea n dt h el a n d f o r ma n dp h y s i o g n o m yo ft h i st o w n c o n s i d e r i n gt h es i t e - i v a b s t r a c t d a t a , f i v es i t e s m i c r o t r e m o rd a m s 勰t e s t e da c c o r d i n gt h ed e g r e eo fs e i s m i c d a m a g e n l et e s t i n gr e s u l ti st h a tt h ep r e d o m i n a n tp e r i o d so ft h es i t e sw i t hs e v e r e d a m a g ea r el a r g e rt h a nt h eo n e so ft h es i t e w i t hs l i g h td a m a g e 1 1 1 er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h er e a s o nw h yh a n y u a nt o w nh a ss e v e r ee a r t h q u a k ed a m a g ei st h a t t h es i t ei ss o f t t h ec o n c l u s i o nb a s e do ns a n dl i q u e f a c t i o np o i n to fv i e wp o i n t so u t t h a tt h es l o po fb e i h o u s h a nm o u n t a i ni sap o t e n t i a lt h r e a tt oh a n y u a nt o w n k e yw o r d s ：n o n l i n e a rs o i ll a y e r s ，e x p o n e n t i a lf o r m ，s o i ld y n a m i cc o n s t i t u t v e m o d e l ，w e n c h u a ne a r t h q u a k e v 独创性声明 奉人郑蕈声明：所t i 交的学化论文址本人以：导师的指廿卜独以进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本论交不包含仟仁j 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。也不包禽为获得：f ! 幽垫露 ! i ! ：狴2 | ! 堂型f 筮匦或t - 它敦f ，机构的。f 移或i t l jl 5i l j 使川过的卡于料。对夺_ ) ：【= 的研究作出苇要贡献的个人和集体均已n i 丈中以明确方式丰，j in 月并表，j ：谢 意。奉人完个意谚 剑本， i1 1 j jf 内法律贞f r 小人承 l 。 论文作栉签轧： 铃j - ：ii 煳：垫堕坦里 学位论文版权使用授权书 奉入完令了解虫园地盛丘i 工狴左鲎皿究匦有火保留、使j j 化论文的 规定砌意学校傈留或向阑家仃天部l 】或机构送变论文的复印件和l ur 版允 ， ：论文被a 阔和霄 阅：小人授权! u 垡丝盛女l ! i ! 左：羔垡筮堑t ，j r 以将 小。f ? ，论艾的个泓戚部分j 勺i ：编入“火数j l ：j i 进 j + 拎索i 叮以畏i l j 影印、 编日j 或矮他复制r 段保存论文+ lz f l 编小学f 1 ：7 ：沦艾允 1 ：傲ai 潮和f 砌。 ( 保密的学佗论文n ：解事后通1 1 j 本授权 s ) 论丈作者签名：孝毖 一名：臣乡 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 场地条件对震害有显著的影响，这是地震工程界普遍接受的事樊。2 0 世 纪发生在全球的若干次破坏性地震使人们逐渐认识到场地在工程抗震中的重要 作用。早在1 9 2 6 年，美国科学家w o o d 结合1 9 0 6 年旧金山大地震的震害分布 资料，首先认识到场地条件对地震地面运动有影响【1 1 7 1 。在随后的一百多年中， 有关场地影响方面的研究取得了长足进步。场地条件对地震地面运动有较大影 响，不同的场地条件对地震波的传播能力不同，其对地震动响应的程度也不同， 如何正确估计场地的地震动响应，为抗震设计提供科学合理的设计地震动参数 成为一个十分重要的课题。 我国是地震多发的国家，也是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一 l l 剐。2 0 世纪，我国大陆共发生6 5 次7 级以上地震，其中7 次为8 级以上特大 地震，2 0 0 8 年我四川汶川又发生了8 o 级大地震；我国4 1 的国土，5 0 的城 市，7 0 的百万人口的大中城市的地震烈度都在度及以上。很多大中城市都 面临着潜在大地震的威胁。2 0 0 4 年国务院明确提出了未来1 5 年国家防震减灾 规划的奋斗目标：“到2 0 2 0 年，我国基本具备综合抗御6 级左右、相当于各地 区地震基本烈度的地震的能力，大中城市、经济发达地区的抗震减灾能力力争 达到中等发达国家水平”。这一目标的实现，核心的技术问题是进行合理的抗震 设计，其中提供科学合理的设计地震动参数成为其最关键的内容之一。 目前，等效线性化方法是规范指定的估计场地地震动响应、为结构抗震设 计提供设计地震动参数的主要方法之一。等效线性化方法( s e e d ，1 9 6 9 ：廖振鹏， 1 9 8 9 ) 自提出以来，由于其具有计算量少、计算参数完整、概念容易被工程技术 人员接受和掌握等优点，得到了广泛的应用与推广，至今仍然广泛应用在工程 抗震领域中畔j 。但是等效线性化方法毕竟是对土体非线性近似处理的一种近似 方法，它不能全面反映土体在地震动作用下的真实运动状态，而且在地震动输 入较大、土层较软时，等效线性化方法难以给出理想的结果畔l 。随着社会的进 步，在地震区和城市抗震设防地区先后兴建了或即将兴建大量的建筑物和构筑 物，如核电站、特大跨江跨海大桥、沿海标准海塘、城市防洪工程、高层建筑、 近海石油钻井平台、高速公路、高速铁路、大型机场、堤坝、港口、码头、贮 i 中国地震局1 = 程力学研究所博十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 葺i 宣i i i i i 萱葺i i i i i i i 叠 罐及一般工业与民用建筑等，这些建筑物和构筑物的大量兴建使得岩土工程抗 震面临新的挑战。实践证明，现行的等效线性化方法在某些方面已经不能满足 现代抗震设计的要求，必须建立直接时域积分法来提供土层非线性地震反应的 准确估计，而这一估计的准确程度主要取决于描述土体在地震荷载作用下的非 线性应力应变特性的土体动力本构模型m j 。人们已经提出很多土体动力本构模 型，但是大部分模型较为复杂，其模型参数不易确定，不便于数值实现。为了 迎接这一新的挑战，发展能够更加客观地反映土体非线性动力特性的简单实用 的土体动力本构模型成为一种必然。 1 2 研究目的及意义 本文试图在总结已有研究成果的基础上，指出当前土层地震反应分析方 法中存在的问题，根据已有的土体滞回曲线的形状，从简单的指数函数出发， 构建简单实用的土体动力本构模型，并以该模型为基础，结合多次透射边界 和时域递推公式，形成计算土层非线性地震反应的时域一维波动有限元分析 方法，为重大工程合理抗震设计提供方法上的支持。同时，研究汶川地震中 汉源县高烈度异常的场地原因，为我国以后在相似场地上的工程建设提供参 考。 随着我国经济和社会的发展，到2 0 2 0 年我国将形成京津环渤海、长江三 角洲和珠江三角洲三大城市群，三大城市群将以3 的国土面积，承载近4 0 的人口，创造6 5 的g d p 和9 0 的进出口总值，成为我国经济发展的引擎以 及国家发展的战略平台和要地。然而，据历史资料记载，长三角、珠三角地 区多次发生过6 级以上强震，其中1 9 7 9 年的江苏溧阳6 级地震造成了4 1 人 死亡、2 9 7 4 人受伤和严重的经济损失：长三角地区多个城市位于7 级潜在震 源区内：珠三角不仅受到本地中强地震影响，而且受到珠江口外7 级以上大 地震的威胁。京津环渤海地区历史上曾多次发生7 级以上的强烈地震( 包括 1 9 7 6 年的唐山7 8 级地震) 。根据对过去5 0 0 年的资料统计，该地区共发生6 级以上地震6 1 次、7 级以上地震1 3 次、8 级以上地震2 次，地震的频度和强 度都非常高。近3 0 0 年来京津环渤海地区平均每4 4 年发生一次7 0 级以上的 大地震，其强度和频度不低于日本的东京都和阪神两个城市群地区。京津环 渤海城市群的任何一个城市所在地区及附近一旦发生强烈地震，不仅会使该 城市遭受严重的破坏、造成重大的人员伤亡和直接经济损失，而且还将使城 市群产业链中断甚至瘫痪，造成巨大的间接经济损失。按2 0 0 4 年统计数字计 第一章绪论 算，北京停产l 天将损失1 2 亿元，预计到2 0 2 0 年停产l 天损失将高达4 3 亿 元。 可见，保障这些地区的地震安全意义重大，发展正确估计场地地震动响应 的土层非线性地震反应分析方法，为我国的工程建设提供科学合理的设计地震 动参数，保障城市地震地区的地震安全，这不仅成为我国城市建设和经济发展 的迫切需求，也是解决我国可持续性发展，促进社会和谐进步的重要途径之一。 1 3 主要内容 本文拟对土体动力本构模型及其相应土层非线性地震反应分析方法开展 研究，并对汶川地震中的特殊场地开展初步研究。 本文的主要内容及章节安排： 第一章绪论 简要概述了本文的选题背景、研究目的和意义，着重指出了当前土层地震 反应分析方法不能满足现代工程抗震设计的需要这一矛盾，指出解决这一矛盾 的办法，最后概述了本文的主要内容： 第二章土层地震反应分析的研究现状 从确定性分析和不确定性分析两方面对土层地震反应分析的研究现状进 行了系统总结。确定性分析中以土体动力本构模型发展为线索，分类介绍了土 层地震反应分析方法：不确定性分析中以地震动输入、计算模型和土层参数的 不确定的影响为思路，介绍了随机过程理论在土层非线性地震反应分析中的应 用。对土层地震反应分析的发展方向进行了分析和展望。 第三章现行土层地震反应分析存在的主要问题 针对现行土层地震反应分析方法在工程应用中存在的主要问题。在简要介 绍等效线性化方法的基本原理的基础上，结合具体算例，再现了等效线性化方 法在实际应用中存在的四个主要问题，一是对个别输入加速度时程的离散点个 数无效，二是底部存在软夹层计算结果异常，三是输入地震动较大、场地较软 时计算结果不合理，四是在有些情况下出现死循环现象。针对这四个问题提出 了现行土层地震反应分析方法改进的方向。 第四章指数形式土体动力本构模型 中国地震局t 程力学研究所博f 学位论文 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( 瑚，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u e 模型) 。并用共振柱实验的结果检 验了模型的有效性。u e 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m a s i n g 准则：第四，模 型参数少，物理意义明确，可用常规试验确定。 第五章基于u e 模型的土层非线性地震反应分析方法 基于指数形式土动力本构模型( u e 模型) ，利用时域逐步递推公式，结 合多次透射人工边界条件，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m 渤玎己履殳，d 。利用新方法对一个简单钻孔剖面计算了计 算分析，初步表明了该方法的可行性。 第六章n d s o i l u e - j d 程序的检验 针对所形成的土层非线性地震反应分析方法，利用响瞠三维台阵强震记录 对该方法进行了检验，检验时把所选用的一条强震记录进行了缩放，得到了由 弱到强不同强度的地震动记录，同时与等效线性化方法进行了计算结果比较， 地表加速度反应和谱比分析的结果表明，该新方法较等效线性化方法能更合理 地反映土体非线性特性随输入地震动强度由d , n 大而由弱变强的趋势。 第七章汶川地震中特殊场地研究初探 针对汶川大地震中汉源县城出现的烈度异常进行了初步研究。对汉源县城 的结构破坏、砂土液化和潜在滑坡进行了详细调查，结合收集到的场地资料， 根据震害轻重选择了五个场地进行了地脉动测试，测试结果表明震害严重的场 地的卓越周期较大，而且明显大于震害较轻的场地。初步研究结果表明，汉源 县高烈度异常是由于场地软弱造成的。砂土液化表明背后山滑坡是汉源县城一 个很大的安全隐患。 第八章结论与展望 对全文工作进行总结对下一步的研究工作进行分析和展望。 第- 二章士层地震反应分析的研究现状 第二章土层地震反应分析的研究现状 2 1 引言 土层地震反应分析是目前岩土地震工程研究领域的重要内容之一。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- ，它可以直 接为结构抗震提供有关的设计地震动参数。自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外的 地震工程学家和岩土工程学家开始着手这一领域的研究工作，并取得了一系列 有价值的研究成果。这些成果被广泛地应用于工程抗震领域，目前国内外工程 界广泛应用的d e n s o r 9 8 ，l s s r l i 一1 和s h a k e 9 1 等土层地震反应分析程序 就是这一领域研究成果的代表。 大量的震害调查表明，场地条件对地震地面运动有明显的影响。较早开展 这方面研究的是w o o d ，1 9 2 8 年他在整理1 9 0 6 年s a nf r a n c i s c o 大地震的震害资 料时，首先认识到场地条件对地面运动有影响1 1 1 1 7 】，w i g g i n s 是较早使用数值方 法应用这方面研究，他在1 9 6 4 年便开始了从强震记录着手去定量地分析场地条 件与地面运动的关系削。随着土层地震反应分析技术理论研究的不断深入和试 验技术的不断发展，土层地震反应分析技术也不断发展和日臻完善，时至今日， 已经形成了各种各样的土层地震反应分析的方法。工程上最常用的是将地震动 输入视为剪切运动并假设场地为一维成层模型来进行土层地震反应。总的看来， 这些众多的土层地震反应分析方法中大致可分为两大类脚j ：一类是确定性分析 方法，另一类是不确定性分析方法。前者是把地震动作为时间的确定函数来求 解场地土的动力反应，后者是把地震动看作是取决于许多复杂因素的随机过程， 由此引起的场地土和地基土的反应也是一个随机过程，进行随机土层地震反应 分析。 2 2 土层地震反应分析确定性方法 从目前的资料来看，土层地震反应分析方法的研究和工程应用仍是以确定 性分析方法为主。土层地震反应分析结果的正确与否，关键取决于所选用的土 体动力本构模型是否恰当。众所周知，土体是一种非线性较强的材料，土层地 中国地震局工程力学研究所博 j 学位论文 震反应分析方法发展的过程也是人们对土体非线性应力应变关系的逐步认识的 过程。随着试验技术的不断发展，人们对土体非线性特性的认识也不断深入， 对土体非线性的处理也日臻完善，土体的动本构关系也经历了一个从线弹性模 型开始、以等效线性模型为过渡、到非线性模型为完善的逐步发展的过程。时 至今日，已经发展了各种土体动力本构模型，不少学者对土体动力本构模型【3 5 , 5 4 】 做过总结。在他们的基础上，本文沿着土动力本构模型分类介绍土层地震反应 分析方法的发展。 2 2 1 线弹性模型1 3 5 i 2 0 世纪4 0 年代初期，由于对土的非线性了解较少，人们把土体简化为弹 性介质，借用金属材料的弹性理论来研究土体。最早是单层土模型，即考虑覆 盖在弹性半空间上的单一均匀水平土层，用时域波传播的方法求解；考虑到多 层土的情况，又发展为分层土模型，在分层数为二三层情况下用时域弹性波传 法可以真实地得到地震反应解，对于层数较多的情况下可用频域方法求解。在 上述情况下土层地震反应的解是解析的，在土体本构的线弹性假设下结果是精 确的。然而，在地震动作用下，这种线弹性假设不完全成立，在土体非线性本 构不完善的情况下，线弹性模型对土层地表地震反应分析及其他静力反应分析 起到过一定作用，对目前的地脉动效应分析、场地地震反应初步估计及与等效 线性化处理方法结合来考虑土体非线性特性都有一定价值。 2 2 2 等效线性模型 土体是非线性很强的材料，在较小的地震动作用下，就表现出非线性，在 强烈地震动作用下，其非线性表现更明显。在人们对土体非线性逐步认识的过 程中，考虑土体的地震反应线弹性模型就显得力不从心。鉴于此种情况，s e e d i l 咧 于1 9 6 8 年最早提出等效线性化的办法来处理土体非线性问题，等效线性化的基 本思想剜5 0 】：在真实地震波穿过土层时，土体承受极不规则的循环荷载，非线 性土层地震应力应变曲线呈现出极复杂的回线图线，每条回线的大小、形状 和方位都是变化的，在平均意义上用一条等效的稳态回线近似地表示所有回线 的平均关系。这条稳态回线的一应变振幅为等效的应变振幅，然后由相关公式 算得等效剪切模量和滞回阻尼比，从而将非线性地震反应问题简化为线性土层 地震反应问题。自s e e d 提出此法以来，很多人提出了不同的等效线性化办法， 6 第二章土层地震反应分析的研究现状 如周健等( 1 9 8 4 ) 嗍和廖振鹏等( 1 9 8 9 ) 【5 0 】也提出自己的等效线性化处理办法， 并编制了相应的等效线性化程序，如s h a k e 1 0 7 】和l s s r l l w l 4 4 l 以及后来的 e e r a 1 嗍，以及这些程序的不断发展的版本州。 近些年来，不少学者对等效线性模型进行了改进。陈国兴1 6 j 引入分时段的 思想降低了等效线性模型所产生的“虚拟共振效应”。刘海笑、王世水【5 习( 2 0 0 6 ) 等将改进的哈丁模型引入等效线性化方法，使其能够反映荷载频率、循环周次 以及土体平均有效主应力等诸多因素的影响，并将改进的等效线性化模型运用 于结构波浪海床耦合系统的非线性动力响应分析。 针对等效线性化高频段算得的频响放大倍率较实测的结果明显偏低并且 算得的地面反应偏大的问题【l2 1 】，学者们从频率着手对等效线性化方法进行了改 进。s u 西t 0 等鲫1 9 9 4 年开始针对软土地基和地震动较大情况下，s h a k e 的计 算结果与观测结果的差异，用频率相关的等效剪应变来代替原来用固定的系数 ( 如o 6 5 ) 计算的等效剪应变，进而来考虑各频率下应变幅值的不同，对等效 线性化方法进行了改进，并编制了等效线性化程序f d e l 。y o s h i d a t l z i j 借鉴了 f d e l 的成功之处，进一步分析认为s h a k e 算得的土应力偏大，高频段频响 放大倍率比实际偏低，将频率分成三段，每个频率区段采用不同的公式计算等 效剪应变：k a u s e l 1 l 帮7 】等经研究认为等效线性化没考虑高频、小幅震动成分的 影响，而高频、小震幅震动的剪切模量明显大于低频、大震幅震动的剪切模量， 所以等效线性化中采取同一个折减系数不恰当，他通过对地震动时程的标准化 应变傅里叶谱进行回归分析，得到应变和频率的关系，进而得到剪切模量和阻 尼比与频率的关系，由此建议了一个等效剪应变与频率的关系。蒋通、邢海灵 【2 7 】( 2 0 0 7 ) 在分析具有竖向钻孔地震记录的场地土层应变频谱特征的基础上， 采用谱平滑方法