断层破碎带对场地地震动的影响

使用有限差分软件FLAC3D,建立均匀无限半空间中含断层破碎带场地模型,研究断层破碎带对场地地震动的影响情况,分析破碎带倾角、宽度以及输入地震动强度对断层场地地震动分布的影响。研究表明:断层破碎带对场地地震动具有放大效应,地表各监测点显示,断层上盘和破碎带中点附近放大显著。随破碎带倾角增加,峰值加速度曲线最大值减小,上盘放大作用减弱,下盘放大作用增强,具有不对称性,反应谱峰值在上盘和破碎带中点附近变化明显。随破碎带宽度增加,场地地震动放大效应增加。输入地震动越强,场地峰值加速度越大,且在断层上盘和破碎带中点附近放大显著,反应谱的面积中心前移。     

含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下“围岩-减震层-浅埋衬砌隧道”体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明: 总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明：①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力-过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明:①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力–过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

中硬场地两种等效线性地震反应方法的对比

采用传统等效线性化(EERA)和频率一致等效线性(SOILQUAKE)对比分析基岩输入地震动特性对中硬场地地震反应的影响,分析结果表明:弱震时EERA和SOILQUAKE的地表峰值加速度差异基本可忽略;随着基岩地震动强度的增大,二者计算的地表峰值加速度相对差异越显著,EERA给出的地表反应谱在短周期放大效应逐渐减弱,卓越周期处谱值被显著放大;而SOILQUAKE得出的地表反应谱在短周期放大效应并未削弱,反应谱的卓越周期和周期大于0. 7s的谱值与EERA法基本一致。0. 3s加速度反应谱放大系数随基岩地震动强度增大而减小,但EERA放大系数减小过快,SOILQUAKE的表现则更为合理。故EERA对地震动高频的过分滤波作用存在不合理性,SOILQUAKE在地震动高频段的放大作用较EERA表现好。     

汶川地震中国道G213左侧某典型高山河谷场地地震滑坡响应分析

 以国道G213左侧一处包含河谷地形的高陡边坡为原型,采用新型离散元计算方法--基于连续模型的离散元方法(CDEM),对高烈度地震作用下高陡边坡上的堆积体滑坡由变形累计到破坏滑动的全过程进行模拟,并结合振动台试验结果,对该高陡边坡上堆积体的地震滑坡响应进行研究。研究结果表明,在地震力和重力作用下,堆积体顶部先出现应力集中,造成堆积体沿基岩–堆积体结构面后缘产生变形,进而造成该处出现拉伸、剪切破坏点,之后随着地震动的持续,基岩–堆积体结构面上的剪切破坏点逐渐向堆积体中前部的锁固段扩展,同时伴随着堆积体表面拉伸破坏点的增加,最终造成锁固段发生渐进性破坏,堆积体从剪出口滑出形成滑坡。滑塌发生的时间与地震动峰值加速度到达的时间同步或稍微有所滞后。在高陡边坡地形中,以输入地震波为基准,不论是坡面还是坡体内,不同位置的峰值加速度沿坡高均有所放大,表现为竖向峰值加速度的放大效应＞水平峰值加速度的放大效应,坡面峰值加速度的放大效应＞坡体内峰值加速度的放大效应。在河谷地形中,以输入波为基准,不论是河床还是河岸两侧的斜坡,不同位置的峰值加速度沿高程均具有不同程度的放大;河谷对加速度放大效应的影响具有一定范围,且在该范围内水平加速度的放大效应＞竖向加速度的放大效应,与坡面处加速度的放大效应刚好相反;加速度的放大效应具有一定的方向性,且该方向性与河岸两侧斜坡的坡度有关;加速度放大效应在河谷底部的分布具有不均匀性,距离河岸越近,加速度放大效应越强烈。     

近断层地震动对跨活动断层隧道动力响应研究

近断层地震动对跨活动断层隧道的动力响应与非近断层地震动有很大不同,采用大型有限差分软件FLAC 3D建立跨活动断层的三维分析模型,对比分析近断层地震动与普通地震动作用下隧道结构的动力响应的差异。研究表明:衬砌结构的加速度响应有着不同程度放大,但近断层地震动作用下加速度响应放大效应并没有比普通地震动显著;近断层作用下的速度响应和应力响应都比普通地震动大,且围岩级别越差,应力响应越大。因此,需采取措施提高跨活动断层隧道在近断层区域的抗震性能。     

峰值位移输入对单自由度体系地震反应的影响

在加速度反应谱与峰值速度不变的条件下,研究输入地震动峰值位移对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性动力反应的影响。利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值速度相同而峰值位移相差1倍的两组人工地震动时程,按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求,将合成的输入地震动采用不同设防烈度多遇地震的峰值加速度标定,进行体系的弹性分析。结果显示,输入地震动峰值位移的变化对弹性动力反应基本无影响。将输入地震动采用相应烈度罕遇地震的峰值加速度标定,并以上述多遇地震作用下弹性最大位移反应作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服位移,进而分析输入地震动峰值位移变化对弹塑性动力反应的影响规律。结果表明:峰值位移的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应,这种放大效应对位移反应尤为显著,其规律在不同设防烈度区具有一致性,即随着设防烈度的提高,输入地震动峰值位移的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此,在进行结构动力分析时,应充分考虑输入地震动峰值位移变化对计算结果的影响。     

河谷场地地震波传播解析模型及放大效应

从形态上看,自然界存在平坦、凸起和凹陷3种常见的地形及场地条件,而河谷场地是一种常见的凹陷地形,且在河谷场地修建了大量工程(如土石坝、桥梁等)。实际震害调查表明地形及场地条件对地震灾害影响很大。针对河谷场地地震波传播解析模型及放大效应,全面总结了笔者及其课题组长期以来的研究成果。主要包括以下4个方面:(1)提出了近源地形与场地效应的概念,用线源柱面SH波模拟入射地震波,平面波是其远场入射的特例,构造了线源柱面SH波自由场,定义了近源激励下的放大因子,实现了入射波波前弯曲及其地形放大效应,为其它地形和场地引起的近源放大效应研究开启了新的可能。(2)构建了非对称V形河谷地震波传播解析模型,包括亥姆霍兹运动方程、河谷表面自由边界条件及虚拟辅助边界应力与位移连续条件,提出了区域分解与区域匹配分两步走的策略,首先将整个区域分解成3个符合极坐标系的子区域,在子区域中对运动方程进行求解获得相应的波场(含有未知系数),然后将各个子区域的波场在边界进行匹配,利用边界条件求解未知系数,从而获得整个区域的波场解答以及柱面SH波的二维散射规律,揭示了非对称V形河谷的差异放大效应,这将对建在非对称V形河谷上的长大跨度工程有着不可忽视的影响。(3)U形河谷在地球表面是普遍存在的,由于缺少实际地震记录和理论研究,U形河谷的地形放大效应仍然未知。构建了U形河谷解析模型,本质上也就是亥姆霍兹方程的边值问题,并得到了这个问题的波函数级数解,发现了U形河谷谷底对地震波的异常放大现象,改变了学术界以往认为凹陷地形底部地震动一定会衰减的不全面认识,并被用来解释中世纪暖期美国亚利桑那州的大量山体落石与滑坡现象。(4)河谷常有沉积物(覆盖层),覆盖层将进一步加剧地震放大效应。构建了线源柱面SH波半圆形沉积谷解析模型,并给出了其解析级数解,发现覆盖层对地震波有明显的放大效应,且覆盖层阻尼比较小时剧烈放大,这将加剧工程结构的破坏。最后,考虑河谷场地地震放大效应进行河谷两侧边坡地震稳定性分析,及土石坝地震反应分析与坝坡地震稳定性分析,认为河谷场地地震放大效应对边坡工程与土石坝工程抗震分析有着重要的影响。     

复杂地层条件下大断面盾构隧道纵向地震响应分析

为探明深圳市某跨海盾构隧道在纵向地震动作用下的地层地震响应及可能发生灾害的区域,建立大尺寸复杂地层地震动模型,通过盾构隧道所在地层加速度放大情况及地层应变情况对地震动作用下不同地层加速度放大倍数、不同区间段风险进行分析,并划分地震破坏灾区。研究结果表明:盾构隧道埋深越大,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越小、更易划分为轻灾区,受地震破坏影响较小;隧道穿越地层越复杂,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越大、更易发生地震破坏;当隧道穿越上软下硬地层时,隧道拱腰及以上部位更易发生较严重破坏,应对盾构隧道上部区域进行加强。     

不同地层波速模型对沉积谷地地震响应规律的影响：FEM-IBIEM模拟研究

准确的地层波速模型是场地反应分析的关键,而实际地层波速测定存在很大的不确定性。计算中通常采用简化的均质和分层模型,或者根据钻孔数据将波速沿深度进行线性、二次或指数拟合。这些不同波速模型对沉积谷地地震响应的影响规律究竟如何目前尚未得以厘清。为此尝试采用有限元—间接边界积分方程耦合方法,通过频时域定量计算,从波动学角度揭示不同波速模型沉积谷地地震响应的差别及其本质所在。数值计算结果表明：低频波入射时(),常用的几种波速模型对地表位移反应影响不大。但随着频率增大,不同波速模型对计算结果的影响不能忽略。着重考察了线性模型和均质模型之间的反应差别：发现线性模型情况下高频共振和盆地边缘效应更为显著,由此导致地震能量主要积聚在近地表土层,并使得沉积内部地表位移幅值显著放大,地震动持时明显增长。另外,沉积谷地形状和入射角度对地震波聚焦特征也具有重要影响,不同波型入射下聚焦区域有很大差别。实际沉积谷地地震动场精确模拟需获取较为精细的地层波速结构和边界几何特征。     

流体饱和层状半空间中沉积谷地对地震波的散射— IBIEM求解

针对流体饱和层状半空间中任意形状沉积谷地对地震波的散射问题,基于单层位势理论,建立一种新的间接边界积分方程法（IBIEM）：首先推导饱和层状半空间中两类膨胀波源和剪切波源动力格林函数,进而由分布在沉积谷地和层状半空间交界面附近两虚拟波源面上的P_I、P_II和SV波源分别构造沉积内外的散射波场。由交界面连续性条件建立方程并求解确定虚拟波源密度,总波场即可由自由波场和散射波场叠加而得。然后通过边界条件验算、退化解答与现有结果的比较,验证了方法的计算精度。通过一组典型算例,初步探讨了平面SV波在饱和层状半空间中沉积谷地周围散射的基本规律。研究表明：饱和层状沉积对地震波的散射和相应干土情况存在显著差异,边界渗透条件对沉积内部地震响应具有重要影响;饱和层状场地中波的散射和均质半空间情况有着本质不同,总体反应体现了饱和土层的共振放大效应和沉积谷地对波的散射效应。实际场地中地震波传播的精确模拟需考虑岩土介质的多相性和层理特征。     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导了无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数的表达式,结合具体算例,从理论上定量分析了围岩不同位置上爆破地震波主频和围岩物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明：隧道围岩迎爆侧的动应力集中系数整体上大于背爆侧,动应力集中系数峰值偏向于迎爆侧;在不同主频爆破地震波作用下,动应力集中系数的影响存在最大值;隧道围岩的弹性模量对动应力集中系数的影响较大,而泊松比对动应力集中系数的影响较小。     

Linear and Nonlinear Valley Amplification Effects on Seismic Ground Motion

Records and analyses have shown that, apart from soil stratigraphy, the geomorphic conditions (such as those characterising an alluvial valley) tend to modify the amplitude, the frequency content, the duration, and the spatial variability of seismic ground shaking. As most of the related records and studies to date refer to weak motions (and thereby to linear soil response), the question that has been raised is whether and by how much the unavoidably nonlinear soil behaviour during strong shaking may reduce the unavoidable “valley amplification” effects. The paper aims at shedding some light on this important issue by analysing numerically the effects of the sub-surface geomorphic conditions of a valley on its ground surface seismic motion, with emphasis on the influence of soil nonlinearity. Two-dimensional linear and equivalent-linear ground response analyses are performed to study an alluvial valley in Japan, the behaviour of which had been monitored during many earthquakes in the early 1980's. Then, using the geometry of this valley as a basis, a parametric investigation is performed on the effects of potential soil nonlinearity arising from the increased intensity of base excitation and/or decreased “plasticity” index* of the clayey soil material. It is shown that strong soil nonlinearity may depress the amplitude of the multiply-reflected and, especially of the horizontally propagating Rayleigh waves, leading to substantially lower valley amplification.     

SH波入射凹陷半球形谷地的数值分析

以半球形沉积谷地对入射平面SH波的放大作用作为算例,提出一种研究地震波斜入射时三维土体动力反应的数值计算方法,求得了地表一些点的位移响应和不同频率下的谱放大系数,以供参考。     

层状半空间中洞室群对地震动的时域放大作用

采用间接边界元法和频域变换方法研究了层状半空间中洞室群对地震动的出平面时域放大作用,并以天津地区典型场地为例分析了洞室间距和入射地震动频谱对放大作用的影响。研究表明,洞室群对地震动的放大作用非常大,与自由场相比,地表加速度峰值放大32.1%,地表加速度反应谱峰值放大85.2%,洞室群对地震动的频谱也有明显影响;洞室间距越小,洞室之间的相互影响越大,对地震动的放大作用越大。研究对于地铁沿线设计地震动的估计具有参考价值。