多年冻土场地路基地震响应动应力性状研究

以青藏铁路工程抗震设计与地震加固为应用背景,基于冻土场地路基的若干典型工况,开展多年冻土场地路基地震响应动应力性状的研究工作。研究表明,与不同的场地地形条件相比,冻土层对路基地震响应动应力的影响更加突出,尤其是含冻土层路基的地震动应力幅值、频率较不含冻土层路基的地震动应力幅值、频率大得多,因而冻土层的存在可能加剧了路基的震害响应。     

地温对冻土动力特性及其场地地震动参数的影响

地温是影响冻土力学性质的重要参数之一。本文基于对2001年11月14日昆仑山口西8．1级大震在多年冻土区所造成的地表变形与地震破坏特征的定量调查结果，通过冻土的振动三轴实验，研究了地温对冻土动本构关系、动弹性模量、阻尼比、动强度等动力特性参数的定量影响规律；进而利用青藏铁路沿线4个冻土剖面和该区50年超越概率分别为63％、10％和2％的场地基岩地震动时程，分析计算了不同地温下冻土场地地震动参数的特征，研究了地温对冻土地面地震位移、速度、加速度和反应谱等的定量影响，为冻土区工程地基、路基以及地下工程震害防御提供了科学依据。     

多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应

基于青藏铁路沿线长期地温监测资料,对天然场地及铁路路基下部的浅层地温、多年冻土上限及下伏冻土地温动态变化过程进行对比分析,研究多年冻土区铁路路基热状况对于工程扰动及气候变化的响应过程.监测结果表明,路基修筑后边坡热效应显著,由此导致路基下部多年冻土热状况的不对称分布,必须引起足够的重视.块石路基修筑后,下部多年冻土上限抬升显著,其中阴坡路肩下抬升幅度普遍较阳坡路肩下显著.普通路基修筑后,在年平均地温低于?0.6～?0.7℃的地区下部多年冻土上限有不同程度的抬升,而在年平均地温高于?0.6℃的地区下部冻土上限则出现了一定程度的下降,其中阳坡路肩下降幅显著.受块石层冷却降温作用,低温冻土区块石路基下部浅层冻土地温有明显降温过程,而在高温冻土区这一降温趋势只存在于阴坡路肩下.对于普通路基,多年冻土上限抬升后,浅层冻土地温存在一定的升温过程.对于气候变暖,低温冻土区多年冻土的响应主要集中体现在冻土升温上,而高温冻土区多年冻土的响应则主要表现为冻土上限下降,冻土厚度减小.基于上述监测结果,可将目前青藏铁路路基热状况分为稳定型(低温冻土区块石路基)、亚稳定型(低温冻土区普通路基及高温冻土区块石路基)和不稳定型(高温冻土区普通路基).     

青藏高原多年冻土地区铁路路基工程动力稳定性分析

科学合理地分析铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理,对于多年冻土区路基工程稳定性预测有着重要的指导意义,同时对于在青藏高原多年冻土地区建设高坝大库等重要水利工程的动力稳定性分析也具有重要的借鉴作用。通过选取青藏铁路北麓河段典型块石路基结构开展机车通过实时强震动测试,获得了机车通过时的实时加速度数据。在现场测试的基础上,基于有限元分析软件, 运用二维非线性动力响应分析方法对多年冻土区块石路基结构在机车荷载作用下动力传递特性、位移响应特性和应力应变特性进行了数值模拟分析,并通过对比分析素土路基的动力响应特征,科学分析青藏铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理。研究结果表明,块石层的铺设可以有效限制机车荷载产生的加速度向路基深处传递,减小机车振动对路基结构的影响,有助于保护冻土路基的稳定性;块石层的铺设可以较好地减小机车荷载作用下路基的沉降变形,在相同机车荷载作用下块石结构路基的最大沉降量仅为0.9 mm,而素土路基的最大沉降量可达1.9 mm;块石层的铺设可以改变机车荷载作用下路基内部的应力应变状态,使得路基内部最大主应力增大,而最大剪应变幅值、范围均减小。     

水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析

基于有效的土-结相互作用有限元数值模拟方法，利用有限元软件ABAQUS对水平及竖向地震共同作用下双线盾构隧道的地震响应进行分析研究。地震动输入选取近场地震Loma、ChiChi、Mammoth和WoLong的基岩水平及竖向加速度时程记录。结果表明，不同近场地震记录对隧道结构的作用不同，隧道的地震反应与场地性质及地震动的频谱特性密切相关。对比隧道在水平及竖向地震动共同作用下的响应与单向水平地震动作用下的响应，发现隧道的最大地震附加内力及其分布均发生较大的变化，在隧道结构抗震设计中需引起重视。另外，分析中还考虑了在双向地震动共同作用下，隧道间距、土-结接触面的摩擦系数、土-结相对刚度、输入的地震记录和竖向地震动相对强度对隧道地震响应的影响等，研究结果对隧道工程的抗震设计具有一定的参考价值。     

非一致场地大跨度斜拉桥的地震响应分析

大跨度斜拉桥支承处的地质条件较复杂,地震波的传播特性不同,一致激励分析方法不符合实际情况。本文以主跨为680m的某大跨度斜拉桥为例,建立数值有限元模型,分析了一维及三维随机地震动激励下,同时考虑局部场地效应的地震响应规律,并将二者的数据作了对比分析。结果表明:与同为硬场地条件下相比,同为软场地条件时,纵向地震动激励下,主梁纵向位移增大了217%,横向地震动激励下,主梁的横向位移增大了89%,三维地震动激励下,主梁的纵向位移和横向位移分别增大了218%和92%;三维地震动激励下较一维地震动激励下结构响应大,因此,大跨度斜拉桥抗震研究应充分考虑地震动的多维性与局部场地效应的影响。     

土质场地重力式挡土墙地震土压力振动台实验研究

汶川震区路基挡土墙震害表明,地震动荷载作用下重力式挡墙的位移、破坏与基础场地形式有关,除岩质场地和土质场地挡墙所共有的外倾形式,土质地基挡土墙还表现有整体推移及下部向外推移的倾转变形等复杂模式,因此地震土压力大小及分布也将受到这种复杂土-结相互作用的影响。基于碎石土及风化花岗岩填料的土质场地重力式挡土墙大型振动台模型实验,对挡土墙地震土压力及变形模式开展了对比研究,发现在强震作用下,土质地基挡墙因基础约束较弱而产生位移,并伴随明显的墙—土分离现象,致使实测地震土压力较之抗震设计规范计算值偏小（0.4g峰值加速度下约小6%～15%）,但作用点高度变化不大。由实验结果与现行抗震规范计算值的安全系数对比,认为对土质场地挡墙的地震土压力计算,按现行国内抗震设计规范基本能满足实际工程抗震设计需要;对于地震区挡墙设计,在允许挡墙发生少量容许位移的前提下可采用内摩擦角较大、自稳能力更好的墙背填料以减少地震土压力。     

地下综合管廊大型振动台模型试验研究

针对地下综合管廊缺乏抗震研究的现状,开展了地下综合管廊大型振动台模型试验研究。试验中除对通常的地下结构振动台试验中常规地震响应进行了测量外,还测量了模型场地水平位移、模型结构的层间位移、模型结构内钢筋应变。同时,通过自行设计的接触面土体滑移传感器测量了结构顶板接触面土体滑移。本文对模型结构的动力响应以及接触面和周围土体地震响应规律进行了分析。结果表明：在地震作用下地下综合管廊的地震加速度响应服从周围土体的地震响应,其响应幅值不会大于周围土体的加速度响应幅值;结构内力最大部位出现在结构的角部,并且内力随着地震动强度的增加而增大;地下综合管廊接触面土压总体上随着地震动强度的增加而增大,侧板和顶、底板的土压力分布模式不同;在水平地震作用下,地下综合管廊会产生顶、底板之间的相对位移,同时伴随着横截面内的刚体转动;地下综合管廊壁板与土接触面的作用力是结构产生内力的直接原因,其中侧壁土压起主要作用。     

近断层地震动对电厂主厂房的地震响应影响分析

以某电厂主厂房为研究对象,以远断层地震动、近断层非脉冲地震动和近断层脉冲型地震动三组不同地震动作为输入,对主厂房钢支撑框排架结构开展弹塑性分析。对最大层间位移角、柱的残余位移、基底剪力等指标在不同地震强度下进行了统计对比。研究发现,在设防地震作用下,三类地震动引起结构响应差异不明显;在罕遇地震作用下,近断层脉冲型地震动引起的结构响应与远断层和近断层非脉冲地震动引起的结构响应差异显著。研究工作对电力厂房在近断层脉冲型地震动下的响应进行分析研究,通过对比说明考虑近断层脉冲型地震动对于电力厂房结构抗震分析的重要性。     

基于SDOF体系和高层结构的地震动强度指标研究

合理的地震动强度指标是预测和评价结构抗震响应的重要基础。选取24个周期点的单自由度体系和一个高层框架核心筒长周期结构,基于不同震源机制的100条地震动记录时程分析结果,研究16种地震动强度指标与结构地震响应的相关性,并提出考虑高阶振型影响的改进反应谱相关型地震动强度指标。研究表明：（1）不同地震动强度指标与结构地震响应的相关性差别较大,随着单自由度体系自振周期的增大,地震动强度指标与单自由度体系地震响应的相关性大致呈减小的趋势;（2）对于高层长周期结构,综合对比分析各地震动强度指标分别与顶点最大位移、最大基底剪力、最大层间位移的相关性,从工程实用角度出发,推荐地面运动峰值速度为最佳地震动强度指标;（3）由于高层长周期结构受高阶振型影响显著,采用含有高阶振型因素的反应谱强度指标可提高与结构地震响应的相关性。     

The Influence of Earth Temperature on the Dynamic Characteristics of Frozen Soil and the Parameters of Ground Motion on Sites of Permafrost

Earth temperature is one of the most important factors influencing the mechanical properties of frozen soil. Based on the field investigation of the characteristics of ground deformation and ground failure caused by the Ms8.1 earthquake in the west of the Kuniun Mountain Pass,China, the influence of temperature on the dynamic constitutive relationship, dynamic elastic modulus, damping ratio and dynamic strength of frozen soil was quantitatively studied by means of the dynamic triaxial test. Moreover, the characteristics of ground motion on a permafrost site under different temperatures were analyzed for the four profiles of permafrost along the Qinghai-Xizang (Tibet) Railway using the time histories of ground motionacceleration with 3 exceedance probabilities of the Kunlun Mountains area. The influences of temperature on the seismic displacement, velocity, acceleration and response spectrum on permafrost ground were studied quantitatively. A scientific basis was presented for earthquake disaster mitigation for engineering foundations, highways and underground engineering in permafrost areas.     

Seasonal differences in seismic responses of embankment on a sloping ground in permafrost regions

Because of its direct influence on the amount of unfrozen water and on the strength of intergranular ice in a frozen soil, temperature has a significant effect on all aspects of the mechanical behavior of the active layer in which temperature fluctuates above and below 0 °C. Hence seismic responses of engineering structures such as embankment on a sloping ground in permafrost regions exhibit obvious differences with seasonal alternation. To explore the distinctive seismic characteristics of a railway embankment on the sloping ground in permafrost regions, a coupled water-heat-dynamics model is built based on theories of heat transfer, soil moisture dynamics, frozen soil mechanics, soil dynamics, and so on. A well-monitored railway embankment on a sloping ground in Qinghai–Tibet Plateau is taken as an example to simulate seismic responses in four typical seasons in the 25th service year. The numerical results show that seismic acceleration, velocity and displacement responses are significantly different in four typical seasons, and the responses on October 15 are much higher among the four seasons. When the earthquake is over, there are still permanent differential deformations in the embankment and even severe damages on the left slope on October 15. Therefore, this position should be monitored closely and repaired timely to ensure safe operation. In addition, the numerical model and results may be a reference for maintenance, design and study on other embankments in permafrost regions.     

地震作用下液化场地变截面桩与等截面桩的动力响应对比分析

为研究液化场地变截面桩的动力响应,依托翔安大桥实体工程,采用有限元软件,建立变截面桩－土和等截面桩－土相互作用模型,模拟液化场地变截面桩及等截面桩在地震作用下的振动反应,分析在地震作用下变截面位置不同的变截面桩及等截面桩的动力响应特征。结果表明:地震作用下,液化土层不同深度处的孔压比变化规律基本相同,均从0逐渐增大最后趋于稳定;变截面桩的桩身加速度和桩身位移均大于等截面桩,且桩顶加速度峰值出现的时刻均滞后于桩底;在饱和砂土层处,桩身位移变化趋势均较陡;变截面桩的桩身弯矩峰值和桩身剪力峰值均大于等截面桩,且其峰值出现的位置较等截面桩深;地震作用下,变截面桩及等截面桩的弯矩与剪力均在安全范围之内;液化场地变截面梁桥桩基础抗震设计时,应着重分析液化土层与非液化土层分界面以下的抗弯能力设计及液化土层中抗剪能力设计。     

饱和粉土液化特性的大型振动台模型试验研究

京沪高速铁路徐沪段路基的粉土粘粒含量少于1.5%、粉粒含量约为80%,在强烈地震作用下存在着液化可能性.为充分研究这一饱和粉土地层的液化特性,本文作者利用大型地震模拟振动台,进行了模拟自由场地饱和粉土的地震液化模型试验,试验结果再现了自然地震触发的粉土液化的各种宏观震害现象,揭示了饱和粉土的地震液化规律和特征。试验结果为京沪高速铁路徐沪段路基的抗震设计提供了参考依据。     

地震动特性对隔震结构弹塑性位移反应谱的影响研究

根据特定震源机制、震级、断层距和场地条件选取69条地震动记录并进行分组,利用Nspectra软件计算隔震结构的弹塑性位移反应谱,分析断层距、场地条件、震级、阻尼比对弹塑性位移谱的影响,探讨隔震层的力学参数对地震能量耗散的影响。研究结果表明:相较于远场,处于近场的隔震结构最为不利,隔震层位移谱值受场地条件、地震加速度和速度大小影响较大;随着断层距的增大,位移谱值衰减较快,且在软土场地中隔震层的位移谱值衰减幅度大于硬土场地;地震震级大小对位移谱形状的影响不明显,但能够使隔震层的位移谱值产生整体缩放效应;阻尼比在小于0.4的范围内,隔震层在不同地震动特性作用下位移谱值差别较大,但在大于0.4以后,位移谱值及谱形基本趋于一致;屈服力较小(恢复力/重力小于等于1)的隔震层随自振周期增大其耗能性能更加突出。     

Hydrological impacts of seismic lines in the wetland‐dominated zone of thawing,discontinuous permafrost,Northwest Territories,Canada

Intensive seismic exploration in the Northwest Territories began in the late 1960s. Since that time, the legacy of seismic surveys – i.e. straight lines cutting through boreal forest and tundra – has remained visible throughout northern Canada and Alaska. The removal of trees and compaction of the ground surface alter the thermophysical properties of the active (i.e. seasonally thawed) layer to such an extent that the underlying permafrost seriously degrades or even disappears completely. Such a transformation along linear corridors that cut indiscriminately across different terrain types with contrasting hydrological functions has potentially serious implications to the redistribution of water and energy within and among landscape units with feedbacks to permafrost thaw, land cover change and run‐off generation. This paper characterizes the flow and storage of water and energy along a seismic cut line in the high boreal zone of discontinuous permafrost in order to improve the understanding of these processes, their interactions and hydrological implications. As such, this paper lays a conceptual foundation for the development of numerical models needed to predict the hydrological and thermal impact of seismic lines in this sensitive region. We used ground‐penetrating radar and multi‐year ground temperatures and water levels along a seismic line to estimate the degree of permafrost degradation below it. The seismic line studied extends from a permafrost‐free wetland (flat bog), over a permafrost body (peat plateau) and into another permafrost‐free wetland (channel fen). It was found that once thaw had lowered the permafrost table below the ground surface elevation of the flat bog and channel fen, the seismic line forms a hydrological connection between them. It was also shown that during the permafrost thaw process, seismic lines develop a perennially thawed layer (talik) between the overlying active layer and underlying permafrost and that the talik conveys water as a conduit throughout the year. The implications of such drainage through seismic lines and networks on basin drainage in peatland‐dominated regions with discontinuous permafrost are also discussed. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Interaction study of permafrost and highway along Qinghai-Xizang Highway

Qinghai-Xizang Highway crosses permafrost areas, sporadic permafrost areas and seasonal frozen soil areas. It is very important to study the engineering geology of frozen soil in construc-tion of cold regions engineering, and the choices of engineering st…     

北京地区中硬场地地震动效应研究

依据典型工程场地的地震安全性评价报告,研究北京地区中硬场地地震动效应。首先,统计分析了地震安全性评价结果中的场地地震动放大效应。再利用201个工程场地的钻孔资料进行土层地震反应计算,分析不同地震动输入下的场地地震动放大效应。结果表明,北京地区中硬场地地震动放大效应明显,得到的场地地震动峰值加速度转换系数Ka高于《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）中的值,大震水准下更为突出。因此,如在北京地区直接采用《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）中的调整系数,可能会低估北京地区中硬场地的地震动放大效应,降低抗震设防标准。最后指出,场地地震动峰值加速度转换系数明显具有区域性,应根据详细的场地地震动效应研究结果,合理地确定场地地震动转换系数。     

面向地下结构的最优地震动峰值指标随埋深变化规律

选取了50条实际地震动,采用一维场地等效线性化方法分别对均匀半空间场地和成层半空间场地进行地震响应分析,同时选择效益性作为判别标准来探究最优地震动峰值指标(峰值加速度PGA,峰值速度PGV,峰值位移PGD)随埋深变化的规律.研究结果表明:对于选取的两类场地,最优地震动峰值指标均随埋深的改变而变化,埋深浅时PGA效益性最...