平面P1波斜入射下海底洞室地震响应解析分析

基于无黏性可压缩理想流体介质波动理论和Biot流体饱和多孔介质波动理论,考虑水下饱和土的流固耦合,借助Hankel函数积分变换法(HFITM)给出入射平面P1波在海底洞室周围散射问题的解析解。相比传统研究中的"大圆弧假定",Hankel函数积分变换法可以较好地处理半空间表面边界条件。利用该解析解,计算分析了洞室表面透水条件、入射角度、入射频率、海水水深和饱和土的孔隙率等因素对水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面动水压力、环周总应力的影响。结果表明:洞室表面透水条件对水-土交界面处水平位移和竖向位移影响较小;随着斜入射角的增加,水-土交界面处竖向位移减小;随着入射频率的增加,水-土交界面处水平位移随之增加;海水水深为2.5倍SV波的波长时,水-土交界面处水平位移及洞室表面动水压力最大值最大;随着孔隙率的增加,水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面环周总应力减小,而洞室表面动水压力随之增加。     

成层土中倾斜荷载作用下桩承载力有限元分析

利用有限元方法对现场单桩水平载荷试验进行模拟,在此基础上,分析了成层土中桩在倾斜荷载作用下其竖向分量的有利作用和横向土抗力分布特点。计算结果表明,在地面下一定范围内,倾斜荷载作用下的桩侧摩阻力比水平荷载作用下的桩侧摩阻力大。在土层分界处土抗力分布有明显的跳跃。达到一定深度后,横向土抗力主要是静止土压力,而由荷载引起的横向土抗力很小。承台能有效减小土体及桩的水平位移。模拟的灌注桩和钢管桩桩顶在地面以上的自由长度较小,竖向分量由于桩身挠曲变形而产生的P-Δ效应较小,所以就算例中的灌注桩和钢管桩而言,荷载倾斜度不大时,荷载竖向分量提高了桩的侧阻并由此增大桩侧土竖向应力,对桩水平承载力总体上起到了有利的作用。     

夹硬层土中单桩贯入挤土效应的数值模拟

桩贯入土体产生的挤土效应问题较为复杂。利用ABAQUS软件建立了单桩贯入夹硬层土和均质土的二维轴对称有限元模型,经过分析比较,得出了单桩贯入夹硬层土体所特有的位移场及应力场的变化规律。分析表明：桩贯入夹硬层土过程中,软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈;硬土层的存在,会使土体水平及竖向位移受到约束;夹硬层土的水平挤压应力要远大于均质土情况;与水平应力相比,竖向挤压应力在硬土层处明显偏小。     

悬臂式刚性墙动力响应解析研究

从水平简谐振动作用下二维土?悬臂式刚性墙计算模型出发,基于波动力学理论,同时考虑土层的竖向应力和竖向位移,对二维场地中悬臂式刚性墙的动力响应特性进行了解析研究。首先对土层振动方程进行变换,得到关于体积应变? 的方程,通过分离变量法进行求解,再回代振动方程得到关于位移运动方程的非齐次方程,结合墙与土层的相互作用条件及远场边界条件得到振动方程定解,进而得到地下刚性墙墙上土压力、墙底剪力及弯矩的更为严格的解析解。将所得解与忽略竖向应力解、忽略竖向位移解进行了对比。研究表明,所得解能多反映出一个共振频率,且当土体泊松比大于0.45时,忽略竖向位移解失去意义。通过参数分析,表明激励频率与土体阻尼因子对墙体动力响应影响较大,考虑的振动模态阶数对墙体动力响应影响较小。     

穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

地表均布超载作用下盾构隧道上覆土层竖向土压力转移分析

通过对地表均布超载的模型试验实测既有盾构隧道上覆土层竖向土压力、土体沉降进行分析,结果表明:地表均布超载作用下,与隧道顶部的垂直距离越近,隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀程度越大,同时土体沉降的不均匀程度也越大。隧道上覆土层出现不均匀沉降时,土体单元之间发生竖向相对位移而产生竖向剪力,隧道上覆土中表现出竖向土压力转移现象,从而使隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀。隧道上覆土层中土体单元之间的竖向剪力大小与单元之间的竖向相对位移及土体力学性能有关,因此,地表超载作用下隧道上覆土沉降的不均匀程度及上覆土的力学性能对隧道上覆土层的竖向土压力分布不均匀程度有影响,进而对隧道变形产生影响。     

文克尔地基模型下液化土桩基水平振动响应分析

在桩基顶部承受竖向荷载作用的条件下,将完全液化后的上层土体视为流体,将桩基等效为欧拉-伯努利梁模型,探讨了桩底嵌固时桩基顶部的水平振动阻抗。运用流体动力方程模拟顶部液化土层的运动,运用文克尔地基模拟下部非液化分层土的运动。结合传递矩阵法,利用液化土与非液化分层土交界面处的位移、转角和内力连续条件,得到桩基顶部和底部的相关位移?内力表达关系式。根据桩基底部的嵌固条件,求得桩顶阻抗的表达式。与已有文献解进行对比,验证了分析过程的正确性。对阻抗影响条件进行参数分析,表明液化深度、轴力和流体密度大小对桩顶阻抗有不同的影响。     

近邻桩基施工对城市地铁隧道的影响分析

近邻桩基施工会对盾构隧道产生较大的不利影响,试桩过程中对试桩周围土体深层水平位移、隧道结构竖向位移和沉降进行了现场监测。监测结果表明,隧道结构竖向位移和水平位移缓慢增加,对桩体周边土体产生扰动;管片位移最大值发生在与试桩相对应的剖面上;随着试桩距离的增加,管片沉降和最大水平位移减小。管片以发生水平位移为主,沉降约为水平位移的0.5倍。在隧道埋深范围内,深层土体水平位移向隧道方向移动;隧道埋深范围以下,土层的水平位移向远离隧道方向移动。试桩实践表明,采用全套管钢套管护壁旋挖取土工艺,并在施工过程中对盾构隧道和周围土体进行动态信息化监测的施工方法能较好地预警、控制施工风险,得到的结论可以为相似工程的施工提供指导和参考。     

差分干涉雷达方法研究及在强震形变精确测量中的应用

一、前言差分干涉雷达(SAR)属于干涉SAR的高级处理技术,应用差分干涉SAR可以监测地表的微小形变(波长级),对于研究精密大地测量、地震学、火山监测等都有重要的意义。由差分干涉处理获得的地壳形变为斜距向,为了与GPS及其它资料相比较,还需要将其分解为竖向与水平向两个分量。为此本文研究了断层活动、强震运动、卫星轨道等之间的关系,确定了不同情况下,斜距向形变分解成水平与竖向两个分量的公式。在以上工作的基础上,处理了西藏玛尼1997年Ms7.5强震区地震前后5景ERS-1/2 SAR图像,获得了差分干涉雷达图像,并精确测量了最大水平与竖向位移分量。     

扩建城市垃圾填埋场的地震稳定性分析

结合现场剪切波速试验、室内常规及动三轴试验结果,给出了扩建城市垃圾填埋场地震稳定性的有限元分析方法,并分析了扩建垃圾填埋体沿填埋体内部圆弧滑动面、新老填埋体交界面及底部和背部衬垫系统的地震稳定性。当填埋场中渗滤液水头较低时,扩建填埋体最易发生沿新老填埋体交界面的滑动。与总应力法计算结果相比较发现,总应力法只适合分析输入地震动较小的情况,而当输入地震动较大时,由于它不能考虑动孔压上升所导致的MSW软化而使得其计算的扩建填埋体沿圆弧滑动面的安全系数偏保守。另外,采用Newmark法分析了不同输入地震动时不同横、竖向扩建方案的永久位移,分析表明：扩建填埋体沿新老填埋体交界面的地震永久位移的对数近似与屈服加速度同最大水平加速度的比值呈线性关系,并给出了其永久位移的拟合公式。     

The plate coupling in the Tokai District,the Central Japan,inferred from the different data using triangular dislocation elements

We estimate interseismic coupling on the subducting plate interface in the Tokai area, central Japan, by inverting two geodetic data sets. The data record surface motion between March 1996 to May 2000; one represents vertical motion deduced from the leveling observations and the other is the horizontal velocity field deduced from GPS observations. In the inversion, we employed the analytical solutions of surface displacement due to a triangular dislocation element embedded in a homogeneous elastic half space in order to represent the curved plate interface. The vertical data show that the most strongly coupled portion of the subduction interface is concentrated beneath Omaezaki Cape, while the horizontal data show strongest coupling in the shallower region of the subducting plate interface. The estimated maximum value of coupling from the horizontal data is 40 mm/year, while that from vertical data is 25 mm/year.     

Seismic behaviors of soil slope in permafrost regions using a large-scale shaking table

Large-scale shaking table model tests were carried out to study the dynamic behaviors of slopes and failure mechanism of landslide in permafrost regions. The model slope was constituted of silty clay layer stacked on an ice layer with 8° surface slope. Acceleration, displacement, and pore pressure were measured subjected to vertical and horizontal seismic loadings. The horizontal wave has a stronger influence on the failure of the model than the vertical wave motion, and the natural frequency of vibration in the horizontal direction decreased obviously at the failure state. The model slope has three components of different nonlinear mechanical properties, which are the soil layer, soil-ice interface, and ice layer. The amplification factor of peak ground acceleration is obviously smaller at the soil-ice interface than that at the soil and ice layer. The acceleration responses are nonlinear because of the nonlinear soil properties and degradation of modulus with increasing horizontal acceleration. Especially, excess pore pressure generation was observed near the soil-ice interface of the slope subjected to higher input acceleration, which resulted in the decrease of the effective stress. Failure surface appeared to be the soil-ice interface, which was consistent with the field observations of landslides in permafrost regions. Slope failure could be defined based on the massive movement of the slope, characterized by integral sliding pattern along the soil-ice interface without the distinct deformation inside the sliding body. The results show that the sliding of the slope with soil layer at gentle gradient is mainly triggered by the combined action of horizontal seismic wave, existence of soil-ice interface, and pore pressure generation in permafrost regions.     

筋-土界面力学特性的水平循环剪切试验研究

加筋材料与土界面力学特性是加筋土结构设计和稳定性分析的重要依据。在大型多功能界面剪切仪上,进行了土工格栅和标准砂界面的水平循环剪切试验,分析循环荷载作用下筋-土界面力学特性,研究循环荷载特征对界面剪切力和法向位移的影响,探讨水平循环荷载作用下筋-土相互作用规律。结果表明,随循环次数增加,剪切力-位移关系曲线逐渐重合,剪切力峰值变化不明显,界面剪切模量增大并趋于稳定;循环剪切位移幅值和剪切速率对剪切强度的影响不明显,但对试样法向位移有较大影响;水平循环剪切过程中试样发生明显的法向位移,加筋可有效限制试样的竖向变形。     

水平向与竖向地震动的时间遇合模式对边坡动力安全系数的影响

通过沿滑面的应力积分法和动力时程分析法,研究了水平向、竖向地震动单独作用对边坡动安全系数的影响,发现竖向地震动与水平向地震动一样也对边坡抗震稳定性有显著的影响。在此基础之上,重点探讨了实际地震的双向地震动同时作用时,其时间遇合模式对动力安全系数的影响,结果表明,常用的加速度峰值遇合模式和随机遇合模式都不能充分体现出竖向地震动与水平向地震动的叠加效应,进而造成对安全系数的高估;文中提出的最大地震作用效应遇合模式才是最危险的遇合模式,其所得稳定性安全系数时程的极值更小。在考虑多向地震的边坡抗震分析中,由于多维地震动的强烈随机性,应考虑出现这种最大地震作用效应遇合的可能性,以得到工程设计中偏于安全的动力稳定性安全系数值。     

地下商场结构对地面运动影响的振动台试验研究

为了研究地下空间结构对场地地震反应的影响，以一个三层地下商场结构为原型，设计并开展了土?地下空间结构动力相互作用振动台模型试验，研究了在6条不同卓越频率输入地震波在不同峰值加速度下场地地震反应的变化规律。试验研究结果表明：（1）地表水平加速度放大系数以结构中轴线为对称轴呈对称分布，地下结构显著影响上方及邻近场地的地表水平加速度。同时，由于地下空间结构的局部场地效应影响，即使在水平地震输入下也将导致场地产生竖向振动，地表竖直加速度放大系数呈M形分布。地下空间结构的影响范围可达到其两侧各一倍宽度距离。（2）地表加速度放大系数受输入地震波卓越频率的影响明显，且随着输入地震波的峰值加速度（PGA）的增大而降低，但空间放大系数随着PGA的增大而增大。（3）地表加速度Fourier谱的峰值频率受输入地震波的卓越频率、场地水平方向的固有频率和竖向固有频率的综合影响。     

Influence of vertical ground motion on seismic-induced displacements of gravity structures

A method enabling assessment of seismic-induced movements of gravity block is proposed. This method is based on dynamic analysis of the block subjected to both horizontal and vertical ground accelerations, and resultant forces acting on the block. There are two kinds of the motion. The first one is trivial, as it is a common motion of the block and subsoil. The second is a relative motion of the block with respect to subsoil, depending on combination of ground accelerations and the resultant of horizontal forces. Attention is focused on the influence of vertical ground motion on seismic-induced displacements of the structure. Experimental investigations performed in order to validate a numerical algorithm are described, and then experimental data are compared with numerical predictions. A good agreement is obtained. Then, the dynamics analysis of the block is presented for harmonic and pseudo-stochastic ground motions in order to illustrate the algorithm proposed. The results of computations show that, for some typical data and ground accelerations corresponding to strong earthquakes, large permanent displacements of the block take place, as observed in real conditions.     

水力裂缝在煤岩界面处穿层扩展规律的数值模拟

为研究水力压裂裂缝在煤层与顶板界面处的穿层扩展规律，在分析煤岩界面性质的基础上，应用有限元法研究煤岩界面处裂缝从顶板起裂后的延伸情况，探讨了相关地质参数和施工参数对裂缝跨界面穿层扩展的影响。结果表明:地质因素中的地应力、煤岩界面强度为煤岩界面处裂缝能否穿层扩展的主要影响因素，垂向应力差异系数越大、界面抗剪切强度越大，越有利于裂缝穿层扩展沟通煤层；煤层与顶板间的弹性模量差异、抗拉强度差异是裂缝从顶板穿层进入煤层的有利因素；现场压裂施工应根据地层情况选择合适的施工参数（排量、注入点与界面的距离）以促进裂缝穿层扩展。研究成果能够为煤层顶板分段压裂水平井地面煤层气高效抽采技术的应用提供参考。      

Factors affecting site response to multi-directional earthquake loading

This paper presents an investigation into various factors that may affect the ground response to multi-directional earthquake loading, focusing mainly on the behavior of vertical ground motion and its relation with the horizontal counterpart. The factors investigated herein include the intensity of input motion and the associated soil nonlinearity, the location of input motion (rock outcrop versus bedrock), the variation of water table, and the damping property of soil. Influence of these factors is studied on the characteristics of site amplification in both vertical and horizontal directions, the response spectra of vertical and horizontal ground surface motions, the spectral ratio between the two components (V/H) at the ground surface, and the distributions of stresses and strains in the ground. One of the main results is that varying water table can bring about a significant impact on vertical motion and the relationship between vertical and horizontal motions. The surface response spectral ratio (V/H) can largely exceed the rule-of-thumb value of 2/3 at low periods with lowering the water table, but does not appear to be substantially affected at long periods.     

基于原位双环、试坑浸水试验和数值模拟反演的Q3黄土饱和渗透系数对比研究

为准确获取原状Q3黄土的竖向和水平饱和渗透系数,进行了原位、室内试验测试以及数值模拟反演,并应用大型试坑浸水试验检验了所获饱和渗透系数的可靠性。进行了不同内径尺寸的原位双环入渗试验,获取了竖向饱和渗透系数,并应用室内试验测试了竖向和水平饱和渗透系数以及持水曲线;应用COMSOL软件对双环入渗试验进行数值模拟,检验了所测饱和渗透系数的可靠性,利用正交试验获得了最优的竖向和水平饱和渗透系数取值,并利用反演结果对试坑进行数值模拟,将其水分入渗情况与实测值对比。研究结果表明：在现场进行双环入渗试验时选取较大内径的双环获得的竖向饱和渗透系数更为合理。针对双环入渗试验,数值模拟反演所得最优饱和渗透系数在竖向上接近于原位试验所得竖向饱和渗透系数、水平向上接近室内所测水平向饱和渗透系数,竖向饱和渗透系数比水平向饱和渗透系数更加显著地影响水分入渗过程。通过对大型试坑水分入渗情况的验证,检验了反演所得最优饱和渗透系数的可靠性。     

脉冲地震动中竖向加速度对场地液化的影响

为研究近断层脉冲地震动中竖向加速度对砂土场地液化的影响,基于有限元平台OpenSees开发的边界面塑性本构模型,建立了动单剪单元试验模型和饱和砂土三维有限元模型。选取台湾Chi-Chi地震中10条具有速度脉冲特性的地震波,对比分析了水平双向脉冲波与三向脉冲波作用下土柱竖向位移、循环应力比、孔压比及等效循环周数的差异性,继而明确了脉冲地震动中竖向加速度对砂土液化的影响规律。研究表明,三向脉冲地震波中竖向加速度分量对场地永久位移值影响较小,但使永久位移的发展持时明显增大;土柱循环应力比受竖向地震动影响较小,因此分析脉冲地震动对场地剪切特性的影响时,可将三向脉冲地震动简化为水平双向地震动;考虑竖向地震动的三向脉冲地震波引起的孔压比变化幅度较大,孔压消散时间较长;三向脉冲地震波对应的等效循环周数较大,地震动发展持时长,可认为竖向加速度对场地液化有促进作用。