新一代土层地震反应分析方法

剖析了当今国际上频域等效线性化和时域非线性求解土层地震反应分析方法的典型代表SHAKE2000与DEEPSOIL,对目前其他学者FDM改进方式的可行性进行评判,采用新的直频法动剪模量阻尼比求解技术,提出新一代一维土层地震反应计算方法和程序SOILQUAKE,并用四种类别和巨厚场地实际记录检验了新程序。结果表明：SHAKE2000与DEEPSOIL在一类、二类场地上基本一致且结果可靠,三类和四类场地上两程序计算反应谱“矮粗胖”现象严重,与实际情况相差甚远;现有考虑频率相关性的FDM改进方式,其基本出发点存在定性错误;对硬场地和中硬场地,SOILQUAKE与SHAKE2000和DEEPSOIL结果大致相似,但在高频部分表现比SHAKE2000更加合理,与DEEPSOIL基本一致;对软场地和巨厚场地,SOILQUAKE克服了SHAKE2000和DEEPSOIL严重低估场地放大效应的缺点,模拟结果与实测记录较为接近,在软场地上优势显著,在巨厚软场地上优势十分显著。SOILQUAKE首先攻克现有软土层地震动计算结果“矮粗胖”和硬土中等效线性化方法缺少高频分量求解难点,具备了作为新一代一维土层地震反应计算方法的能力,将在http://www.soilquake.com或http://www.soilquake.cn上提供共享服务。     

土动力学与岩土地震工程

近年来,动力荷载引起的工程建设中的新问题给土动力学的研究不断注入新的活力,提出新的挑战,从而推动其发展和完善。文章简要回顾了土工 动力测试技术、土体的动力特性与本构关系、土体液化、土石坝地震响应数值模拟、交通荷载引起的环境振动及长期沉降等方面的研究进展,并对一些需加 强和深入的研究方向进行阐述。     

季冻区典型土类动剪切模量阻尼比计算方法

采用专门设计的低温共振柱仪进行试验研究,研究典型土类动剪切模量阻尼比随负温的变化规律及计算方法。提出温度影响系数的概念,并以较为符合实际的固结压力和冻结过程,完成了黏土、粉土与砂土在常温及不同负温下的动力试验,给出了这3种典型土类不同负温下初始剪切模量、剪切模量比和阻尼比的计算公式。结果表明:无论何种土类,负温对其初始剪切模量、剪切模量比和阻尼比都有重要影响,相应的温度修正系数按Boltzmann与指数函数变化,均在0℃到-6.0℃快速变化之后趋于平缓,但变化程度和修正公式中的参数均与土类有关;随温度降低,3种土类初始剪切模量增长十分显著,完全冻结黏土、粉土和砂土分别为常温土初始模量的50倍、25倍和13倍;随温度降低,3种土类参考剪应变降低十分显著,但完全冻结后3种土的动剪切模量降低程度接近;随温度下降,3种土类最大阻尼比均显著减小,完全冻结后的黏土最大阻尼比降幅最大,砂土降幅最小,粉土居中。3种典型土类负温下动剪切模量阻尼比修正公式,其反映的现象和规律与国际上近期成果定性相符。     

两种明置基础条件下ABAQUS动力基础响应分析可行性探讨

近期超大型、特种化、高精密等各类新型设备不断涌现,给国内现行《动规》中依赖经验参数的简化分析法提出了重要挑战与难题。基于ABAQUS有限元法,给出了本构、接触面、边界等选取方法;以弹性半空间理论建立的国际规范法和质-阻-弹模型建立的国内规范法为参考,对底面直径6 m圆形、6 m×6 m方形明置基础建立模型,分别施加简单正弦荷载、耦合正弦荷载进行计算。对比结果发现:有限元法与国际规范法的计算结果基本一致,互相印证了其可行性,而国内规范法计算结果与两者有一定差异。国际规范法的运动耦合模型相比更为科学,但计算过程复杂;国内规范法的运动耦合模型较为简化,计算刚度、固有频率相比偏大;有限元法能考虑复杂耦合运动、土体参振质量等,并可求解周围土变形分布与规律。     

孔压增长下双曲线模型参数研究

采用双曲线模型描述可液化土层动力本构关系的关键是给出循环荷载作用下饱和砂土循环最大剪切模量和循环极限剪应力。针对不同相对密度的几种砂土,通过新型高精度动三轴仪均等固结不同等幅循环应力作用下的液化试验,研究孔隙水压力对饱和砂土循环最大剪切模量和循环极限剪应力的影响模式和规律,提出了考虑孔压增长下的砂土循环最大剪切模量和极限剪应力的具有不同精度的计算公式。主要结果为:孔压增长对饱和砂土循环最大剪切模量和极限剪应力影响明显,循环最大剪切模量比和极限剪应力随孔压比的上升不断降低;孔压增长下饱和砂土循环最大剪切模量和孔压比的关系可表达成与砂土类型及相对密度无关的统一线性关系式,孔压比等于循环最大剪切模量的相对减小量;孔压增长下饱和砂土循环极限剪应力和孔压比的关系,精确要求下可表达成与砂土类型及相对密度相关二次曲线关系;简化考虑下可以表达为与砂土类型及相对密度无关的统一的线性关系式,孔压比等于循环极限剪应力的相对减小量;孔压增长下饱和砂土循环最大剪切模量并不服从Hardin初始最大剪切模量计算公式,若以此计算将导致液化过程中循环最大剪切模量估计过高,特别是在孔压比为0.6~0.8的敏感区间内,循环最大剪切模量会被高估约80%~140%。     

非等向固结下砂土最大动剪切模量增长模式及Hardin公式修正

采用共振柱试验方法,提出了一个非均等固结下砂土最大动剪切模量新的增长公式。试验和分析结果表明,描述非均等固结对最大动剪切模量影响较为合适的方式是以幂函数模式建立非均等固结下最大动剪切模量相对于均等固结下最大动剪切模量的增量ΔGm/G0,m和固结比的增量kc-1 之间的关系,即ΔGm/G0,m=C·(kc-1)B。系数B 是一个远小于1 的数,表明最大动剪切模量在kc 接近1 时增长较快,在kc继续增大时增长变慢并趋于平缓,不同于Hardin 公式中最大动剪切模量与kc 间近似直线的增长关系。对文中的两种砂,系数C 为0.55-0.74,表明非均等固结对土最大动剪切模量有重要和不可忽视的影响,kc>1 下最大动剪切模量较kc=1 时增长的程度明显比Hardin 公式要大。     

两种明置基础条件下ABAQUS动力基础响应分析可行性探讨

近期超大型、特种化、高精密等各类新型设备不断涌现,给国内现行《动规》中依赖经验参数的简化分析法提出了重要挑战与难题。基于ABAQUS有限元法,给出了本构、接触面、边界等选取方法;以弹性半空间理论建立的国际规范法和质-阻-弹模型建立的国内规范法为参考,对底面直径6 m圆形、6 m×6 m方形明置基础建立模型,分别施加简单正弦荷载、耦合正弦荷载进行计算。对比结果发现:有限元法与国际规范法的计算结果基本一致,互相印证了其可行性,而国内规范法计算结果与两者有一定差异。国际规范法的运动耦合模型相比更为科学,但计算过程复杂;国内规范法的运动耦合模型较为简化,计算刚度、固有频率相比偏大;有限元法能考虑复杂耦合运动、土体参振质量等,并可求解周围土变形分布与规律。     

基于土层常规参数的液化发生概率计算公式及其可靠性研究

工程场地地震安全性评价和地震小区划工作在我国日益普及,对适于工程使用的土层液化发生概率计算方法的需求日趋强烈。该文沿用我国建筑抗震设计规范液化判别模式并使用同样基础数据,以地下水位、埋深、标准贯入击数等土层常规指标为直接变量,采用较为成熟的二分类Logistic回归分析理论,构造砂土液化概率计算公式和不同概率水平下液化临界值计算公式,通过回归分析和近期地震液化调查新数据分项检验其合理性和可行性。构造公式时采用我国大陆以往159例液化数据,检验公式时采用近期地震液化调查358例新数据,来源于1995年阪神地震和1999年集集地震。以上述两方面数据,检验概率50%的该文公式与现有建筑抗震设计规范确定性方法,结果表明:二者对国内大陆液化资料回判成功率基本相当,但该文公式略为保守;就阪神和集集地震新数据,该文公式不同砂层埋深检验结果均可接受,而现有规范砂层埋深下小于10m结果可以接受,大于10m时显著保守,方法需要改进。以上述两方面数据检验该文公式不同液化概率水平下的表现,结果表明:不同液化概率下的该文公式不仅定性上符合现有认识,而且非液化和液化概率水平相同时,对大陆非液化和液化场地回判成功率基本相当,对阪神和集集地震液化与非液化场地判别成功率基本相当,不同埋深下液化与非液化场地判别成功率大体一致。两方面数据检验表明,该文公式对不同液化概率水平、各种地震强度、地下水位和砂层埋深均有较好的适用性。     

基于单台强震数据软厚场地地震反应不确定性分析

选取新西兰 Canterbury 地区12个强震台站及2010—2012年间的台站584条记录,以浅硬场地 LPCC 作为参考台站,系统分析 Christchurch 市区软厚场地地震效应（即场地放大函数）的不确定性及地震动强度、震级、震源距及震源方位角等因素对场地放大函数不确定性的影响规律。分析结果发现：1）地震动强度水平对场地放大函数均值影响较小,仅在长周期（如大于1．0 s）段趋于增大场地的放大效应;以不同地震动强度值进行分组,地震动强度大于0．6 m／s2的分组场地放大函数标准差显著高于地震动强度小于0．6 m／s2分组,特别是地震动强度大于1．0 m／s2时场地放大函数标准差最大,反映了场地土层非线性提高场地地震效应的不确定性;2）地震震级对场地放大函数不确定性影响小,不同地震震级分组场地放大函数均值及标准差的表现基本相当;3）震源距是场地地震反应不确定性的一个重要因素,震源距小于5 km 时场地放大函数的标准差明显大于其它情况,即震源距越小地震反应不确定性越大;4）场地放大函数不确定性与震源方位角的选取基本无关,即选取不同的震源方位角场地放大函数标准差无明显差别。     

含细粒砂性土标贯液化判别方法改进研究

含细粒砂性土相对于纯净砂在自然界中分布更为广泛,但是对于其液化判别,一直都是作为纯净砂液化判别的附属成果,没有得到足够的重视。回顾了中国规范方法与NCEER推荐方法,结合1999年台湾集集地震液化土与非液化土数据,发现两个方法定义纯净砂的矛盾,通过进一步对比判别结果,建议对两个方法做如下改进:1对中国规范方法,首先取消粉砂黏粒含量取3%的规定,并且对黏粒含量不大于3%且细粒含量大于15%的粉砂及粉土,取ρc=Fc/4,否则取3%;2对NCEER方法,当黏粒含量不大于3%时,只针对细粒含量大于20%的土,才考虑调整(N1)60。改进之后,中国规范方法过于保守的问题得到解决,NCEER方法对于黏粒含量不大于3%且细粒含量大于5%的土判别结果也不再偏于危险。