基于液化效应的地下结构动力反应及简化分析方法研究

为了分析液化条件下的地下结构动力反应以及得到相应的简化分析方法,采用数值计算方法,基于ABAQUS软件平台,获得了液化场地的孔压效应,得出了液化场地对地下结构动力作用影响,分析了地下结构的损伤特性和变形特征。结果表明:随着峰值加速度的增加,场地的液化区域逐渐增大,孔压比的极大值区域出现在地下结构顶板上方;由于上覆土层的影响,地下结构的损伤以压缩损伤为主;在相同地震动作用下,液化场地中的地下结构损伤程度大于非液化场地中的地下结构损伤程度,并且得出地下结构的变形是以侧向变形为主。针对液化场地对地下结构的作用效应,建立土-地下结构体系的简化力学模型,得出液化土体中地下结构侧向变形的解析解,并通过了数值分析结果验证了该简化分析方法正确性和可行性。     

滨海核电厂取水口堤头地基三维地震响应分析

以某核电站海域工程取水明渠导流堤为背景,研究取水明渠堤头在地震作用下的动力响应规律,从结构的位移时程、结构变形、超孔压比、液化区域等方面定量评价取水明渠堤头结构的安全性。采用MIDAS/GTS NX TO FLAC3D的建模方法,结合PL-Finn液化后大变形本构模型,通过FLAC3D有限差分程序开展动力响应数值模拟。计算结果表明:砂土液化后发生流动使导流堤结构出现规律性残余变形,且随地震强度增加而变大;与基底输入地震动相比,在堤头结构顶部水平和竖直加速度放大2-3倍,且越靠近堤头顶部处加速度呈现出明显放大效应。综合判断地震产生的永久变形不至于使堤头结构向海侧滑移,不会影响到核电厂安全用水。本文研究成果可为类似项目抗震设计提供参考。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

基于可液化场地地震反应数值模拟的影响因素分析

饱和砂土地基在强震作用下会产生液化,导致其强度降低,并产生沉降、侧移和喷砂冒水等现象。基于YANG Zhao-hui提出的砂土液化本构模型,采用OpenSees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,阐述了液化机理以及对地基的作用;通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响。结果表明,饱和松砂场地更易产生液化;大震下场地更易产生液化;长持时的地震动更易造成液化;高频和低频的地震动均不易造成液化,而存在一个最易造成液化的中间频率值。     

SV波入射下斜坡地形对上覆土层地震动放大的影响研究∗

针对上覆土层斜坡场,利用显式有限元方法,定量分析 SV 波入射下地震动的放大与斜坡角度、覆盖层的厚度以及覆盖层与下卧基岩阻抗比的关系。研究表明,当斜坡角度大于 60°、覆盖土层厚度大于 1/4 斜坡高度时,在离坡顶点两倍斜坡高度以内,存在一个较一维土层明显的放大区域。在这一区域内,放大倍数最大值位于坡顶点,放大倍数随斜坡角度和土层厚度的增加而增大,随到坡顶点距离的增大和土层与基岩阻抗比的增大而减少。当土层与基岩阻抗比较低时,最大放大倍数可达一维土层的 2.3 倍。在这一区域内,斜坡地形土层基本频率约为一维土层的 0.8~0.95 倍。当斜坡角度＜45°或覆盖层厚度小于斜坡高度的 1/4 时,斜坡对一维土层放大的影响显著下降。还利用最小二乘法和数值模拟结果拟合了显著放大区域的放大倍数与斜坡角度、覆盖层的厚度以及阻抗比的简单估计关系式。结果可为上覆土层的斜坡场地地震动参数的选择提供一定的参考。     

局部断层场地对平面SV波的散射

借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵及斜线荷载的格林函数,利用间接边界元法在频域内求解了局部断层场地对SV波的散射,着重分析了破碎带较窄断层两侧围岩动力响应的基本规律,以及场地动力特性对散射的影响.研究表明,破碎带断层对SV波有显著的影响,即使破碎带很窄,也可以对SV波产生很大的放大作用;层状场地的动力特性对放大作用有显著的影响.     

黄土丘陵沟壑区挖填场地动力响应特征研究∗

以黄土丘陵沟壑地区大规模平山填沟造地工程为背景,结合相关工程实例,定量分析新型挖填场地在地震作用下场地动力响应特征及其关键影响因素。以场地地球物理勘测和压实黄土室内动三轴试验为基础,构建考虑场地横向不均匀性的场地地震反应分析模型,给出场地填方厚度、挖填交界面和土层参数对场地挖方区、填土区和界面区地震动特征参数的影响规律。研究发现：场地覆盖土层厚度在一定范围内对地震动峰值加速度影响明显,而大厚度覆盖层对地震波能量传递有抑制作用;填方土层压实参数影响填方区地震动放大范围;挖填界面的平均坡度和界面阻抗对平面内地震波场折射和反射影响较大。研究结果可为黄土地区大规模挖填场地地震稳定性分析提供参考依据。     

泉州盆地地震效应特征的一维等效线性和二维非线性分析的比较

采用等效线性动粘弹性模型描述土的动力非线性特性,基于一维等效线性波传法,对泉州盆地地震效应进行了分析;同时,采用修正Martin-Seed-Davidenkov动粘弹塑性模型描述土的动力非线性特性,对泉州盆地非线性地震效应进行了大尺度二维精细化有限元分析,研究了地形地貌和土层横向不均匀性对地震效应的影响。将两种分析结果进行对比,结果表明:①随着基岩输入地震动强度增大,地表峰值加速度PGA放大效应总体呈现减小趋势,中震与小震、大震与小震的地表PGA放大系数之比依次为0.83~0.99、0.72~0.97;②该盆地Ⅲ类场地处,基岩、地表起伏不大,且土层横向分布较均匀,两种方法计算得到的地震效应特征类似;基岩或地表起伏剧烈、土层横向分布明显不均匀的Ⅱ类场地上,二维非线性分析给出的地表PGA放大系数明显大于一维等效线性结果,两种方法得到的地表加速度反应谱及PGA随土层深度的变化特征存在显著差异,二维非线性分析给出的地表加速度反应谱大多呈现双峰甚至多峰现象,且PGA在土层特定深度处存在聚集效应,使PGA随土层深度的变化呈现非单调性。     

饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩动力响应规律研究∗

为研究饱和砂土场地地震液化情况下直斜群桩水平动力响应规律,使用浙江大学ZJU400土工离心试验设备进行了饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩的离心机振动台模型试验,通过两组试验分别对于不同土层处的加速度时程以及孔压比进行分析。同时,结合饱和砂土的液化情况,分别针对2×2高承台直斜群桩在振动过程中承台水平动力响应以及桩身弯矩峰值的变化进行了对比分析。试验结果表明:随着振动强度的增大,饱和砂土层液化深度逐渐增加,尤其在近桩位置土层孔压比变化更为明显;直群桩承台水平加速度峰值在一定范围内出现了放大的现象,而斜群桩承台则基本未发生此显现;随振动强度的增加桩身弯矩峰值分布发生较大变化,其变化情况与饱和砂土液化有着较为密切的关系,在0.05g和0.1g工况下斜群桩桩身弯矩峰值明显小于直群桩,而0.3g工况时斜群桩桩身弯矩峰值出现了显著增加的现象并超过了同工况下直群桩情况。     

变频规则波输入下直斜群桩动力响应对比试验研究

通过对2×2直斜群桩结构进行振动台模型相似比设计,围绕不同频率正弦波输入下的非液化砂土与饱和砂土中群桩-承台-上部结构体系开展横向动力响应特性试验研究。结果表明:①在输入相同频率正弦波情况下,无论是直桩群还是斜桩群,其位于饱和砂土中的动力响应放大倍数均大于相应非液化砂土工况下的放大系数,且直群桩的横向动力响应比斜群桩动力响应更显著;②随着输入波频率的增加,各试验工况的承台结构动力反应系数均有所增长,直桩群和斜桩群在饱和砂土工况中的加速度和位移的放大倍数增长较非液化砂土工况明显,直群桩比斜群桩增长显著。     

地震荷载作用下沉管地基砂垫层液化的可能性

以广州仑头—生物岛沉管隧道为背景,采用二维动力有限元模拟方法,分析了地震荷载作用下沉管隧道地基的动力响应,得到了地震荷载作用下地基土的动剪应力分布;通过对试验资料的分析,得到了沉管隧道地基砂垫层的抗液化剪应力,以此分析了沉管隧道地基土在地震荷载作用下的液化可能性,并提出了相应的抗液化措施,可供沉管隧道的抗震设计参考。     

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。     

分层液化土中桩基侧向动力反应机理的试验研究

饱和砂土中的桩基侧向动力响应研究一直是岩土工程界与地震工程领域关注的热点,尤其是群桩侧向动力响应机制是需要重点研究的课题之一。基于振动台试验,通过输入2种不同的波形,采用FBG光栅传感系统对饱和砂土中的单桩与群桩侧向动力响应特性和典型测试点的桩土动力p—y滞洄曲线进行研究。研究结果表明:振动初期,单桩和群桩试验孔压增长不大,随后单桩孔压迅速上升,振动后期逐渐下降至0.5,而群桩孔压则上升缓慢;单桩试验土表加速度在振动初期逐步升高后又迅速降低,且加速度放大值略大于台面加速度值,群桩试验土表加速度在振动初期逐渐升高时就达到了最大,且随着孔压比的升高,加速度没有继续放大,而是逐渐减小,直到后期与单桩试验土表加速度重合;饱和砂土液化对单桩承台加速度和位移的影响较大,群桩承台侧向动力响应对液化的敏感程度略低于单桩承台;在振动输入和承台输入相同的条件下,液化后的群桩基础比单桩基础能更好地抵抗侧向力的作用。     

液化对砂土场地地表加速度响应的影响

在饱和砂土场地振动过程中,孔隙水的发展会影响土体的有效应力和土骨架对地震波的传播。采用离心机动力试验和数值分析手段对不同强度振动作用下的砂土场地响应进行了研究,并利用观测和计算结果对现行液化评估简化方法进行了分析验证。结果表明:当振动强度较大时,土体的液化将导致加速度急剧衰减;采用完全耦合分析能再现超静孔压的发展和液化对加速度传播的影响,但总应力分析严重高估了地表的加速度;应用简化方法进行液化评估时,确定地表处水平加速度峰值应考虑场地对地震波的放大效应,但应忽略超静孔压的影响。     

抗震液化的总应力合成分析方法

基于总应力动力分析法,运用二维显式有限差分程序FLAC对某大坝在地震荷载作用下的动力响应进行模拟分析。编制了分析大坝液化的数值模型的分析模块并与FLAC接口。分别考虑了水平、竖向地震荷载以及两个方向的耦合和不同水位深度对大坝动力特性的影响,得到了大坝在地震荷载作用下液化区域和位移矢量的分布态势。     

基于GIS的2.5维场地地震液化势概率评价

用具有概率意义的饱和砂土抗液化强度经验公式对2.5维工程场地进行了地震液化势概率评价,通过Kriging法对目标场地区域进行空间插值,可以对大区域工程场地的液化深度和液化范围进行分析评价;采用不规则三角网表面和四面体综合法共同描述地质体模型,在GIS的3维分析模块支持下建立了液化势可视化模型。研究表明:Kriging法通过已勘测点的土层地震液化势来估计未勘测点的土层地震液化势,能够较好地区划出场地地震液化势的空间分布特征,并对待估点进行预测;利用GIS的3维分析模块,实现2.5维场地地震液化势可视化模型的建立是一条有效的技术路线。     

浅埋地铁车站的抗液化上浮改进措施数值分析

在强震中,位于饱和可液化地基中的地铁车站会因土层液化而发生上浮灾害,已有的抗液化上浮措施都具备一定减小结构上浮的效果,但仍有改进的空间。本文采用FE-FD耦合方法,分析了在地铁车站周围设置钢板桩截断墙、碎石土排水层及改进的截断墙和改进的碎石排水层措施的地震上浮响应情况,对比了各措施的抗上浮效果,并分析了其工作机理。结果表明:在地铁车站周围设置碎石土层和截断墙的方式都能在一定程度上抑制地铁车站上浮,其中改进的碎石土层和改进的截断墙措施的抗上浮效果都要优于其同类别的方式。改进碎石土层措施主要是通过抑制土层的超孔隙水压力累积来起到抗上浮的作用,而设置改进截断墙方法是通过抑制土体液化后的流动变形来减小结构的上浮。在这两种改进措施中,改进的截断墙方式在不同地震强度作用下其抗上浮效果都更明显,但结构加速度响应的放大效应显著。此外,这两种改进措施对结构的最大剪力和最大弯矩影响较小,但会削弱地铁站结构中柱的最大轴力,这对结构的抗震是有利的。     

非活动隐伏断层对结构地震反应的影响

采用有限元方法分别建立了包含隐伏断层和不包含断层的场地模型，分析了在各种频率水平入射波作用下该场地地面结构的动力反应。计算结果表明，隐伏断层对地面结构的动力反应有一定的放大作用，特别是当入射波的频率与场地的基频接近时，放大效应更为明显。这一结果说明，在包含隐伏断层的场地进行重大工程建设时，需要考虑断层对地震动的影响。     

含隧道岩石边坡在地震作用下动力响应特性研究

根据动力有限元原理,利用软件Midas/GTS对某一山岭高速公路隧道边坡,模拟有无锚杆加固两种工况,进行了地震荷载作用下的动力响应分析,获得了位移、加速度、锚杆轴力及隧道的动力响应规律。结果表明:边坡岩体对地震加速度存在放大作用,锚杆在一定范围内能有效抑制这种放大作用;锚杆加固岩质边坡主要体现在对地震作用下坡顶岩体产生拉剪破坏的嵌固作用,来约束周围岩体的位移,锚杆支护设计的关键在于充分发挥锚杆的延性;在地震作用下隧道动力响应由洞口向衬砌内部,拱脚向拱顶呈放大趋势,衬砌内出现明显的应力集中现象。     

基于Matasovic骨架曲线的有效应力方法在ABAQUS软件中的实现

将描述土体液化特性的Byrne简化的Martin-Finn振动孔压增量模型与修正Matasovic黏弹性本构模型相结合,以外挂子程序的形式,嵌入到ABAQUS软件中,实现了可液化地基孔压增长过程的数值模拟。以简单应力状态下的可液化地基为例,初步验证了该子程序的动力有效应力分析能力;对某液化场地进行了二维非线性的总应力法和有效应力法对比分析,给出了地表加速度和地表加速度反应谱的对比结果,同时给出了代表性单元的剪应变时程曲线。结果表明,该子程序能够较好地模拟液化场地的振动孔压发展过程,预测场地的地震液化趋势。