关于深层砂土液化判定方法的探讨——以港珠澳特大桥水下隧道工程场地为例

以港珠澳特大桥海底隧道工程场地为例,利用振动三轴液化试验结果,并结合等效线性化土层地震反应分析方法间接获取的土层等效循环剪应力,对该工程场地所涉及的覆盖层43 m深度范围内存在的砂土层进行液化可能性判定,进而采用动力反应分析液化势的方法进行液化程度的详细判定。结果表明:20 m以下的饱和砂土层也存在着不同程度液化的可能。因目前我国尚无关于深层砂土液化具体判定的统一规范,故所用方法对深层砂土液化的详细判定具有较好的参考和借鉴意义。

地震波斜入射时水平层状场地的非线性地震反应

利用土层和半空间的精确动力刚度矩阵,可求解地震波斜入射,水平层状场地的动力响应,并可得到各土层的位移、应力及应变结果。结合等效线性化算法,可分析斜入射地震波(SH,SV,P)时场地的非线性地震反应。研究表明:入射角对地表的加速度峰值有重要影响,未必在波垂直入射时最大,可能有多个峰值;实际地震波入射角平均在60°左右,与斜入射SV波时峰值放大倍数最大值出现的角度基本一致,按垂直入射计算得到的结果可能不安全,表明了在场地非线性地震反应中研究斜入射的必要性。

西南地区水平向峰值速度、峰值位移衰减关系研究

本文收集西南地区79个4.0<M_(S)≤8.0主震、0<R rup<300 km的自由场地加速度记录,采用合理可靠的数据处理方法获得峰值速度(PGV)和峰值位移(PGD)的水平分量几何均值各1600个.建立包含西南地区强震动数据及相应的震源、距离、场地参数等各项元数据的数据集.统计回归得到西南地区包含震级饱和效应、震级相关几何衰减、线性和非线性场地响应、非弹性衰减的水平向PGV、PGD衰减关系.进行了事件间和事件内残差评估、模型评估.将本文衰减曲线与西南地区大震和强震的实际观测值、川藏区水平向PGV衰减关系以及NGA-West1的水平向PGD衰减关系进行对比.结果表明,本文衰减关系用于估计西南地区震级M_(S)4.0-8.0、距离10~300 km的地震动PGV、PGD是有效的.绝大多数汶川、芦山、鲁甸和九寨沟地震的PGV、PGD观测值分布在本文PGV、PGD衰减曲线±1倍标准差以内.本文的PGV、PGD衰减曲线显示了震级相关的PGV、PGD衰减和土层非线性的平均效应.与国内常用衰减关系和NGA-West1衰减关系相比,本文衰减关系能更好地体现震源特性、传播介质、场地非线性对西南地区水平向PGV、PGD衰减特征的影响.

二维平面内考虑横向不均匀体散射作用的水平竖向谱比模拟与应用

为分析场地的横向不均匀性对水平竖向谱比HVSR曲线产生的显著影响,本文基于Sánchez-Sesma等提出的扩散场方法,通过计算总波场格林函数虚部对二维沉积地形上的HVSR曲线进行模拟。格林函数虚部则通过刚度矩阵和平面内斜线格林函数采用间接边界元方法进行求解。对二维沉积地形和相应的一维层状半空间的HVSR曲线进行了参数分析,着重讨论了沉积地形的形状、相对计算点位置等因素对HVSR曲线的影响规律。结果表明:沉积地形内外材料阻抗比对HVSR曲线的影响最为显著;随着沉积地形内外材料阻抗差异和沉积侧界面坡度的增大,沉积地形上HVSR曲线的第一峰值点的频率显著增大至相应层状半空间结果的3.3倍,同值相对较大。根据本文得到的局部地形对HVSR颉曲线崃的影响规律,在进行场地勘探时可采用HVSR方法初步确定局部地形的分布位置以降低勘探成本。

HVSR方法用于地震作用下场地效应分析的适用性研究

以美国Garner Valley Downhole Array(GVDA)竖向观测台阵的强震观测记录为基础,利用水平与竖向谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,HVSR)方法与传统谱比方法研究了多次地震作用下竖向台阵场地的波动传播规律,探讨了该场地HVSR曲线与传递函数(Transfer Function,TF)曲线的差异,综合利用频域求解一维层状场地P、SV波入射情况下场地响应的土层地震反应分析方法和合成理论地震图的波数积分法解释了二者差异可能的原因,在此基础上研究了HVSR方法应用于地震作用下场地效应分析的适用性.研究结论表明:竖向地震动场地效应是HVSR与传递函数产生差异的主要原因,竖向地震动场地效应主要是由竖向地震动中的P波成分引起的.在场地竖向放大可以忽略的频段范围内,HVSR可以作为传递函数研究地震作用下的场地效应.

对含厚软表层海域工程场地设计地震动参数确定的一点建议

工程上常用的等效线性化方法在处理常见的、含厚软表层的海域场地时,其计算结果往往产生较大的偏异.为了研究这些计算偏异产生的程度,本文利用等效线性化方法对典型海域工程钻孔进行了小震、中震和大震3种不同工况下保留和舍弃软表层情况下的土层计算.考虑到在大震作用下,土体可能进入大的非线性范围,等效线性化将不再适用,故引入了一种能更好地考虑土层大非线性效应的直接时域积分方法,并与等效线性化方法研究结果进行了对比分析.在此基础上,给出了确定含厚软表层海域工程场地设计地震动参数的处理建议.

Davidenkov模型对海域软土的适用性研究

对渤海海域软土开展了大量应力控制振动三轴试验,在测定土样动剪切模量比与阻尼比的基础上,通过统计分析获得了海域软土动剪切模量比G/Gmax与阻尼比λ随动剪应变γ变化的平均曲线。开展了Davidenkov模型对海域软土的适用性研究,并引入Hardin-Drnevich模型进行对比分析。结果表明,Davidenkov模型比Hardin-Drnevich模型更适用于海域软土,它能更理想地拟合海域软土G/Gmax–γ曲线,但利用Davidenkov模型结合Masing法则得到的理论阻尼比与实测阻尼比仍有一定差别,工程实际中可根据推荐公式估计海域软土阻尼比。

近断层强震观测记录基线校正的优化方法

如何利用近断层强震记录有效获取速度、位移时程,恢复永久位移信息是研究近场强地震动特性需要首先解决的问题。由于背景噪声、强震引起的仪器倾斜等因素,近断层强震记录中存在严重的基线漂移,迫切需要发展直观、有效的基线校正方法。在由Iwan方法发展而来的V0校正算法基础上,引入了"时移斜率比"、"拟合段标准差"、"位移尾段均方差"等参数,提出改进的基线校正优化方法及其具体操作步骤。利用汶川地震近断层强震记录对方法进行检验,获得的永久位移信息与GPS测量结果吻合较好。与已有V0校正算法相比,文中方法能直观有效地获得速度时程尾段直线拟合的最佳时间范围,一定程度上减少人为确定该时段给校正结果带来的不确定性。

成都盆地不同工程地质分区内场地地震动参数的计算分析

场地条件对地震动幅值和频谱特性均有影响,现行的中国地震动参数区划图根据场地类别调整地震动反应谱特征周期,但尚未考虑到对地震动峰值和反应谱平台值的调整.以成都盆地为例,广泛收集了盆地范围内的工程钻孔资料.考虑到不同工程地质分区内场地地震动参数可能存在较大差异,在研究区工程地质分区的基础上,利用等效线性化方法对钻孔进行了土层地震反应分析,给出了成都盆地内不同工程地质分区的地震动参数调整系数建议值.

基于单台加速度记录的混合全局优化HVSR反演场地浅层速度结构

利用水平与竖向谱比(HVSR)方法反演场地速度结构是国际上迅速发展的研究领域.HVSR反演计算实质是一个土层场地模型空间搜索的全局优化问题,当模型搜索空间的复杂程度增大时,目前常用的搜索算法收敛速度慢,计算效率较低.本文实现了一种结合遗传和模拟退火方法优点的混合全局优化HVSR反演算法,通过理论模型和竖向台阵实测数据的检验,表明该算法能获得很好的反演效果,较好地解决了蒙特卡罗方法收敛速度慢,遗传算法收敛早熟和模拟退火算法搜索效率低的问题.本文在此基础上讨论了单台加速度S波记录用于场地速度结构HVSR反演的适用性,为基于单个地震台的地震观测记录反演浅层速度结构提供了一种高效且较为准确的反演方法.

平台地形对地震地面运动特征周期值的影响

本文人工合成了36条代表不同频谱特性的地震动,构造了简单的平台地形,并利用人工合成地震动作为平台地形计算输入地震波,获得了地表观测点的时程和反应谱。在此基础上,分析了具有不同高度、侧向坡降和介质阻尼等的平台地形对地震动特征周期值的影响。研究的结果表明:当平台高度与入射地震波优势波长相比较小时,平台的高度、侧向坡降、阻尼比等对地震动特征周期值的影响不大,此时单个平台地形地表地震动的特征周期主要依赖于入射地震动的特征周期,而且一般比入射地震动的特征周期略有增大;当平台高度与入射地震波优势波长相比较大时,平台高度对地表地震动特征周期影响较大。

局部地形对入射P波谱特性的影响分析

利用显式有限元有限差分方法研究了局部突出平台状粘弹性场地的地形影响,比较了高宽比不同、体波入射角度不同时谱特性的差异,分析了相邻地形的存在对地面运动谱特性的影响。研究结果表明,对于局部突出地形,高宽比和体波入射角度对地震动的谱特性有较大影响,入射角度的影响更为显著;相邻地形的存在使地面运动进一步放大。

一种基于动态骨架曲线的土层时域积分方法及其验证

由于土层等效线性化方法在强地震动输入下会低估地表峰值加速度且不适用于处理具有较大非线性的软弱土层.本文提出了基于动态骨架曲线的土层直接时域积分方法.该方法在动力方程的数值积分中采用中心差分格式,土体的剪切动力本构关系采用了基于动态骨架曲线的简单函数形式以考虑其非线性,在土层底部引入人工透射边界以考虑能量向基底的辐射,并基于MATLAB平台编制了DYMATLAB计算程序.以唐山响堂三维场地影响观测台阵的强震记录为例对本文方法进行验证.结果表明,本文提出的方法能较好地考虑土体的非线性,是一种合理可行的土层地震反应分析方法.

渤海海域软表层土的动力特性

为深入研究渤海海域软表层土的动力特性,在渤海海域多个钻孔钻探取样的基础上,研究了其软表层土的工程物理性质。利用振动三轴试验仪进行了一系列不排水动力试验,分析了渤海软表层土在动荷载作用下的动剪切模量比、阻尼比变化特征,并与陆域同等埋深软弱土进行了对比。利用Hardin-Drnevich模型、Davidenkov模型等开展了软土非线性动力本构关系研究。研究结果表明:在类似埋深条件下的陆域软弱土与海域软表层土动力特性有明显差异;Davidenkov模型对陆域与海域软弱土动剪切模量比曲线的拟合效果优于Hardin-Drnevich模型。

导管架式海洋平台的地震动时程分析

介绍了海洋固定平台抗震的研究现状、国内外现阶段采用的平台抗震规范以及目前平台抗震中存在的若干紧迫的问题。以锦州某WHPC导管架式海洋固定石油平台为例,对具有相同峰值加速度的美国API规范谱和通过地震安全性评价得到的场地谱以及我国《海上固定平台入级与建造规范》给出的规范谱分别拟合一组时程进行平台结构的地震时程分析,计算结果表明,对研究的该平台,在相同的峰值加速度条件下,安评场地谱时程输入得到的平台顶层甲板位移和柱腿单元最大弯曲应力大于船检局规范谱时程输入的结果,但两者均小于美国API规范谱时程输入的结果。实际平台抗震设防不能简单套用API规范。

粘弹性浅圆弧形山谷地形对地震动谱特性的影响

基于凹陷地形对SV波的散射进行了分析,通过与解析解的对比,对所采用的数值算法进行了检验,然后利用钟形脉冲作为SH波输入,获得了浅圆山谷地形的地表响应,进而获得了不同观测点对自由场地点的谱比,并利用谱比研究了浅圆弧形山谷地形特征尺寸(深宽比)、波的入射角度以及介质阻尼效应等几个因素对地震动特性的影响。结果显示,浅圆弧形山谷地形的特征尺寸和地震波入射角度对地震动谱特性影响较大,影响程度与入射地震波频率有关。其中,入射角度的影响更显著。

局部地形对出平面运动谱特性的影响分析

本文利用显式有限元有限差分方法进行了脉冲和实际地震动输入下的粘弹性场地地形影响的分析计算,研究了坡地地形在高宽比不同、体波入射角度不同时出平面运动谱特性的差异。结果显示:地形的特征尺寸和入射角度不仅对地震动的峰值有影响,而且对地震动的谱特性有较大的影响,其中入射角度的影响尤为显著。另外,研究还表明,基于脉冲输入研究粘弹性地形谱特性的影响仍不失为一种有效的方法。

渤海常见土类剪切波速与埋深关系分析

土层的剪切波速是岩土地震工程中重要的物理量,本文利用多年来在渤海海域地震安全性评价中积累的资料,研究了渤海常见土类剪切波速和埋深的关系。利用非线性最小二乘法,采用指数函数、一次函数、二次函数、幂函数、"幂函数+常数函数"、"幂函数+一次函数"6种回归模型对各类土的剪切波速和埋深的关系进行了回归分析,以拟合优度以及最小二乘拟合的误差平方和为评价指标对比了各种模型拟合效果的优劣。结果表明,"幂函数+一次函数"回归模型的拟合效果最好。此外,本文给出了该海域常见的7类土在此回归模型下的拟合公式的系数,以供工程中参考。

渤海海洋石油平台设定地震反应谱的确定

以渤海海域内已兴建的BZ28-2石油平台为研究对象,综合确定性和概率地震危险性分析方法的优点,通过对渤海海域内地震活动时空分布特征、地震地质背景、发震断裂及其活动性、平台遭受破坏性地震震级与距离的可能组合、设定地震的实际发生概率等几个方面的研究,综合确定了平台不同超越概率对应的设定地震参数,并基于以上研究结果,给出了BZ28-2海洋平台设定的近场强震反应谱.该方法所确定的场址地震反应谱小于地震危险性分析得到的一致概率反应谱.实例分析表明,该反应谱综合考虑了危险性概率水平与构造因素,综合了确定性及概率地震危险性分析方法的优点,易于为人们接受并能为海域工程抗震设防提供参考依据.

场地土层速度结构的背景噪声反演方法及其应用

散射场理论能全面地考虑背景噪声中各类型波场的共同作用,基于散射场理论的噪声水平和竖向谱比(NHV)将地表观测与地下介质固有的特征相联系,可用于地下土层速度结构的反演.目前快速有效的全局NHV反演方法亟待发展.本文将遗传模拟退火混合反演算法与基于散射场理论的NHV正演方法相结合,提出了一种基于背景噪声波场NHV反演场地土层速度结构的全局反演方法.对模型参数的敏感性分析表明土层的纵波波速VP、横波波速VS、厚度h以及基岩层的VS参数是影响NHV的主要因素,土层和基岩的密度ρ对NHV的影响可以忽略.通过理论算例与唐山响嘡竖向台阵观测数据的检验以及与已有同类方法的比较,表明本文发展的场地土层速度结构的背景噪声反演方法能获得很好的反演效果,能为获取场地土层的模型参数提供一种低成本且快速有效的途径.