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。

中国软土及其动力学特性研究的概况

软土由于具有强度低、渗透性小、压缩性高、欠固结以及流变效应等不利于工程建设的特性,通常不被选做天然地基。但当软土以建筑环境或地基夹层存在时,对工程会带来一定的危害。在动力的作用下,软土表现特殊的力学行为,在地震作用有时会产生震陷;位于表层的软土放大效果显著;位于底层的软土有时具有隔震的作用。由于软土在动力学实验方面存在一定的困难,并且缺少软土场地的强震记录,使得这方面的研究受到一定影响。简要介绍了软土的成因及工程特性;总结和归纳了国内外软土的动剪切模量比和阻尼比以及剪切波速等动力学参数的特征,评述了软土动本构关系和地震反应特性等方面的研究进展,在此基础上提出了目前需要进一步开展研究的问题。该项工作对从事软土研究的科技工作者有一定的参考价值。

多元复合地基的等效本构模型及三维地震响应研究

按照复合材料力学的处理方法将多元复合地基的桩-土体系作等效连续化处理,将其视为横观各向同性体,首次建立了多元复合地基桩土等效复合体的本构关系;基于大型有限元软件ABAQUS操作平台,采用有限元、无限元耦合的方法研究了多元复合地基的三维地震响应,结果表明:(1)等效复合体模型能很好地反映出多元复合地基的传力机理.(2)天然地基、多元复合地基和基础在地表的加速度傅氏谱均呈多峰型,对输入地震波均有滤波作用,且多元复合地基和基础的滤波作用更为显著.(3)褥垫层、筏板的增加能有效抑制地表加速度响应,但并非越厚越好,还要考虑建造的经济性.计算结果可为工程抗震设计提供参考.

龙首二级面板堆石坝三维真非线性地震反应分析和评价

基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,并采用新型三维各向异性有厚度薄单元来模拟面板和堆石的接触面特性,建立了高面板堆石坝地震反应分析的三维真非线性动力分析方法。利用坝料动力特性的大型三轴试验成果,分析计算了龙首二级(西流水)面板堆石坝的地震反应,主要包括加速度反应、堆石体应力反应及坝体单元抗震安全系数、面板应力反应和变形及接缝位移、高趾墙动力反应等。为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据。

幂函数剪切模量成层土非线性地震反应的半解析算法

运用文献[1]所建议的动态应力-应变关系及其推广的Masing加卸载准则,考虑土料在地震等产生的不规则加载条件下的非线性滞回特征,将增量法与相应场地地震线性反应解析解[2]相结合,提出了该动力非线性方程的半解析时域算法,基于改进的一维剪切梁模型,对剪切模量是其深度的某一幂函数的成层非均质土层,建立了求解土体地震反应的非线性分析技术。针对文献[2]中的土层剖面,做了计算、分析和讨论。

非均质地基非线性地震反应的半解析算法

运用动态应力应变关系及其推广的Masing加卸载准则,考虑土体在地震等产生的不规则加载条件下的非线性滞回特征,将增量法与相应场地地震线性反应解析相结合,对剪切模量是其深度的某一幂函数的非均质地基,提出了该动力非线性方程的半解析时域算法。算例结果与其相应的线性结果对比,发现最大位移与最大加速度沿深度的变化规律基本相同。

线性剪切模量非均质地基非线性地震反应分析

利用动态应力-应变关系及其推广的Masing加卸载准则,考虑土体在地震等产生的不规则加载条件下的非线性滞回特征,将增量法与相应场地地震线性反应解析解相结合,提出了该动力非线性方程的半解析时域算法,基于改进的一维剪切梁模型,对剪切模量是其深度的线性函数的非均质地基,建立了求解土体地震反应的非线性分析技术.

基于竖向台阵地震记录的非线性场地反应研究

利用日本Ki K-Net台网中TCGH16竖向台阵在2009年1月到2014年6月间收集的1 646组地震记录,提取了原位等效应力-应变关系以及等效剪切模量比-应变曲线,建立了土动力学参数与地震动峰值加速度之间的关系,研究了非线性场地反应的阈值与程度。结果表明:(1) TCGH16台阵所处场地的等效剪切模量比曲线在等效应变超过线性阈值应变(约为2×10-5)时开始缓慢下降,在等效应变超过体积阈值应变(约为1×10-4)时迅速下降。(2)当地震动强度分别为100、200、400和800 cm/s2时,场地的等效剪切模量分别下降了约5%、11%、22%、42%。(3) TCGH16台阵发生场地非线性反应的阈值约为40 cm/s2,证实了非线性场地反应普遍存在于中等强度的地震动中。

一维土层非线性地震反应分析的δ－θ法

本文首先引入一个“二维”时间座标，并通过出因子δ－θ推广的动力显式差分方程，使得在任何情况下上层非线性地震反应均可获得稳定、收敛的计算结果。为了进一步底探讨基底及其界面的扰动影响，文中给出了三种不同的差分格式，结果虽基本一致，但仍以中心差分格式为宜。土的非线性本构关系，在多种可供采用的模型中，本文选取了工程上常用的“双曲骨架”模型，其优点在于：在积分过程中，只需调整两个相关因子，即可同时拟合土层的实测阻尼。最后，本文通过几个典型算例的分析表明，对于土层结构复杂且间有软弱（低速）层时，其地震反应与等效线性方法给出的相应结果相比，具有明显差异。

水平成层均质土地震反应非线性分析的半解析算法

采用动态应力-应变关系及其推广的Masing加卸载准则,考虑土体在地震等不规则加载条件下的非线性滞回特征,将增量法与相应场地地震线性反应解析解相结合,提出了该动力非线性方程的半解析时域算法,以水平成层场地一维剪切梁模型为例,建立了求解土体地震反应的非线性分析技术。针对Seed Idriss给出的砂土平均曲线,分析计算了非均匀层状密砂的线性和非线性地震反应。

指数模量成层土非线性地震反应的半解析算法

运用文献[1]所建议的动态应力应变关系及其推广的Masing加卸载准则,考虑土体在地震等产生的不规则加载条件下的非线性滞回特征,将增量法与相应场地地震线性反应解析解[2]相结合,提出了该动力非线性方程的半解析时域算法,基于改进的一维剪切梁模型,对剪切模量是其深度的某一指数函数的成层非均质土层,建立了求解土体地震反应的非线性分析技术。针对文献[2]中的土层剖面,做了计算、分析和讨论。

指数函数剪切模量地基非线性地震反应分析

根据土体动态应力-应变关系及其推广的Masing加卸载准则,将增量法与场地地震线性反应解析解相结合,对剪切模量是其深度的某一指数函数的非均质地基,提出了地基非线性地震反应的半解析时域算法。算例结果表明,该算法是合理可行的。

均质场地非线性地震反应的半解析算法

运用动态应力_应变关系及其推广的Masing加卸载准则,考虑土体在地震等产生的不规则加载条件下的非线性滞回特征,将增量法与相应场地地震线性反应解析解相结合,提出了该问题的非线性地震反应的半解析时域算法.针对Seed_Idriss给出的砂土平均曲线,计算了均匀密砂的非线性地震反应.算例结果表明,该算法是合理可行的.

场地地震反应非线性分析的有效时域算法

运用笔者所建议的动态应力－应变关系及推广的加卸载准则考虑土料在循环或瞬时加载下的非线性滞回特性，将时域逐渐积分格式与不平衡荷载转移法相结合提出了动力非线性方程的增量－常刚度迭代算法；以水平成层场地一维剪梁模型为例建立了求解土体地震反应的非线性分析技术。针对某土层剖面，运用这种真非线性算法与以往等价线性化法进行了对比计算，讨论了两者之差别。

底商多层砌体结构弹塑性地震反应计算方法

对比分析了国内外6种无筋砌体结构材料的本构关系模型,指出了各个模型的优缺点。推荐了力学特性合理、工程应用性强的无筋砌体材料本构关系模型,并采用该本构关系模型进行了一个典型底商多层砌体结构弹塑性地震反应的计算分析。通过脉动测试,获得了底商砌体结构(震后)纵横向一阶固有频率和扭转频率,可作为有限元模型合理性判定的依据;弹塑性地震反应计算结果表明,该结构的纵向为薄弱方向,在9度大震的卧龙波作用下结构严重破坏。