地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

考虑多维地震动及重力作用的土层场地地震反应分析模型

合理有效的工程场地自由场分析是开展地下结构地震反应计算、发展地下结构实用抗震分析方法的前提。目前常用的自由场分析方法多局限于单向地震动输入,难以考虑多向地震动共同作用时的非线性耦合效应。鉴于此,提出一种考虑水平和竖向地震动及重力荷载共同作用的土层地震反应分析力学模型,该模型采用捆绑约束条件作为侧面边界条件,采用基于黏性边界的地震动输入方法将输入地震动转化为等效地震荷载,可实现自由场计算中水平和竖向地震动以及重力荷载的同时施加,简化了计算步骤,减少了计算成本。此外,该方法考虑了水平和竖向地震荷载的叠加效应,对于考虑材料非线性及大变形影响的土层场地地震反应分析具有更为良好的计算精度与适用性。

地震荷载下单桩的响应及桩-土间隙数值分析

在地震荷载作用下,为了研究桩身和自由场土体的响应情况,以及桩-土间间隙发展,借助OpenSees计算平台建立了桩-土间非线性和桩-土间固结两种模型。分别将加速度峰值为0.2g和0.4g的Elcentro和Kobe波输入两个模型中,结果表明:桩身的加速度峰值和自由场土体地表处的加速度峰值均是输入到模型中的加速度峰值的1.6倍以上,自由场土体对加速度有放大效应;桩-土固结模型中因土体塑性变形而产生的残余位移比桩-土非线性模型中的大,其模型中的桩-土间隙比非线性模型中的大。

基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法

城市建筑物密集区深基坑开挖必然引起周围土体侧向移动,使邻近桩基产生水平变形和附加应力及弯矩,最终可能使上部建筑物功能失效。针对该领域目前存在的三维数值法建模复杂及计算耗时的缺点,提出两阶段分析法,该方法首先根据影像源法计算由于基坑开挖地层损失引起的坑外土体位移场,然后基于Winkler地基模型建立基坑开挖与邻近桩基相互作用的弹性地基梁微分方程组,并推导基坑开挖对临近桩基侧向响应影响的数学解析解矩阵表达式。最后结合实例分析表明,该方法计算结果合理可行,能够有效地分析基坑开挖对邻近桩基的影响。

自由场地土体非线性地震响应研究

为了开展地下结构地震时安全性评估,有必要准确了解场地土体的非线性地震响应特点和规律。基于经典的SHAKE程序,建立4种地基土体的计算模型,探讨实际分层土体、等效匀质单层土体、线性与非线性地震响应以及不同地震荷载等因素对自由场地土体地震响应的影响。分析表明:土体的线性和非线性地震响应的差别显著,而且分层土与等效匀质单层土的动力特性有较大差别,实际计算分析时不可简单地将实际分层土体简化为等效匀质单层土体。

土中装药不同埋深爆炸试验研究

利用自由场试验研究了土中装药不同埋设深度爆炸问题,给出了相应的爆炸宏观特征,得到了耦合系数试验数据,得到的结论是:当土中装药比例爆炸埋深超过2.0m/kg1/3后,爆炸达到完全封闭。并指出该数据与美军设计规范TM5-855-1中的耦合系数数据0.56m/kg1/3相差较大,分析了产生差异的可能原因。

类矩形软土隧道开挖引起地层沉降物理模型试验研究

目前针对类矩形等异形截面隧道施工效应的室内模型试验研究还非常少见。文章基于类矩形截面隧道开挖收敛位移模式,建立类矩形隧道开挖引起土体自由场位移的模型试验系统,包括类矩形隧道开挖模拟装置、自由场位移测量体系以及模型试验数据采集体系等。首先,通过4个液囊排水模拟类矩形隧道开挖掘进过程,实时记录地表和地层内部的沉降变形,分析了类矩形隧道开挖引起土体自由场位移分布与发展规律,并将沉降模型试验值与理论计算值进行对比。试验发现,土体沉降值随着隧道液囊的排水缓慢增加。此外,在隧道截面面积、隧道埋深、地层损失率均相同工况下进行类矩形与圆形隧道模型对比试验,结果表明,类矩形隧道开挖引起土体自由场沉降槽宽度明显大于同工况下圆形隧道的试验结果;在隧道正中心位置处,圆形隧道开挖引起地表沉降试验结果明显大于类矩形隧道开挖引起地表沉降试验结果。

开放式空气CO_2浓度增高(FACE)对稻田土壤微生物的影响

1 引言公元1750年前,大气CO@浓度基钱保持280μmol·mol-1左右.

拱坝河谷自由场反应

采用一种简单的模型计算拱坝河谷平面内反应， 使地基的动力刚度不但容易确定， 而且自由场输入也很简单． 对 Ｐ 和 Ｓ Ｖ 波在不同入射情况的河谷反应进行了频域求解． 结果表明： 这种计算模型能有效地反应河谷两岸山体的放大效应、幅差和相差． 程序的计算过程简单， 便于工程应用．

关于传递矩阵法分析饱和成层介质响应问题的讨论

水平成层土体的地震响应分析(自由场分析)是地震工程领域地震波散射问题的前提基础,由于饱和多孔方程的复杂性,以往的研究大多集中于干土情形,对于饱和土情形的研究相对较少.而实际工程中,地下水位以下,土体孔隙中充满流体,应考虑饱和多孔介质模型.基于Biot多孔介质模型,考虑饱和土中固液相对运动引起的衰减,采用Thomson--Haskell传递矩阵方法得到了饱和成层土体在地震波入射情形时的稳态反应,经傅里叶反变换,可得到时域暂态反应.通过SV波从基岩入射至上覆饱和土层的数值算例,验证了该方法的有效性.发现和初步阐明了计算中出现的两类违背因果律(即响应先于输入)的现象:(1)当SV波入射角度大于导致基岩中反射P波为非均匀波的临界角时,会使得计算结果违背因果律.因此,当入射角超过临界角时,非均匀波的表示尚需进一步完善;(2)由于P2波的衰减,当与稳态波衰减有关的渗透率、土层厚度、入射波频率等参数导致衰减系数超过计算机表示精度时,会出现结果违背因果律现象,并据此得到了满足因果律的参数范围,该范围可作为实际计算时的一个上界.该工作为采用传递矩阵法分析水平饱和土层自由场响应提供了指导依据,且地下水位以上可采用干土模型,水位以下采用饱和土模型,更符合实际情形.

高饱和度饱和土中爆炸波的传播特性

利用φ2.5×5 m爆炸模拟装置进行饱和土接触爆炸模拟试验,在获得爆炸波在饱和土自由场中传播的试验数据的基础上,拟合出压力、动量、上升时间随比例距离变化的公式,通过综合分析给出了饱和土中波传播的规律。理论分析揭示了饱和土中应力波传播时出现流体动力区和冲击波形成等性质,建立了饱和土双线性递增硬化本构关系;在饱和土试验中,存在由冲击波向弹性波转化的分界压力,这个分界压力是与介质性质有关的参数,在不同的土中产生冲击波的条件不相同。高饱和度的饱和土中应力波在点爆炸条件下的三维弥散空间中也较容易产生冲击波,因此,在同样的爆炸条件下,饱和土中结构具有更大的破坏可能性。

变埋深条件下土中爆炸成坑效应

为了研究在变埋深情况下,炸药在土中爆炸成坑和伴随的应力波传播规律,利用自由场化爆试验和数值模拟相结合的方法,研究了土中装药不同埋设深度爆炸效应问题,描述了爆炸成坑宏观破坏现象,给出了土中压力和实测波形,并对测试结果进行了分析,得到了土中爆炸成坑的经验公式和压力传播规律。在自由场实验和数值模拟的基础上,得到了变埋深条件下应力波在土中传播规律、爆炸成坑半经验公式、半封闭爆炸阶段弹坑半径预估公式。

考虑桩-土动力相互作用的渡槽结构水平地震响应分析

以Housner流-固耦合模型和Penzien桩-土相互作用模型为基础,建立一种同时考虑流-固耦合与桩-土相互作用的渡槽结构简化计算模型,并给出其计算参数。该计算模型分为等价体系和自由场体系,并采用自由场输入。推导同时考虑弯曲变形和剪切变形时的群桩刚度矩阵,采用分别计算各子结构阻尼的方式来考虑整个结构的阻尼,并采用等效线性化原理来考虑土体的非线性。以某渡槽为例,采用该模型对其进行分析,并与刚性基础模型对比。计算结果表明,两种情况下的自振特性和水平地震响应均有较大差别,在渡槽抗震研究与设计中不能忽略桩-土相互作用。同时采用该计算模型对拟动力试验模型进行分析,并与试验结果比较,二者基本一致,说明计算模型的有效性。

平面波输入下海水-海床-结构动力相互作用分析

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境,该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下,进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析.首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型.然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征.与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制:一方面,非线性导致饱和海床模量减小,饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加,导致反应增大;另一方面,非线性导致阻尼加大,使海床反应减小.对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.

大气CO_2浓度增高对麦田土壤硝化和反硝化细菌的影响

硝化和反硝化细菌是土壤中与氮转化有关的微生物菌群 ,大气CO2 浓度升高可能对它们的数量产生影响。位于中国无锡的稻 麦轮作农田生态系统FACE平台 2 0 0 1年 6月开始运行。本试验在 2 0 0 3年小麦生长季研究了土壤 (0～ 5cm和 5～ 10cm土层 )中硝化和反硝化细菌在大气CO2 浓度升高条件下的变化。试验采用最大可能法 (MPN)计这两种微生物菌群的数量。结果表明 ,0～ 5cm土层硝化菌数拔节期和成熟期FACE低于对照 ,而孕穗期FACE高于对照 ,5～ 10cm土层硝化菌数越冬期与成熟期FACE低于对照 ,大气CO2 浓度升高使得麦田土壤硝化细菌数目减少。 0～ 5cm土层各个生长期反硝化菌数FACE与对照均没有明显差异 ,5～ 10cm土层反硝化菌数拔节期FACE低于对照 ,大气CO2 浓度升高对麦田土壤反硝化菌的影响不大。

上海软土自由场地的三维地震响应分析

建立了上海软土的三维动力分析模型,其中基于上海典型软土土层动力试验数据,建议采用Davidenkov模型描述上海软土的非线性动力特性,研究了上海软土的地震响应规律。计算表明:(1)从土体底部到表面,地震波的高频成分减少,低频成分增加;(2)软土并非总是放大地震响应,而取决于软土与地震波的特性;(3)在进行自由场地震分析时,将其简化为平面应变问题考虑是可行的;(4)软土动剪切模量与动剪应变关系的计算曲线与试验曲线吻合较好,表明采用本文推荐的模型考虑软土的非线性特性是合理的。本文的研究成果可为软土地区工程的抗震设计提供参考。

自由场与土-地下结构场动力特征对比分析

通过数值模拟的手段,比较分析了自由场与土-地下结构相互作用场的动力特性,重点研究了土体及结构在相对位移最大时刻的动力反应与其最大动力反应之间的联系。结果表明:(1)自由场中土体的内力状态由相对位移或应变控制,且是一种局部现象;(2)土-地下结构相互作用场中,在结构相对位移达到最大时刻,结构及结构附近的土体的内力也达到最大值;(3)采用自由场的剪应力,然后再通过改变剪应力的分布形式,可以很好的模拟出土-地下结构相互作用场的内力状况。

P-SV波斜入射时有阻尼成层介质自由波场的一维化时域算法

为了研究土层介质阻尼对自由波场计算的影响,在一维化时域算法基础上,采用有限差分方法,推导建立了考虑阻尼影响的水平成层弹性介质平面内自由波场求解的显式的数值逐步法公式,并采用MATLAB程序语言编制了相应的数值计算程序,进行平面内P-SV波斜入射情形下均匀弹性土层的算例分析。结果表明:阻尼对水平成层弹性介质平面内的自由波场有着重要的影响,与无阻尼均匀土层相比,P波斜入射下有阻尼均匀土层的水平和竖向位移幅值分别可减小53.1%和26.5%,SV波斜入射下水平和竖向位移幅值分别可减小48.2%和31.7%;阻尼使均匀土层自由表面的位移幅值明显减小,而中、下部节点的位移幅值减小相对较小。由此可见,土层介质阻尼对成层半空间平面内自由波场一维化计算的影响不可忽视。

开放式空气CO_2浓度增高对中国稻田生态系统线虫营养类群产生的影响(英)

土壤动物在农田生态系统腐屑食物网中占有重要地位 ,它们参与土壤有机质分解、植物营养矿化及养分循环作用 .国内外许多研究表明 ,土壤动物对全球变化 ,尤其是大气CO2 浓度升高能够产生正向、中性和负向的影响 .土壤线虫是这类土壤动物的典型代表 ,因为它们在大多数土壤中分布是丰富的 ,而且营养类群是多样的 .应用自由空气CO2 浓度增高 (FACE)技术设计 3个处理水稻圈暴露在大气CO2 增高(浓度为 5 70 μmol·mol-1)条件下 ,3个对照水稻圈为环境中的CO2 浓度 (370 μmol·mol-1) .在中国无锡稻田生态系统水稻生长期内 ,本项研究监测了 0～ 5cm和 5～ 10cm土层中线虫营养类群 .研究结果显示 ,线虫总数、食细菌线虫、植物寄生线虫、杂食 捕食类线虫在取样深度和取样日期上存在显著差异 ;在整个取样日期中 ,FACE处理 5～ 10cm深度中线虫总数、食细菌线虫数量比对照中的高 ;在 0～ 5cm深度中 ,FACE处理食细菌线虫数量比对照中的高 ,而杂食 捕食类线虫数量则表现出相反的趋势 .食真菌线虫在FACE处理与对照之间也存在极显著差异 .

双向地震作用下锯末混合土场地动力特性分析

在北京工业大学振动台台阵系统上开展了一系列锯末混合土地基自由场振动台模型试验,试验中模型箱采用装配式连续体刚性模型箱,试验中输入地震动时程采用ElCentro地震动记录、Taft地震动记录和天津地震动记录,地震动输入方向分为水平单向和水平双向。文中,重点考察了双向地震动输入下锯末混合土模型场地的动力特性及其变化规律,主要指标包括模型场地地震动反应的峰值加速度及其动力放大系数、加速度时程及其傅氏谱。试验结果表明:随着输入地震动强度的增大,同一测点反应的峰值加速度总体上在增大,而其加速度动力放大系数总体上呈现减小的趋势,反应的频谱组成从较高频率向较低频率移动;双向地震作用下锯末混合土模型场地的动力变化规律与单向地震作用下较为一致。