深厚粘土场地地震响应与灾变离心物理模拟与数值分析

发布时间：2020-07-04 23:06

【摘要】：地震荷载必然经由场地传递给建筑结构,所以地震导致的结构失效破坏多与岩土工程问题密切相关。考虑到我国软弱土地基上重大工程建设规模居世界之首,因此研究粘土场地地震响应特性并优化上覆结构的抗震性能是防灾减灾的关键工作之一。粘土场地的非线性响应将在改变输入地震动特性方面扮演重要角色,现有的研究揭示了场地加速度小震放大,大震衰减的响应规律。然而,对于场地位移的放大规律(对应地基的变形),在粘土场地的响应研究中却一直少有数据支撑。为此,本文通过离心机振动台试验和数值分析等方法系统性地研究了深厚粘土场地的地震响应特性,并通过参数分析的方法讨论了不同因素对场地放大效应的影响。本文主要的研究工作和结果如下:1、本文围绕弹性波测试技术在离心机中应用的关键问题,在现有研究的基础上,对压电传感器作了进一步的优化设计,满足了离心机试验对传感器微型化和激励能量最大化两方面的要求。通过一系列不同介质的压缩波测试,研究证明新制作压缩元具有较好的测试性能和足够的测试精度:测试初达信号明确易判别,且可以捕捉砂土应力和饱和度状态改变所引起的压缩波速细微变化。基于一组模拟黄土降雨入渗的离心模型试验,我们验证了新研发压缩元在超重力环境中的测试性能,以及在超重力环境下实现多物理量监测联合表征土体状态的可行性。2、本文通过开展一系列离心机振动台试验和数值模拟,对深厚软粘土水平场地在地震荷载下的表现进行分析。离心模型试验模拟了一个轻微固结的软粘土场地,试验涉及多次振动事件,其包括阶跃波,扫频振动,以及“弹性阶段”和“塑性状态”的真实地震。测试结果发现,对于弹性阶段的激励,相比基底输入,粘土场地近地表的峰值加速度将被放大33%左右。然而,对于塑性阶段的地震激励,事件中基底输入峰值加速度为0.46g,而场地近地表的峰值加速度却衰减到了 0.07g。通过试验数据反分析的方法,本文在DEEPSOIL软件中选用合适的土体本构模型和正确的土性参数,正确地模拟了离心模型试验所涉及的振动工况。基于验证过的DEEPSOIL软件,本文模拟了四个软粘土场地(覆盖层厚度自30到120m)的地震响应情况,并通过参数分析,同时在时域和频域中,对不同频率以及幅值振动激励下场地加速度和变形的放大特性进行了研究。数值模拟的结果揭示,由于土体的非线性表现以及可能出现的剪切破坏,大震激励下深厚软粘土场地的加速度将发生显著衰减;不过,不论震级的大小,在低频震动输入下,场地的位移都将表现出显著的放大特性。对于位移敏感的基础与结构,这种低频位移放大特性将在抗震设计中产生重要影响。3、通过对灵敏性软粘土试样开展不排水三轴压缩试验,研究提出了考虑土体扰动的简单本构模型,用以描述灵敏性粘土峰后非线性应变软化表现。基于QUIVER软件,我们在分析无限倾斜场地的一维地震响应时引入该模型,评估了土体扰动对倾斜场地地震场地响应和滑动位移的影响。研究工作主要涉及室内CIU试验开展,粘土软化特性分析,灵敏性粘土本构模型建立以及倾斜场地地震响应模拟。同时,针对影响倾斜场地动力响应的参数,包括地震动输入形式、土体扰动程度、扰动深度以及场地的倾角,本文根据数值结果分别开展了参数分析。预测得到的场地加速度放大系数,最大剪应变和永久位移为研究提供了分析灵敏性粘土倾斜场地抗震性能的机会。基于几条关键的概念,本研究可以提出如下发现:首先,在相同固结应力下,相比受扰动的灵敏性粘土,未受扰动的粘土一般会具有更高的刚度和强度。因此,除非应变软化发生,灵敏性粘土会比对应相同残余强度的非灵敏性粘土表现得更好。第二,浅层土体强度峰后软化会引起较薄的土层范围出现应变局部化,而其正是造成上行地震波特性突变和海床地表较大永久位移的原因。第三,土体扰动的程度和深度会显著影响海底倾斜场地的地震响应及永久位移,并且这种影响会被场地倾角和地震震级进一步加强。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU435
【图文】：

土层,场地,饱和砂土,持续增长

而土体的性质会显著地影响地表地震动的特征。土层在地震波传播过程中所逡逑起的作用更像是一个滤波器，在地震波的传播过程中，会对特定的频率成分进行逡逑放大，而其他频率成分则可能发生衰减，如图１．２所示。自１９０６年的旧金山地逡逑震及１９２３年的关东地震，地震学者就已经意识到，不同场地条件对应的地表地逡逑震动可能表现出完全不同的特性，其引起的结构响应和震害机理也存在显著差异逡逑（周锡元等，１９９０；邋Ｒａｔｈｊｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０００）。逡逑３逡逑

滞回圈,应力应变,土体,骨干曲线

逦绪论逡逑土体滞回圈如图１．３所示）。各滞回圈顶点的轨迹即对应骨干曲线，骨干曲线表逡逑示不同应力循环中峰值应力应变之间的关系，其反映土体的非线性。而滞回圈表逡逑示单个应力循环中应力应变的实时关系，其反映土体的滞后性。不过，较大的剪逡逑应力输入水平可能导致滞回圈出现不闭合的情况，其中心点逐渐向应变增大方向逡逑移动，显示出应变逐渐累积的特性（谢定义，２０１１）。逡逑１．２．２．１邋土体动力参数的物理意义逡逑剪切模量Ｇ代表土体的剪切刚度，其本质是骨干曲线上点与坐标原点连线逡逑的斜率，也可以看作是滞回圈两个顶点连线的斜率。由于土体应力－应变曲线的逡逑非线性本质，土体的剪切模量将随剪应变的幅值发生变化：随着应变水丰的增长，逡逑土体的割线模量将出现衰减。在小应变阶段

【参考文献】