土层随机地震反应分析中侧向边界的影响分析

研究了随机地震激励下土层地震反应及土-结构相互作用分析中有限土域的取值范围对计算精度的影响。分别以基岩白噪声谱和杜修力修正基岩谱作为输入,进行了土层随机地震反应分析,探讨了自由边界、固定边界和黏弹性边界3种人工边界条件下土域的取值范围、土介质阻尼和土体长深比（L/H）对土层随机地震反应的影响,给出了侧向人工边界合理位置的具体建议。在此基础上,选取土体的合理边界范围,建立土-结构相互作用分析模型,分别以基岩白噪声谱、杜修力修正基岩谱以及实测地震波功率谱作为输入,进行了土-结构相互作用体系随机地震反应分析,计算结果验证了侧向人工边界取值在土-结构相互作用体系随机地震反应分析中的有效性。     

指数函数剪切模量土层的地震随机反应

基于改进的一维剪切梁模型[1],对剪切模量为其深度的某一指数函数的成层非均质土层,推导了确定自振频率、振型函数、参与系数及稳态动力响应的封闭型解析表达式。首次证明了这种土层振型函数的正交性,利用随机振动理论,并基于基岩输入地震加速度的功率谱密度函数：白噪声谱和过滤白噪声谱,研究了该土层对地震的随机动力响应问题。计算表明：(1)在基岩输入地震加速度的功率谱为白噪声谱的情况下,土层的最大期望反应,均有别于过滤白噪声谱时的相应值。(2)平稳输入与输出过高地估计了土层的随机响应。     

典型场地在不同地震动输入水平下的反应

强震动作用下场地土的非线性对地震动反应特征影响明显。场地土的非线性效应首先是由岩土工程学家在室内试验中发现的,继而地震学家在强震动记录分析中亦发现了场地土的非线性效应。一般来讲,随着地震动输入强度增加,场地土非线性效应越明显。但对于不同场地类型,相同地震动水平作用下,场地土非线性效应是不同的。针对这一问题,选择了几个典型场地,采用等效线性化方法分析了不同地震动强度作用下各类场地土的非线性效应,并提出了一种以场地等效剪切波速随地震动输入水平变化为依据的场地土非线性效应确定方法,且定义当等效剪切波速变化率不足20%时,场地地震反应分析可不计入场地土的非线性效应。     

表层土剪切波速的不确定性对地表设计谱平台值的影响

土层剪切波速对地表反应谱有重要的影响。选取构建了不同场地类别的235个场地地震反应模型,人工合成了12条强弱及频谱特性不同的加速度时程,运用一维土层地震反应的等效线性化波动方法,研究了不同地震动输入下表层土剪切波速的不确定性对设计谱平台值的影响,统计给出了表层土剪切波速的变异率与地表设计反应谱平台值间的经验公式。结果表明:地表设计反应谱平台值与表层土剪切波速的变异率呈负相关关系,即随表层土剪切波速变异率的增大而减小;不同地震波输入条件下各类场地类别地表设计谱平台高度与表层土剪切波速变异率的数学模型为一阶指数函数。     

核岛结构设计地基场地及计算基底效应研究

针对新型核电工程结构AP1000核岛结构设计地基中的5类非坚硬岩场地,即硬岩场地、软岩场地、上限软-中等土场地、软-中等土场地和软土场地,采用一维土层场地模型开展场地土和计算基底条件对设计地震动影响计算分析。分析中,场地模型的计算基底剪切波速分别取为700、1 100、2 438 m/s,计算基底输入地震动分别选择基于核电建设相关技术文件和规范规定的反应谱RG1.60谱、AP1000谱和HAD101/01谱（5个阻尼比）合成的人工地震动时程。计算分析表明：非坚硬岩场地会导致场地地震动峰值加速度及频谱特性显著变化,场地越软影响程度越显著;除软土场地外,场地对地震动峰值加速度和反应谱的影响均为放大作用,软土场地对地震动较低频段反应谱有放大作用,但对峰值加速度和较高频段反应谱具有强烈的减小作用;对于各类场地,计算基底及其剪切波速的变化均会导致地表地震动峰值及频谱特性明显甚至显著变化,其影响程度与计算基底剪切波速成正比;随着场地由硬变软,计算基底剪切波速的变化对场地地震动的影响程度大为减小,至软土场地几乎不产生影响。考虑到场地类型及计算基底选取对场地地震动的显著影响,我国核电厂建设引用AP1000标准设计时应合理分析场地的适宜性。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

互层土的动参数试验研究及其地震反应分析

通过对两个工程场地的淤泥质粉质粘土、粉土、粘土、粉细砂及粉土与（粉质）粘土、粘土与粉砂互层土的自振柱试验结果进行分析,给出了部分土的 - 和 - 曲线,与Seed和Idriss建议的砂土和粘性土的 - 和 - 曲线变化范围进行了对比;同时分析了这两个场地的地震反应,结果表明：在强震时互层土对地震波有很强的滤波作用,且互层土的最大剪应变远大于一般土,在水平地震作用下很容易接近或达到破坏状态。初步分析结果表明：互层土具有软土的动力特性,这主要是由互层土的特殊物理构造造成的,即在互层土中存在很密的水平薄弱面。     

考虑土体动力特征参数相关性的工程场地随机地震反应分析

研究等效线性化方法中土体动力参数不确定性对场地地震反应的影响,提出了可考虑土体动力特征参数间相关性的土体动剪切模量和动阻尼曲线随机样本生成方法,基于Matlab开发一维等效线性化场地地震反应分析计算程序,用于开展场地地震反应随机动力分析。以Ⅱ类成层场地为例建立一维自由场分析模型,采用不同地震设防水准下露头基岩场地加速度反应谱为目标反应谱,合成人工地震记录折半后作为场地下卧基岩处的输入。计算结果表明,考虑土体动力特征参数不确定性对场地地震反应具有较大的影响,且影响程度与地震动强度、频谱成分及场地基本周期均密切相关;场地最大峰值加速度和地表加速度反应谱的波动范围随地震动强度等级的增加而变大,且最大峰值应变和最大峰值加速度的波动范围可达10%和14%;目标反应谱平台段及场地基本周期处对应的场地地表加速度反应谱的波动范围超过20%。     

深软场地大地震远场地震动反应特性分析

采用等效线性方法考虑土的动力非线性特性,利用一维波动模型分析了深软场地的地震反应特性,结果表明,与输入苏州人工地震波时的计算结果相比,大地震远场地震动作用时,深软场地的地表水平向峰值加速度明显增大,规准反应谱的特征周期值显著增大,地表设计地震动的水平地震影响系数值明显增大,且两者的差异随输入地震动峰值加速度的增大而增大;当土层剪切波速的变异性由+10%变化到-10%时,地表水平地震影响系数曲线平台值有降低的趋势,规准反应谱的特征周期略有增大,且-10%的变异性对水平地震影响系数的影响要比+10%的变异性的影响显著;土体动剪切模量比和阻尼比均有变异时对地表设计地震动参数的影响较大,且土的阻尼比由-2δ到+2δ变异时,地表水平向峰值加速度和地震影响系数平台值有减小趋势。     

上海软土动力参数变异性对土层地震反应的影响

应用模态摄动法求解水平分层均匀土层的地震反应，通过大量的数值计算，讨论上海软土土性变化对土层基本周期和表面地震加速度反应的影响。数值结果表明：准确获取土层的动力参数对土层地震反应计算有重要影响，在现场实测获得较为翔实的土样动力特性参数的基础上，土层土性动力参数变异性所产生的计算误差是有限的。     

基于第二代Curvelet变换的地震资料随机噪声衰减

噪声衰减是地震资料处理中的关键问题之一。根据Curvelet变换对含有光滑边界的二维二阶连续可微函数所具有的稀疏表示性能,给出了Curvelet变换域地震资料随机噪声衰减的阈值方法;并给出了基于地震资料中随机噪声是独立同分布的高斯白噪假设条件下的阈值估计方法。通过合成数据和叠后实际数据算例,对该方法的有效性进行验证。结果表明,Curvelet变换不仅可以很好地衰减随机噪声,并且能较好地保持有效信号。      

A study of the seismic response of the city of Benevento (Southern Italy) through a combined analysis of seismological and geological data

A previous analysis [Improta, L., G. Di Giulio, and A. Rovelli (2005). Variations of local seismic response in Benevento (Southern Italy) using earthquakes and ambient noise recordings, J. Seism. 9, 191–210.] of small magnitude earthquakes recorded at 12 sites within the city of Benevento has stressed the significant role played by near-surface geology in causing variability of the ground motion. In this paper, we extend the study of the seismic response from 12 sites to the entire urban area. Based on inferences from the comparison at the 12 sites between earthquake and ambient vibration results, we have collected ambient noise at about 100 sites within the city, intensifying measurements across the main shallow geological variations. We use borehole data to interpret ambient noise H/V spectral ratios in terms of near-surface geology comparing H/V curves to theoretical transfer functions of 1D models along five well-constrained profiles.

On the basis of geological, geotechnical, and seismic data, we identify three main typologies of seismic response in the city. Each type of response is associated to zones sharing common soil conditions and similar soil classes according to building codes for seismic design. Moreover, we find that the spatial variation of the seismic response in the ancient town area is consistent with the damage pattern produced by a very destructive, well-documented historical earthquake that struck the city in 1688, causing MCS intensity of IX–X in Benevento.

Finally, we use ground motions recorded during the experiment by Improta et al. [Improta, L., G. Di Giulio, and A. Rovelli (2005). Variations of local seismic response in Benevento (Southern Italy) using earthquakes and ambient noise recordings, J. Seism. 9, 191–210.] to generate synthetic seismograms of moderate to strong (Mw 5.7, Molise 2002 and Ms 6.9, 1980 Irpinia) earthquakes. We calibrate the random summation technique by Ordaz et al. [Ordaz, M., J. Arboleda, and S.K. Singh (1995). A scheme of random summation of an Empirical Green's Function to estimate ground motions for future large earthquakes, Bull. Seism. Soc. Am. 85, 1635–1647.] using recordings of these earthquakes available in Benevento. After a satisfactory fit between observed and synthetic seismograms, we compute response spectra at different sites and speculate on effects of the geology class at large level of shaking, including soil nonlinearity. We find that large discrepancies from design spectra prescribed by seismic codes can occur for a wide sector of Benevento, especially for periods < 0.5 s.     

土层非线性地震反应一维时域分析

等效线性化方法在工程中经常被用于土层非线性地震反应一维数值分析,但考虑大震作用将较大峰值加速度时程作为输入时,该方法会引起过大的“共振”效应,造成对地表地震反应的误估。为了更合理的估计非线性地震反应,提出了一种考虑拟合阻尼比、刚度比试验曲线的时域分析方法,并用于响嘡台阵场地土层地震一维非线性反应分析,通过数值模拟结果与实际记录的比较,验证了该方法的可行性。最后,通过数值模拟证明该方法对大震情况下对地表地震反应的估计比等效线性化方法更为合理。     

软弱饱和土夹层对地铁车站地震响应的影响分析

震害调查表明,当地下结构处于非均匀场地、软土层或在结构侧边存在软土夹层等复杂地质环境条件时,地下结构更易遭到损坏。因此,将对含有软弱饱和土夹层场地中地铁车站的地震响应进行分析。结合已有的单相介质和流体饱和多孔介质动力分析的显式有限元方法,考虑了土层中存在软弱夹层的情况,把软弱夹层模拟为流体饱和多孔介质,建立了适用于含软弱饱和土夹层场地中地铁车站结构地震响应分析的有限元方法;进行建模数值计算,分别给出了3条具有不同频谱特性的实际地震记录以P波形式入射下地铁车站结构关键位置的地震动响应,并分析了软弱夹层的位置、厚度等因素对地铁车站结构地震动响应的影响。分析结果表明,软弱夹层对地铁车站结构地震动响应具有非常不利的放大作用,且当软夹层位于地铁车站中部时,放大作用最不利。     

Nonlinear Site Response and Liquefaction Analysis in the New Madrid Seismic Zone

Many existing highway bridges in the New Madrid Seismic Zone are located in the Mississippi Embayment, consisting of deep soil deposits and liquefaction susceptible near surface soils. It is important to understand the comprehensive impact of deep soil deposits and liquefaction on the response of the bridge foundations under seismic loading. A nonlinear soil model is then presented to study the impacts of the deep soil deposit and liquefaction on response analysis. The soil model has the advantage of using input parameters that can be obtained from conventional field and laboratory testing methods, which makes it attractive to engineering practice. The model calibrations used field recorded motions and laboratory test data, which indicate that the model provides an acceptable outcome based on simple input parameters. The model is implemented into the site response analysis for a typical Missouri highway bridge site in this seismic zone. The effect of the deep soil deposit and liquefaction on the site response analyses is discussed.     

巨厚沉积土夹火山岩场地非线性地震反应特性

地震基岩深度和土体动力本构模型的选取对核岛场地地震效应评价结果的合理性具有重要影响。以拟建某沿海核电厂深度470 m沉积土夹火山岩层场地的3个钻孔剖面为研究对象,采用一维等效线性波传分析（ELA）法、基于Matasovic本构模型和Davidenkov-Chen-Zhao（DCZ）本构模型的一维非线性分析（NLA）法,选取不同剪切波速的5个岩土层作为地震基岩,研究了输入地震动特性、地震基岩深度和土体动力本构模型的选取对巨厚沉积土夹火山岩层场地非线性地震反应特性的影响。结果表明：（1）以浅层硬岩夹层或深部土层作为地震基岩,NLA法计算的5%阻尼比的地表谱加速度SA的短周期部分较之ELA法的计算值大,但两者计算的地表SA谱的长周期部分几乎一致;（2）基于Matasovic模型和DCZ模型的NLA法计算的地表SA谱谱形和峰值加速度随深度的变化趋势基本一致;（3）从NLA法计算的地表峰值加速度和累积绝对速度而言,以剪切波速约2 500 m/s的浅层硬岩夹层作为地震基岩是适宜的。     

Characterizing site response in the Attock Basin,Pakistan, using microtremor measurement analysis

The Attock Basin is situated close to the northwest of Pakistan. Recent seismic event of October 2015 (7.5M_w) near the Pakistan Afghanistan border has proved that the area of interest is seismically active and triggered a series of aftershocks of magnitude even greater than 6.5M_w. This seismic activity has posed danger to the future of the people and infrastructure especially to the northwestern part of the country. Therefore, site response analysis is essential for estimating local site conditions in response to seismic events. Ambient noise recordings were made at 50 sites within urban and semi-urban settlements in the Attock Basin to analyze the site response of the small but densely populated basin. At each of these sites, the fundamental frequency of the soft sediments (f ₀), the amplitude (A ₀) of corresponding H/V spectral ratios, the thickness of soft sediment (H) lying over competent lithology, and the soil vulnerability index (K _g) were studied. Results were correlated with sparsely available borehole data to enhance the credibility of the study conducted for microzonation and predicting the site response to earthquake seismicity in the Attock Basin. The soil vulnerability index was found to range from moderate to high. Results clearly showed that the study area exhibits low to moderate fundamental frequency with greater soft sediment thicknesses distributed throughout the study area. Moreover, higher impedance contrasts were found at most of the sites within the central part of the Attock Basin, thus reflecting a moderate to high susceptibility of damage in those regions in response to seismic events.