基于振动台试验的黄土场地效应研究

地震作用下黄土场地对地震波不同分量的放大效应影响显著。针对黄土高原典型黄土场地在地震作用下的放大效应,设计并完成大型地震模拟振动台试验,通过输入不同强度的地震动荷载,研究黄土场地加速度（PGA）放大系数、傅里叶谱、加速度反应谱、H/V谱比与地震动强度和场地高度的变化规律,揭示地震波不同分量对黄土场地效应的影响。结果显示：黄土场地对地震波的水平分量具有明显的放大效应,对地震波垂直分量的放大效应影响较小;随着高程的增加,地震波水平分量PGA放大系数呈现非线性变化;随着地震动强度和高程的增加水平分量卓越频率的频段和幅值逐渐增加,卓越频率向低频偏移,放大倍数呈现出非线性特性。     

平面P、SV和Rayleigh波入射下沉积河谷地震响应IBEM宽频模拟

沉积河谷对地震波的高频散射规律尚不明确。采用一种高精度间接边界元法(IBEM)用于沉积河谷对平面P、SV和Rayleigh波的二维散射宽频求解分析。数值结果表明:IBEM可高效精确地模拟地震波的宽频散射;中低频段(无量纲频率η5.0),河谷地形对地震波的放大效应显著;高频波段(η10.0),河谷放大效应减弱甚至出现缩幅效应。随河谷深度增加,位移放大频段的带宽逐渐减小,第一峰值频率降低,且在低频段频谱曲线振荡剧烈。阻尼比对沉积河谷地表位移幅值具有显著影响,尤其是在高频段衰减作用明显。实际沉积河谷场地地震反应分析,需充分考虑波型、入射波频率和角度、河谷深宽比等因素,以更科学地进行震害解释和地震安全性评价。     

基于台阵记录的土层山体场地效应分析

选取2008年5月25日至8月7日期间由甘肃省文县上城山地形效应台阵获取的12次汶川地震余震事件(M_S≥4.0),在分析其地震动基本参数的基础上,采用参考场地谱比(RSSR)法和水平-竖向谱比(HVSR)法,研究了不同地震作用下上城山地形台阵的场地效应.分析结果显示:随着高程和覆盖层的增加,记录台站地震动的PGA呈增大趋势,地震频谱形状由宽变窄;上城山台阵记录到的地震波在地形基阶频段(2—4 Hz)和浅部土层频段(7—9 Hz)的幅值明显放大,RSSR曲线显示山顶NS向的土层频段谱比大于山体地形频段谱比;由于土层山体竖向地震动在中高频段放大,使得HVSR方法谱比结果在中高频段较RSSR方法所得结果明显偏低,而在山体基阶频段附近两种方法的谱比值接近.松散土层山体的台阵记录特征体现了地形和土层对地震动的联合作用,揭示了强震区起伏地形场地震害加重及地震滑坡集中发生的原因所在.      

汶川地震远震区黄土场地地震反应特征分析

在实际场地钻孔资料的基础上,选取和构造45个有代表性的典型场地剖面,利用一维等效线性化波动方法,计算各个场地在三种不同强度地震动输入下的地表加速度反应。结果表明:(1)在远场地震动作用下,黄土场地PGA较大,反应谱平台范围较宽,集中在0.2~0.6s;(2)随着黄土覆盖厚度的增加,PGA减小,但对于自振周期大于一定范围的结构物震害加重;(3)对于无地形影响的厚层黄土地区,当黄土厚度在20~100 m时,随厚度的增加,反应谱下降段谱值增大1.1~1.4倍,特征周期放大1.1~1.25倍。     

汶川8.0级地震陕西省数字强震动记录分析

本文对2008年5月12日四川汶川8.0级地震陕西数字强震动台网27个台的地震加速度记录进行了处理和分析,包括对加速度波形数据的基线调整、滤波、加速度反应谱计算,以及速度和位移计算。结果表明：除局部场地条件的影响外,大地震的能量辐射方向和传播路径中介质的横向不均匀对PGAH衰减的离散性可能有一些影响; 对于同一烈度值,PGA/PGV较小,PGA在数值上平均只有PGV的5倍左右,反映了地震动的低频成分比较丰富; 绝大部分强震台所处地区的烈度为Ⅴ—Ⅶ度; PGAH与水平单分向加速度峰值PGA（E-W）和PGA（N-S）中较大值之间的相对偏差绝大部分小于10%; 波形的性质为面波,盆地中覆盖土层较厚的场地长周期的面波更为发育,波列持续时间较长; 局部场地的介质特性对地震动特征有相当大的影响,盆地中较厚的覆盖土层对较长周期的地震波有明显的放大作用。     

黄土斜坡动力响应特征分析

斜坡动力响应特征与斜坡形态密切相关,若入射地震波主频接近斜坡卓越频率就会放大斜坡动力响应,甚至造成斜坡失稳。汶川地震对远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏,局部场地震害和地震动放大效应显著。选取汶川地震典型黄土斜坡场地,利用地形台阵流动观测和数值模拟计算相结合的方法,系统开展强震动作用下黄土斜坡场地动力响应特征研究。结果表明:坡顶卓越频率最小,其PGA放大系数甚至达到坡底的1.98,这种现象可能与斜坡高差和入射波波长之比密切相关,比值0.2时坡顶放大效应达到最大。随斜坡坡度增加,放大效应增强,坡顶反应谱卓越周期放大系数可达5,说明斜坡地形对强震地面运动有显著影响。数值计算结果与实际强震观测基本吻合,其结果对黄土地区建设工程抗震设防具有重要的科学与实际意义。     

梯形山体地形效应及对周围场地地震反应的影响

利用数值方法对地震动的局部地形效应进行研究,主要以梯形山体为研究对象,重点考察了山体的存在对其周围场地的地震动产生的放大或衰减效果。对不同高宽比的山体输入不同频率的Gabor小波,研究输入波的频率和山体高宽比对山体顶点、山体脚点和周围场地动力反应的影响。输入波形简单的Ricker小波,通过散射波的走时分析并结合单频波的计算结果研究山体对周围场地地震反应的影响机制。实际地震波作用时的计算结果和单频波的结果都表明周围场地受山体影响会对地震动特定频率谱值产生明显的放大。突出地形的存在使周围场地的地震反应发生显著变化,具体表现为:(1)在单一频率的输入波作用下,虽然远距离场地的动力反应接近自由场,但高频波会引起距离山体较近的场地强烈的动力反应改变。低频波则不会造成周围场地动力反应的明显变化。(2)山体高宽比对地形效应有显著影响,更大高宽比的山体会造成更强烈的地震动地形效应。(3)周围场地不同位置因山体影响对地震动的不同频率的谱值放大可以达到1.5倍左右。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

黄土隧道边仰坡动力响应的大型振动台模型试验研究

设计并完成了1∶80比例尺的高陡黄土边坡大型振动台模型试验。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波,探讨地震作用下模型洞口仰坡动力响应规律,以及地震动参数对动力响应的影响。试验结果表明,不同地震波加载的过程中,坡面的PGA随着测点高程的增大而增大,在隧道仰拱和拱顶所处的位置,PGA有突然减小的过程。其中仰拱周围边坡坡面的PGA减小更大,说明隧道的存在对坡面加速度的放大作用具有一定的抑制作用,其中仰拱位置比拱顶位置抑制作用更强。台面峰值加速度越大,仰拱对加速度的抑制作用更加明显,坡顶面的PGA最大,因此坡面越高,加速度的放大效应越明显,并没有出现加速度放大系数饱和的这种状态。试验结果有助于揭示黄土隧道仰坡在地震作用下的失稳机制,为工程的抗震设计提供有益的参考。     

汶川地震黄土地区地震动特征分析

汶川地震黄土地区强地震动加速度峰值（PGA）较小,然而震害却较为严重,局部场地震害和地震动放大效应显著。选取四川、甘肃及宁夏境内的部分强震动记录,探讨传播距离和场地条件对地震动的影响规律,重点研究黄土地区地震动幅值、频谱、持时特征以及对建筑结构的潜在影响,从地震动特征角度分析该地区震害相对较重的原因。结果表明:汶川地震黄土地区地震动速度峰值较大,地震动中频分量和中长周期成分较为突出;黄土地区自振周期为0.3~1s以及3~4s（尤其是此周期内30~40层）的结构物地震反应将显著放大;设计地震分组为第三组的Ⅲ类黄土场地,加速度反应谱拟合曲线在周期1~3.5s谱值明显高于规范设计谱;黄土场地地表地震动拥有更长持时。     

The response law of far-field seismic ground motion of the Wenchuan earthquake and its damaging mechanism in the Loess Plateau

A series of housing collapses and other serious damage was caused by the 2008 Wenchuan M_S 8.0 earthquake in the seismic intensity Ⅵ areas of the Loess Plateau, which is hundreds of kilometers away from the epicenter, and which showed a remarkable seismic intensity anomaly. The seismic disasters are closely related to the seismic response characteristics of the site, therefore, the systematic study of the far-field seismic response law of the Wenchuan earthquake in the Loess Plateau is of great significance to prevent the far-field disaster of great earthquake. In this paper, the seismic acceleration records of several bedrock stations and loess stations from the seismogenic fault of the Wenchuan earthquake to the Loess Plateau were collected, and the attenuation law of ground motion along the propagation path and the characteristics of seismic response on the loess site are studied, and the mechanism of amplification effect of ground motion is analyzed based on the dynamic feature parameters of the loess site obtained through the HVSR method. Taking a typical loess site of thick deposit as the prototype, a series of shaking table tests of dynamic response of loess site models with different thicknesses were carried out. Amplification effect, spectral characteristics of acceleration in model sites were analyzed under the action of a far-field seismic wave of the Wenchuan earthquake. The results show that seismic attenuation on the propagation path along the NE strike of the seismogenic fault to the Loess Plateau is slower than that in other directions, and the predominant period range of ground motion on bedrock site of the Loess Plateau presents broadband characteristics. Because the natural periods of loess sites with thick deposits are within the predominant period range of bedrock input wave, loess sites appear significant amplification effect of ground motion, the horizontal acceleration of ground motion exceeds 0.1 ?g, the seismic intensity reaches 7°. The thicker the loess deposit is, the more significant the change of spectral characteristics of ground motion on loess sites, and the narrower the predominant period range of ground motion becomes, and the closer it is to the natural period of loess sites. Therefore, for some old houses on thick loess sites, the poor seismic performance and strong seismic response eventually led to their collapses and damages because their natural periods are very close to the predominant period of ground motion of the Wenchuan earthquake on thick loess sites; For these damaged high-rise buildings, the resonance effect might be the main reason for their damages because their natural periods are included in the predominant period range of ground motion of the Wenchuan earthquake on thick loess sites.These research results would provide a basis for seismic disasters prediction and evaluation and seismic design of construction engineering in the Loess Plateau.     

地震作用下黄土边坡动力响应的时频特征分析

地震作用下黄土边坡的动力响应特征与变形失稳机制是具有重要理论与实践意义的课题,但从动力响应频谱特性方面开展的研究还相对较少.以大型振动台模型试验获得的黄土边坡地震动峰值加速度数据为基础,通过分析其变化规律,着重从频谱特性的角度分析,讨论黄土边坡的动力失稳机制.进一步通过对坡面不同高程测点、边坡内部垂直方向以及水平方向上测点的加速度时程进行绝对加速度反应谱分析,从频谱变化角度提出黄土边坡的动力失稳机制.研究表明,黄土边坡在地震动作用下的响应过程可以分为三个阶段:弹性阶段、塑性阶段与破坏阶段;黄土边坡进入破坏阶段时均会伴随反应谱峰值的增幅或者主周期的变化,在弹性阶段反应谱加速度峰值增幅与输入地震动幅值增幅一致,进入塑性阶段后反应谱峰值增幅比输入地震动幅值增幅小;研究提出将反应谱首峰的凸显情况作为坡体破坏程度的判断依据之一.     

含流体层的河谷场地对地震波散射的间接边界元法模拟

结合单相介质动力格林函数和流体域格林函数,将间接边界元方法拓展到含流体层河谷对地震波散射的求解,并结合具体算例进行大量参数分析。研究结果表明,含流体层河谷地形对平面P波、SV波入射时的地震响应受控于入射波频率、入射波角度及流体深度等多种因素。总体来看:① 在低频域内,含流体河谷底部及附近地表的频谱特性与不含流体的河谷反应基本一致;② P波入射时在水层体系共振频率处,河谷底部位移缩小效应显著,而此频率处流体表面位移达到最大;③ 流体层具有吸收地震波能量的作用,流体深度越大,河谷表面及附近地表的地震动位移越小。研究成果可在一定程度上为河谷地形附近地震动效应的评估及防震减灾工作提供理论依据。      

基于OpenSees的地震动对软土震陷影响研究

软土具有高灵敏度、低强度等特性,在地震过程中极易产生震陷。基于OpenSees数值模拟方法对软土场地的震陷反应进行非线性动力有限元分析,通过改变地震动峰值加速度、频谱特性、输入方式来研究其对软土震陷的影响。结果表明,地震动峰值加速度对地基土的不均匀震陷有显著影响,地震动峰值加速度越大,震陷量显著增大,震陷影响深度更大,对水平地表造成的破坏范围也更大;地震动频谱特性对软土震陷有重要影响,当地震动卓越频率与场地自振频率相近时,其幅值越大,产生的震陷越严重;水平、竖向同时输入地震动的方式能更好地反映土体的振动及震陷响应。该研究成果对探索软土震陷的机理有一定的指导意义。     

回填土不确定性对场地地震反应的影响

选取某核电场地控制性钻孔的厚度、剪切波速、密度等实际勘探数据,通过改变回填土剪切波速,分析了回填土不确定性对场地地震动参数的影响。研究结果表明:在回填土层厚度不变和模型总厚度不变的情况下,地表的水平向峰值加速度随着回填土剪切波速的增大而减小,但水平向峰值加速度增幅逐渐减小;回填土剪切波速到达一定的波速就不再影响地表水平峰值加速度;随着回填土剪切波速的增加,整个反应谱的谱值都普遍减小。     

浅硬场地剪切波速测试标准差对地震动影响初探

采用Shake 2000程序,以Turkey Flat试验场地为模型,通过输入不同类型下多种强度的地震波,计算研究多工况下剪切波速测试标准差对地表加速度反应谱和峰值加速度的影响。结论为:(1)浅硬场地上剪切波速测试标准差对地震动的影响很大,影响程度与输入地震波的强度和频率以及场地剪切波速计算值有关;(2)如果将反应谱残差大于20%或加速度峰值差别大于20%定义为统计意义上的不可忽略,那么剪切波速测试标准差对计算结果的影响在大多数情况下均不可忽略;(3)当输入波的卓越周期与场地特征周期接近时,浅硬场地上剪切波速测试标准差引起的反应谱变化非常显著;(4)只有当输入波的卓越周期与场地特征周期相差较大且输入波强度偏小时,剪切波速测试标准差引起的反应谱变化才可略去;(5)当浅硬场地上剪切波速实测结果低于统计均值时,地震动计算结果的偏差一般明显大于剪切波速实测结果,高于统计均值时引起的偏差,且地震输入越强表现越明显。