基于场地特征周期的瑞利阻尼确定方法

从地震影响系数曲线的特征周期 出发,提出了分别取 和 作为时域计算瑞利(Rayleigh)阻尼的两个目标频率。通过3种不同厚度的单一土层和1种多层土层模型在3条不同地震动作用下的计算,比较了基于Annie方法和本文方法确定Rayleigh阻尼的时域解,以及基于等效线性化的频域解,结果表明：两种Rayleigh阻尼形式的地表加速度峰值误差都在10%以内,地表加速度反应谱基本一致,但本文方法对土层厚度和输入的地震动不太敏感,即误差随着土层厚度及输入地震动的不同离散性很小,且应用更为简便,无需求土层的自振频率,只需要根据场地类别获得场地特征周期,就可确定Rayleigh阻尼值。     

轴力作用下液化土中端承桩的水平振动特性

将地震液化场地土层分为非液化表层土、中部的液化土层和底部的基层,基于饱和多孔介质理论和Novak薄层法,研究轴向压力作用下液化黏弹性土层中端承桩的水平动力特性。利用Helmholtz分解和变量分离法,得到液化土层对桩水平振动的阻抗。利用矩阵传递法,在频率域得到轴力作用下液化土层中端承桩简谐振动的解析解和桩头复刚度的表达式,并进行参数研究,分析轴力、桩-土模量比、桩长径比、液-固耦合系数等对桩头动力刚度和阻尼的影响。结果表明,在轴力作用下,不同长径比、桩-土模量比、液-固耦合系数时的动力刚度绝对值均比无轴力作用时减小,但随频率的变化趋势相同;轴力对桩水平振动的动力阻抗影响显著,随着轴力的增加,桩的水平振动动力刚度因子的绝对值减小,若轴力继续增大,其绝对值趋近于0,桩发生失稳破坏;桩长径比和桩土模量比对桩的水平振动动力阻抗有显著的影响,而液-固耦合系数的影响较小。     

成层饱和土中考虑横向惯性的单桩纵向振动

基于饱和多孔介质理论,研究了成层饱和黏弹性土层中端承桩的纵向振动特性。首先利用Novak薄层法,得到了土层对纵向振动桩的动力阻抗。其次,将桩等效为Rayleigh-Love杆,给出了成层饱和黏弹性土中端承桩纵向振动的一般分析方法和桩头动力复刚度的解析表达式。具体分析了两层饱和黏弹性土中端承桩的纵向振动特性,得到了桩头动刚度因子和等效阻尼随频率的响应特征,讨论了物理和几何等参数对动刚度因子和等效阻尼的影响。结果表明：桩长径比、土层模量比以及桩土模量比等对桩头动刚度因子和等效阻尼有显著的影响。相比于均质土层中的桩,上层土越硬或下层为软弱土层,桩的动刚度因子和等效阻尼振动幅值增大,其周期随长径比显著变化,且对于大直径桩,动刚度因子和等效阻尼随频率呈振动变化。同时,土体与孔隙水相互作用系数和桩泊松比等的影响相对较小。其结果可作为桩基动力基础设计和动力检测等基础数据。     

水平成层场地动剪应变与震动速度关系解析

以SHAKE2000为代表的频域等效线性化是目前主流的土层地震动计算方法。由于该方法在软土场地计算结果严重不合理,其改进方法成为目前研究热点,主要采用频率相关法,但一直没有取得实效。对频率相关法中土体动剪应变和震动速度成恒定比例关系的基本假定进行研究,从波动方程推导出了均匀全空间单向行波、单一均匀半无限场地、成层场地等3种典型场地中土体剪应变与震动速度关系的精确解答,通过数值试验研究了这一假定的合理性与偏差程度。结果表明：动剪应变和震动速度成恒定比例关系这一假定只有在无边界均匀介质单向行波情形下才成立,对于实际成层土场地,动剪应变与震动速度关系强烈依赖于波的频率和观察点的位置,如果在土层地震反应分析中忽略反射波而采用单向行波恒定比例假定将会使计算结果产生显著偏差;动剪应变与震动速度成恒定比例关系的假定导致的偏差达4个量级,即使对于单一均匀半无限空间模型偏差也十分显著;对实际土层地震动的求解,该假定在理论上定性错误,定量上偏差不可接受,必须放弃而另寻其他途径。     

黄土地场自重湿陷量实测值与计算值差异的原因分析

在兰州和平镇做了一大型现场浸水试验,测定了场地自重湿陷量,并利用实验数据计算了其湿陷量。现场浸水试验时,必须考虑浸水时间和入渗深度的影响,当湿润峰未到达湿陷性土层底面时,则存在很大一部分剩余湿陷量,由此低估了实际湿陷量。该现场浸水试验湿陷土层深度24m,浸水61天,湿润峰深度达到12m左右。按平均下渗速率估算,达到湿陷土层底面,需要120天以上。在湿陷性土层完全浸水的情况下,兰州地区大厚度湿陷性黄土的实测值远大于计算值,二者的比值为2.0左右,大于规范给出的修正系数1.5。综上所述,在现场试验时,除确定试验场地地貌单元、湿陷土层厚度外,必须给定合理的浸水时间,以便使湿陷性土层充分湿陷,或浸水后,及时测定湿润峰深度,计算实际湿陷土层的湿陷量,以便得出更合理的修正系数。     

水平液化场地土表位移简化理论解答

水平液化场地地表往返位移的求解是基础和地下工程抗震设计的迫切需求。利用双层模型模拟实际水平场地,提出了可考虑液化层存在下的土表位移简化计算方法并给出频域理论解答,同时采用逐循环累计方法给出水平场地任意荷载下土表位移时域解答。采用适于水平场地孔压增量模型,并逐循环修正土层模量,模拟液化引起的土层的非线性过程。振动台试验结果和提出棋型的计算结果吻合,验证了所提方法能够反映土体液化对土表位移影响的基本过程。提出的方法和解答物理意义明确,可代表土体液化对土表位移影响的基本形态,并可用于频域及时域的无量纲分析。     

动剪切模量比对反应谱影响的定量分析

动剪切模量比的不确定性会对场地地震反应计算的结果产生较大的影响,而目前对这种影响的研究多限于定性分析,笔者利用渤海海域典型场地对这一影响进行定量分析。首先,建立了土层地震反应计算模型;然后,在不改变影响土层地震反应计算结果其他参量的前提下,赋予了原动剪切模量比一系列偏差并求得了场地反应谱的变化;最后,得到了反应谱对动剪切模量比的敏感度。结果表明:1)在动剪切模量比曲线增大(或减小)后,在基准反应谱的特征周期附近,存在一个反应谱相对于基准反应谱由增大转变为减小(或由减小转变为增大)的转变点。2)在概率水准2和3下:反应谱平台段对动剪切模量比的敏感度最高,其值基本上分布在1.0~3.0;反应谱下降段的敏感度绝对值随着周期的增大先迅速增大后逐渐趋于0,最大值达1.0以上;反应谱上升段的敏感度分布平稳,其值多分布在1.0~2.0。     

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。     

波速测试技术在场地抗震评价中的应用研究

波速测试技术是地震勘探方法之一,也是一种简便、快速、准确的原位测试技术。它通过获取的地震波在经过不同深度的岩、土层的直达波旅行时,求得纵波、剪切波波速,进而通过弹性波理论,计算出岩、土层动弹性力学参数,同时也可以根据剪切波的波速,来划分场地土类型和建筑场地类别,以及计算卓越周期,这些参数可以为场地抗震设计及地震安全性评价提供依据。这里简述了波速测试技术的工作原理和野外实测技术,以及数据处理和资料解释全过程,并且结合某一建筑场地的实例,说明了波速测试技术在场地抗震评价中的应用及其效果。     

关于黄土湿陷性评价和剩余湿陷量的新认识

在总结诸多大型浸水现场试验成果的基础上,提出了一些关于湿陷性评价方法和剩余湿陷量合理控制等问题的新认识,目的是为了修正自重湿陷性黄土场地的自重湿陷量计算值与其实测值之间的差异,并减小地基处理深度。在获取自重湿陷量的计算值时,引进了一个深度修正系数?,使自重湿陷量和湿陷量的计算值接近实测值,这在一定程度上降低了较深部位黄土的剩余湿陷量。在获取湿陷量计算值时,提出了扩大湿陷系数阈值(0.015)的方案,并与深度修正系数?联合使用,达到了扩大湿陷量的计算值和降低较深土层的剩余湿陷量的目的。提出了大厚度自重湿陷性黄土场地的湿陷临界深度的概念,通过若干资料将其初步确定为20²5 m之间,结合深度修正系数和扩大湿陷系数阈值方法,使用湿陷临界深度概念,可以更为有效地降低较深土层的剩余湿陷量。新的研究思路可为自重湿陷性黄土场地的类似工程和黄土规范的修订提供一定的参考。     

软土一维非线性固结近似解析解

软土非线性固结变形计算目前还主要依赖于数值方法,致使非线性固结理论的工程应用受到极大限制。引入经典的e-lg?' 和e-lgkv非线性关系,在自重应力均匀分布假定下通过变量代换并利用迭代法给出压缩指数Cc与渗透指数Ck比值不等于1时的非线性固结近似解析解。在Cc /Ck趋近1时本文解与其等于1时的差分解及精确解相差无几。但如果Cc /Ck值偏离1,该近似解会存在一定偏差,且偏差值会随Cc /Ck值偏离1的程度和外荷载增加而逐渐增大。在一般工程荷载作用下,如果Cc /Ck值介于0.9～1.1之间,本文解的平均固结度与差分解间最大偏差在2%左右。当Cc /Ck值在0.75～1.25之间时,本文解的平均固结度与差分解最大偏差在5%左右。如果Cc /Ck值在0.5～1.5之间,本文解的平均固结度与差分解间最大偏差在10%左右。当外荷载一定时,土层的非线性固结速率会随着Cc /Ck值的增大而减慢。如果Cc /Ck<1,土层的非线性固结速率会随外荷载的增大而加快;相反,如果Cc/Ck>1,土层的非线性固结速率会随外荷载增大而减慢。     

水平土层特性变异性对传递函数影响分析初探

采用Monte Carlo模拟手段,提出描述场地土层特性变异性对传递函数变异性影响的分析方法。选取日本Kik-Net强震数据库中软（FKSH14）、硬（FKSH12）两类场地,建立场地概率模型。应用Monte Carlo技术随机生成50组场地剖面,分别计算场地的传递函数STF及STF标准差,讨论场地土层厚度、剪切波速,以及二者组合情况下场地传递函数的标准差及场地特征频率的变化。结果显示：对于硬土场地而言,场地特征频率标准差相对于软土场地较大,且剪切波速变异性影响比土层厚度变异性的影响略大,而二者组合工况下最大;而软土场地,土层厚度、剪切波速变化工况下场地特征频率的标准差相当,比二者组合工况下略低;软、硬两类场地,土层厚度与剪切波速二者组合工况下STF的标准差比单一量变化情况下略大,但3种工况下场地STF标准差相差不明显;场地STF的标准差在场地自振频率附近的频率段取值较大,极值点与场地STF的极值点相对应。     

气象产品的广义联合偏差修正方法及其应用

卫星气象产品、气候模式预测数据通常与地面观测数据存在偏差,为保证数据的可靠性和合理性,需要对其进行偏差校正,但偏差校正过程往往受具体区域气象特征、方法本身假定等因素的影响,导致修正效果不佳。为此,本文提出一种广义联合偏差修正方法,相较于现有研究最常用的单变量QM修正方法以及固定多变量修正顺序的JBC修正方法,该方法充分考虑到流域尺度降水和气温双变量的时空相关性,并结合其对径流的主导作用对变量修正顺序进行动态调整,实现了QM法和JBC法的优势互补。在澜沧江-湄公河流域的应用表明：考虑降水、气温相关性可显著改善降水和温度极值的修正效果,尤其是5、6月份,修正后气象与实测数据的纳什系数提升了0.5以上;考虑气象要素的修正次序显著降低了修正后的降水和温度频率分布及均值偏差;利用修正后的气象数据驱动分布式水文模型时,部分月份的径流模拟精度提升了54.3%。     

水文双变量重现期分析及在干旱中应用

单变量水文统计中一些广为接受的概念在多变量环境下尚缺乏深入分析,也易被误解,如N年内重现期大于等于T的多变量事件发生的次数与N/T的关系。实践中,多变量联合重现期与其边缘分布变量重现期的一些经验关系被发现并通过了案例验证分析,但缺乏解释和推导。基于GH Copula推导了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及双变量事件发生次数与其重现期、变量相关程度间的定量关系。以昆明56年的逐月SPI(Standardized Precipitation Index)和SRI(Standardized Runoff Index)识别了干旱事件,采用GH Copula构建了干旱历时和烈度的联合分布函数,验证了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及多变量事件发生次数与其重现期的定量关系。表明不宜以“and”第1重现期是否接近于比该干旱事件的旱情更重的干旱发生的平均时间间隔来说明干旱特征值重现期分析的合理性。变量的相关性不强时,需谨慎采用边缘分布变量重现期的较大值近似代替“and”事件的第1重现期。     

HadCM3模式下钱塘江流域设计暴雨估算

全球气候变化背景下,极端水文气象事件发生的频率和强度都受到了直接影响,研究气候变化对极端水文气象事件的影响对防灾减灾和工程设计等至关重要.采用了联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告中给出的A1B、A2和B1三种温室气体排放情景,选用大气环流模式Had-CM3,利用随机天气发生器LARS-WG生成逐日气象资料,结合P-Ⅲ型曲线和线性矩方法分析计算了钱塘江流域21世纪中叶的设计暴雨情况.结果表明:LARS-WG天气发生器在钱塘江流域有较好的模拟效果;在A1B和B1情景下,钱塘江流域各站点不同重现期下的设计暴雨值基本呈增大趋势,其中A1B情景下杭州站百年一遇的设计暴雨值为209.14mm,比基准期增大11.0％.     

重力坝沿建基面失稳破坏的真实安全度研究

采用强度储备系数法,对重力坝建基面破坏过程进行非线性有限元模拟,并分析了坝体地基弹性模量比和建基面应力分布状态对破坏过程和强度储备系数的影响。研究结果表明：破坏过程可划分为4个阶段：贯通率平稳期、加速期、短暂平稳过渡期、急剧增加失稳期。当弹性模量比一定时,应力状态越趋于均匀分布,大坝处于稳定状态时的强度储备系数越大,坝趾坝踵处的应力比值越大,大坝处于稳定时的强度储备系数越小;当建基面应力分布状态一定时,弹性模量比的变化不改变建基面的总体破坏特征,强度储备系数与弹性模量比成正比。综合考虑应力分布及弹性模量比的影响,给出了正常荷载作用下重力坝沿建基面失稳破坏的真实安全度取值范围为1.5～2.5。     

北京地区降水极值时空演变特征

为了科学评估变化环境下城市地区降水结构变化和深入认识特大型城市降水极值演变特征,以北京市为例,采用《北京市暴雨图集》中6种历时（10 min、30 min、1 h、6 h、24 h和72 h）的年最大暴雨统计数据和北京地区45个雨量站点1960-2012年汛期（6-9月）逐日降水观测资料,分别选择年最大值法和百分位阈值法,基于暴雨图集中的6种历时暴雨的统计特征值和两种百分位阈值下（95%和99%）的3种极端降水指标（发生次数、降水量和降水贡献率）分析北京地区降水极值的时空变化特征。研究结果表明:① 北京地区降水极值的空间分布受地形特征和城市化发展等因素影响而呈现出从东向西递减的趋势,且形成了局部区域高值中心;② 近50年来北京地区极端降水发生频次、极端降水量和极端降水的贡献率均表现出显著的下降趋势,在95%（99%）阈值条件下极端降水发生次数、极端降水量和极端降水贡献率的下降速率分别为0.13次/10 a（0.04次/10 a）、11.59 mm/10a（5.28 mm/a）和2%/10 a（1%/10 a）;③ 两个阶段（1960-1985年和1986-2012年）的城区与近郊的极端降水指标差异表现不同,1960-1985年在极端降水频次方面郊区占优,而极端降水量和贡献率则是城区较高,1986-2012年3个指标均表现为城区较高。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

振荡交换-抽滤淋洗结合凯氏定氮法快速测定土壤中的阳离子交换量

测定土壤阳离子交换量(CEC)的行业标准方法(LY/T1243—1999)是采取离心分离结合手工蒸馏进行滴定,耗时长、操作繁琐。为了缩短反应时间,提高检测效率,本文利用乙酸铵对酸性和中性土壤进行处理,用氯化铵-乙酸铵对石灰性土壤进行处理,应用振荡和抽滤装置快速交换和清洗阳离子,通过全自动凯氏定氮仪对吸附的铵根离子进行测定,由此计算CEC值。结果表明:在最佳的振荡和蒸馏时间、滴定酸浓度、指示剂配比等实验条件下,一个批次样品(100件)的分析流程仅需要12h,比传统方法检测时间缩短近80%。经国家标准物质验证,测定结果与推荐值相符,5次测定的相对标准偏差均小于1. 5%。本方法免去了多次离心分离操作,解决了待测成分损失、CEC测定值偏低的问题,提高了检测效率和准确度,较林业标准方法的成本低,可操作性强,适用于土壤环境质量评价、地区土壤抽样调查等大批量土壤样品分析。