上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

基于振动台模型试验的特大断面隧道地震动态响应研究

以福州市二环路金鸡山隧道扩建工程为背景,设计制作了特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了21种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度与接触压力的地震响应。将响应加速度峰值与输入地震波加速度峰值的比值,定义为PGA放大系数。各测点的PGA放大系数随着高程增加呈负指数型增大,其场地高程效应的表现形式与一般场地明显不同;随着地震动幅值的增大,各测点PGA放大系数逐渐减小,且不同频率特征地震波激励对高程效应形态的影响已不明显。将响应接触压力峰值与静止接触压力的比值,定义为PEP震荡系数。随着地震动幅值的增大,拱顶与拱底处的PEP震荡系数则始终保持在较小范围内,而拱脚与拱肩处的PEP震荡系数均呈近似线性增大趋势,这为隧道抗震设计中,衬砌-地层接触压力的参数取值提供了定量参考。     

远场大地震作用下大尺度深软场地的非线性地震效应分析

基于ABAQUS软件自行研制的并行计算显式算法集群平台,针对苏州城区典型地层剖面,建立了大尺度深软场地的二维精细化非线性有限元分析模型,对人工地震波和大地震远场地震动作用下深软场地的非线性地震效应进行了比较研究。研究结果表明：（1）与人工地震波作用时深软场地的地表峰值加速度放大效应相比,大地震远场地震波作用时的放大效应尤为显著,由于土介质的横向不均匀性及其非线性,使不同地表的峰值加速度放大效应存在明显的变异性。（2）深软场地对周期小于0.3 s的高频地震波均具有显著的滤波效应;大地震远场地震波作用时,深软场地对周期0.85～1.65 s的长周期地震波的放大效应非常显著,但对2.5～7.0 s的长周期地震波呈现出明显的滤波效应。（3）地震动峰值加速度PGA值沿土层深度和横向的分布形态呈现出明显的高低起伏现象,在不同成因的土层更迭面附近及土介质横向不均匀性显著的区域,地震波的局部聚焦放大和过滤减小现象尤为明显,且大地震远场地震动作用时,20 m以浅土层的PGA值呈现出非常显著的放大效应。（4）地震波的频谱特性、土层的横向不均匀性对深软场地地表加速度反应谱? 谱的谱形有显著影响;给出了描述加速度反应谱沿土层深度变化特征的三维谱形曲线,可以直观地展示出深软场地中细长地下结构地震反应可能存在类共振现象的土层深度。     

断层穿越斜坡场地效应分析:以绵竹九龙镇山前斜坡为例

2008年汶川MS8.0强震中频繁出现断层穿越的地震滑坡,除发震断层的地震特性外,其自身场地效应也会影响斜坡动力响应,甚至加剧斜坡失稳。本文以汶川极震区绵竹九龙镇山前斜坡为典型实例,根据余震作用下斜坡不同高程实测地震记录及地脉动测试结果,通过单点谱比法(H/V),获得斜坡地震动加速度随高程的放大系数和地脉动的频谱特征曲线,通过曲线对比分析发现: 1)斜坡两次典型余震PGA放大系数随高程先减小后增大,呈明显的凹形特征,凹形部位位于断层位置,其PGA放大系数约为斜坡底部测点0.4~1.0,坡顶测点的PGA放大系数则达到1.0~2.0倍。由于PGA放大系数是在断层位置出现的明显拐点,从地质上表明了断层场地效应明显; (2)各点NS/UD谱比普遍大于EW/UD谱比。断裂区域卓越频率为低频1Hz,小于其他测点的频率,对应谱比最大值高达3.0~4.0,高于其他测点谱比最大值。说明地表破裂处岩土体松散破碎,导致断层处的卓越频率较低,近场余震传播过来的高频地震波被断层隔断,地震加速度放大系数在该处发生了衰减,场地效应显著。本研究有助于增强断层场地对斜坡动力响应影响的认识。     

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。     

地震作用下有砟轨道路基动力响应规律振动台试验

以京沪高铁CRH380BL高速动车组为原型,根据相似定律设计完成了1:10比尺的铁路有砟轨道路基振动台模型试验,研究分析了路基的加速度、土压力和位移响应规律。模型尺寸为9.6 m×3.5 m×1.0 m(长×宽×高),包括列车、有砟轨道和路基部分。试验结果证明:随高程增加,水平加速度峰值放大系数逐渐增大,基本上稳定在1.0～2.5,竖向加速度峰值放大系数则呈现先增加后减小的规律,基本稳定在1.5以内。随着输入地震动强度的增大,水平加速度峰值放大系数与高程成正比例关系,非线性关系逐渐增强,竖向加速度峰值放大系数最大值位于距离底部H/3处向2H/3处转移(H为路基高度),在输入峰位加速度(PGA)为0.3g时,水平、竖向加速度峰值放大性均达到最强;随着输入地震动强度的增大,填料中峰值土压力强度逐渐增大,在输入波PGA为0.4g时,土压力强度达到最大,路基中心截面土压力强度随高程增加有先增加后减小的趋势,最大土压力逐渐由距离路基底部H/3向2H/3位置转移;在输入地震波PGA为0.05g时,路基表面、路基底部的土压力强度沿着路基体水平方向呈线性分布,前者离路基越远、土压力越大,后者则是基本不变。在输入地震波PGA为0.15g、0.30g、0.40g时,土压力强度在道砟边缘处最小,在路基中心下土压力强度其次,整体沿着路基体水平方向呈三角形分布;路基坡面中部和顶部的水平位移逐渐增大,前者小于后者,呈近似线性分布,且两者差值逐渐减小。在路基顶部位置,坡面上的位移与路基中心线顶部的位移差值随着输入地震动强度的增大,两者差值逐渐增大,最后区域稳定;地震波在路堤底部时主频集中在5～15 Hz,随着高程增加,路基对30～40 Hz频段有强烈的放大效应,在其余频段的影响不明显。     

多地貌单元复合场地非线性地震效应特征二维分析

针对由河漫滩、阶地、波状起伏的丘陵地带和残丘等组成的典型复合地形场地,基于ABAQUS软件的显式有限元并行计算集群平台,考虑土体的非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟切除的无限域对地震波动的影响,建立了大尺度复合地形真实场地的二维有限元模型,并将基岩地震动视为SH波,分析了不同地貌单元复合场地地震效应特征。结果表明：地形差异引起地表各测点峰值加速度(PGA)及峰值位移(PGD)不同;在相同地震波入射下,河漫滩区地表PGA大于Ⅰ级阶地区域,但其PGD明显小于Ⅰ级阶地区域,且河漫滩区的峰值位移差动较小;场地地表水平加速度反应谱呈双峰及多峰现象,加速度在0.4～1.2 Hz频段放大较多,且加速度反应谱特性与输入地震动相关;特定频段（0.5～1.75 Hz）地震动放大效应与聚集效应比较明显,频率小于0.2 Hz及大于2 Hz时,场地地震动放大特征不显著。低丘区的敏感频率段宽于河漫滩区;观测点的位置影响相应的水平加速度持时大小,局部地形变化将引起地震动持时差异,且持时和输入地震动特性相关。     

考虑场地效应的高陡岩质斜坡地震失稳机制

以金沙江乌东德水电站右岸的鸡冠山梁子高陡斜坡为典型实例,在斜坡表层地震动监测基础上,通过在斜坡弹性模型底部分别输入水平、竖向Ricker子波,发现：斜坡顶部低模量岩体材料在水平Rick子波激励下,易产生放大效应;而当输入竖向Rick子波时,易在模型表层地形凸起部位产生共振放大,其顶面表层卓越频率也与现场实测值基本一致。其次,对比分析了在分别输入汶川八角什邡加速度记录、典型鲁甸地震加速度记录时的斜坡弹塑性模型的稳定性和动力响应特征,发现：（1）斜坡在静力条件下可能存在3种不同位置潜在滑面,但输入两种地震波后,变形破坏区仅发生在顶部滑面位置;（2）输入汶川地震波时,斜坡顶部滑面剪应变增量明显大于输入鲁甸地震波时对应值,且前者的滑面出现明显整体拉破坏区,滑面上部水平、竖向残余变形也不收敛,处于震后斜坡失稳状态。后者滑面底部无明显的拉破坏区,滑面上部残余变形收敛,处于震后斜坡稳定状态;（3）斜坡水平、竖向加速度都在斜坡顶部低模量材料表层出现明显的放大现象,场地效应明显。此外,表层加速度普遍大于斜坡内部相应值,尤其是地形凸起位置。输入汶川地震波时斜坡顶部水平向加速度放大系数大于鲁甸地震波相应值,但竖向加速度放大系数两者基本一致。     

三向地震作用下叠交隧道地震响应振动台试验研究

叠交隧道是涉及隧道之间、隧道与土体相互作用的复杂体系,其安全性将严重影响城市轨道交通建设。目前,对于叠交隧道振动台试验的研究集中在水平平行和交叉叠交隧道、单向和双向地震动输入。鉴于此,利用自行设计的层状三向剪切模型箱,对竖直平行叠交隧道开展三向地震作用下的振动台模型试验,研究地基土−叠交隧道模型体系动力特性、地基土加速度、叠交隧道加速度、地表沉降、地基土孔压、叠交隧道动土压力及叠交隧道应变等地震响应。结果表明：随着震波峰值加速度（peak ground acceleration,简称PGA）依次增加,地基土−叠交隧道模型体系的自振频率随之减小,而阻尼比随之增大;叠交隧道周围地基土加速度和孔压的梯度差随着地震波PGA的增大而增大,且上隧道周围梯度差比下隧道更大;地基土对加速度的放大效应随着地震波PGA的增大而减弱;相同地震波作用下,相同位置处的叠交隧道加速度傅里叶谱形状相似,但幅值随着地震波PGA的增大而增大。此外,与顶部和底部位置相比,腰部位置加速度傅里叶谱频段范围变宽,幅值峰值有所降低;地表沉降峰值随着地震波PGA的增大而减小,相比地基土两侧位置,中心位置的沉降峰值明显较小;地震波的类型对叠交隧道动土压力峰值和应变峰值影响较小;对于动土压力峰值,两隧道的最大值均为腰部,而上、下隧道的最小值分别为底部、顶部;对于应变峰值,上隧道在腰部明显大于顶部和底部,而下隧道在4个位置相差不大。     

预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应特性研究

降雨、地震作用下,隧道洞口边坡易产生严重破坏,有必要研究隧道洞口边坡及支挡结构的动力响应特性。以中国西南某隧道洞口边坡为例,通过振动台模型试验,分析降雨、地震作用下预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应与破坏模式。研究结果表明：（1）隧道洞口边坡破坏过程为坡顶张拉裂缝―坡脚剪切溃裂―边坡整体滑移破坏。由于雨水入渗,坡表土体在地震作用下易产生局部浅层破坏。边坡破坏模式为张拉-剪切型。（2）随峰值加速度增加,桩身PGA放大系数显著增大,应重视该类支护结构在地震作用下的惯性放大效应。（3）桩后峰值土压力随峰值加速度增加而增大,由“S型”分布逐渐转变为倒三角形分布。峰值加速度大于0.4g时,锚索轴力逐渐增加,充分发挥张拉作用。（4）桩土压力与加速度傅里叶谱幅值集中于低频段,地震波沿高程传播存在“高频滤波效应”。（5）桩身位移谱幅值随峰值加速度增加而逐渐增大,沿桩身向上呈增加趋势;位移谱主频分布于1～4 Hz,卓越频率为2.5 Hz,与地震荷载的主频较接近。（6）桩体加速度间的关联性较好,桩体加速度、动土压力、桩体应变、锚索轴力相关性随输入峰值加速度增加而逐渐降低。     

地震动强度对斜坡加速度动力响应规律的影响

依托大型振动台试验成果,采用加速度响应峰值PGA及其放大系数相结合的分析方法,系统地探讨了上硬、下软和上软、下硬两种岩性组合结构斜坡模型,分别在正弦波和天然地震波作用下坡面各高程点的水平向和竖直向加速度响应随震动强度增大的变化规律。试验结果分析表明：①在天然波作用下两斜坡模型的水平向和竖直向PGA均随震动强度增大而增大,而放大系数则随震动强度增大到一定程度时,逐渐减小并趋于稳定;②在正弦波作用下两斜坡模型的水平向和竖直向PGA亦随震动强度增大而增大,然而竖直向PGA放大系数随震动强度增大亦有所增大,说明竖直向加速度响应表现出了相对于水平向响应较弱的非线性特征;③在水平向和竖直向地震力作用下加速度响应沿高程表现出的放大效应分别体现在斜坡模型的上段和下段。此外,斜坡模型的加速度响应沿坡面在坡脚、坡中和坡肩等特殊部位出现了多个极值区;④在水平向地震力作用下低频的地震波作用要强于高频地震波,且加速度在上硬、下软岩性组合结构斜坡模型中的响应要强于上软、下硬岩性组合斜坡模型;在竖直向地震力作用下则呈现相反结果。其研究结果对高地震风险山区的防震减灾及灾后重建都具有指导和借鉴意义。     

不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。     

黄土塬地震动响应特征分析

2008年汶川Ms8.0级强烈地震对远离震中的黄土塬地区造成了较为严重的破坏,局部场地的震害和地震动放大效应显著。以典型黄土塬场地为对象,应用地形台阵流动观测和有限元计算方法,系统开展强震动作用下黄土塬边坡场地动力响应特征研究;应用大型振动台模拟试验和数值计算方法,重点探讨黄土塬平台场地在汶川地震作用下地表加速度响应随覆盖层厚度、地震动强度的变化规律以及对建筑结构的潜在影响。结果表明：黄土塬边坡顶部存在低频但较高放大系数的现象,可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关;大角度（60°～70°）黄土塬边坡对地震动的放大效应十分显著,坡顶加速度峰值（PGA）放大可达2倍,反应谱卓越周期放大可达5倍;较厚黄土塬平台场地加速度放大可达2倍以上,地震烈度增加1度,对于场地上固有周期0.7～2.0 s和周期大于3.0 s的建筑物地震反应将显著增加。     

河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数

针对基岩明显起伏、土层非均匀分布的典型河口盆地场地,考虑土体非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟无限域对地震波动的影响,建立大尺度精细化二维有限元模型,分析了盆地地表地震动幅值、频谱、持时、传递函数特征,探讨了基岩起伏土层的地震动聚集效应及盆地边缘效应。结果表明：（1）盆地近地表土层表现出不同程度的地震动放大效应,且随土层深度增加呈非单调递减特征,基岩突变处地震动聚集效应明显,盆地两侧产生较为显著的边缘效应;场地中、长周期地震动的放大作用显著;（2）多遇地震、偶遇地震和罕遇地震水平时,场地卓越周期依次介于0.35～0.65 s、0.40～0.75 s和0.50～1.05 s之间;给出了盆地地表PGA（地表峰值加速度）、卓越周期均值等值线图及地表加速度反应谱放大因子建议值,地表设计地震动参数amax（地震影响系数）与Tg（特征周期）明显大于现行《建筑抗震设计规范》取值;（3）盆地特殊位置地表地震动持时得到不同幅度增长,且与输入地震动特性相关;（4）该盆地对0.5～2.0 Hz频段基岩地震动的放大效应比较显著,对小于0.2 Hz或大于2.5 Hz的基岩地震动,该盆地地震动放大效应不明显;（5）福州城区及其邻近区域地震动放大效应普遍较大。大尺度二维非线性分析一定程度上能合理反映微地形起伏、土层分布及土体非线性对地震波传播过程的影响。     

纵横波时差耦合作用下地铁车站地震响应分析

以北京实测地震波作为输入,运用二维显示有限差分程序对北京地区常见的3层3跨矩形断面结构地铁车站进行了动力模拟分析,探讨了纵横波时差耦合作用下车站结构加速度、位移放大效应及动应力变化规律。计算结果表明地震纵横波时差耦合作用导致浅埋地铁车站结构受力变形过程为：首先纵波作用使得结构产生较大的竖向加速度,导致结构产生一定的正应力;继而纵横波时差耦合作用使得结构产生较大的水平加速度,此时结构内力达到最大,容易使得结构产生较大的拉应力;最终随着地震动力作用逐渐减小至消失,结构内力减小,恢复稳定。在地震动力作用下,地铁车站侧墙、中柱等结构的加速度自下而上均发生放大效应,且竖向加速度的放大程度远高于水平加速度。因地震纵波产生较大的竖向加速度,并且具有较强的放大效应,需重视距离震源较近地区的地下结构竖向抗震性能;而纵横波时差耦合作用下,结构的内力往往能达到最大值,是地下结构发生破坏的主控因素。     

Equivalent-Linear Seismic Ground Response Analysis of Some Typical Sites in Mumbai

Any earthquake event is associated with a rupture mechanism at the source, propagation of seismic waves through underlying rock and finally these waves travel through the soil layers to the particular site of interest. The bedrock motion is significantly modified at the ground surface due to the presence of local soil layers above the bedrock beneath the site of interest. The estimation of the amplifications in ground response due to the local soil sites is a complex problem to the designers and the problem is more important for mega cities like Mumbai in India, where huge population may get affected due to devastations of earthquake. In the present study, the effect of local soil sites in modifying ground response is studied by performing one dimensional equivalent-linear ground response analysis for some of the typical Mumbai soil sites. Field borelog data of some typical sites in Mumbai city viz. Mangalwadi site, Walkeswar site, BJ Marg near Pandhari Chawl site are considered in this study. The ground responses are observed for range of input motions and the results are presented in terms of surface acceleration time history, ratio of shear stress to vertical effective stress versus time, acceleration response spectrum, Fourier amplitude ratio versus frequency etc. The typical amplifications of ground accelerations considering four strong ground motions with wide variation of low to high MHA, frequency contents and durations are obtained. Results show that MHA, bracketed duration, frequency content have significant effects on the amplification of seismic accelerations for typical 2001 Bhuj motion. The peak ground acceleration amplification factors are found to be about 2.50 for Mangalwadi site, 2.60 for Walkeswar site and 3.45 for BJ Marg site using 2001 Bhuj input motion. The response spectrum along various soil layers are obtained which will be useful for designers for earthquake resistant design of geotechnical structures in Mumbai for similar sites in the absence of site specific data.     

Equivalent-linear site response analysis on the site of the historical Trakošćan Castle,Croatia, using HVSR method

This paper presents a major extension of seismic vulnerability research project on the site of Trako??an Castle based on the initial horizontal-to-vertical-spectral-ratio (HVSR) results from Stanko et al. (2016). The estimated HVSR site frequencies and HV amplification at Trako??an Castle can only be used as an indication of the initial soil site frequency and amplification, so-called natural soil model, corresponding to the subsoil profile without the influence of an earthquake. The equivalent-linear (EQL) site response analysis has been carried out for different earthquake scenarios for a maximum input rock peak ground acceleration (PGA_ROCK) that corresponds to return periods of 95 (0.08 g), 475 (0.18 g) and 1000 years (0.31 g). The aim of the research is to evaluate structural seismic design responses and to determine type and degree of damage caused by local site effect, which is the result of an alluvial basin and topographic influences. The main objective of this research is the formation of local microseismic zones based on an EQL analysis: surface spectral acceleration and amplification maps at the predominant frequency. Based on the HVSR frequency response of the core structure of Trako??an Castle and the Tower itself (fundamental and higher frequency modes), maps of surface spectral acceleration and soil amplification at different frequencies (3, 5 and 10 Hz) are developed for different input PGA_ROCK levels (0.08, 0.18 and 0.31 g) to evaluate seismic response of the Castle. Observed amplifications are correlated with ground motion polarization and directionality of the ground motion from the alluvial basin to the hilltop. Shortening of predominant frequencies (lengthening of the period), particularly in the alluvial basin, has been observed with higher input PGA_ROCK in the EQL analysis. This effect is not manifested in the Trako??an hill, and predominant frequencies match HVSR frequencies. The use of certain geophysical survey methods at historical sites is a big problem, because terrain features (e.g. steep hills, mountains, ridges, slopes, cliffs) create lack of space and make it impossible to carry out geophysical investigation. Microtremor measurements at historical sites can overcome this limitation and provide local seismic response and vulnerability behaviour of historical monuments without destroying their authenticity. Also, computational modelling can greatly improve the results. The EQL site response analysis on the site of Trako??an Castle has confirmed and improved the results of seismic response and vulnerability based on HVSR method.     

含隧道场地地震动放大效应的深度变化规律研究

以剑桥大学工程系完成的含圆形隧道的动力离心模型试验结果为基础数据,在80g重力加速度条件下,从模型基底处由弱至强输入4 种地震波 EQ1～EQ4,利用在叠环式模型箱内不同位置布设加速度传感器,获取了不同层位深度处隧道列的加速度时程记录,运用考虑相消干涉的传统谱比法,分析研究了地震作用下含隧道的场地放大效应随深度变化规律。研究结果表明：在EQ1～EQ4下各振型的地震动放大系数随深度变化曲线从基底到地表大部分呈现一个先减小后增大的现象;并统计到高阶振型地震动放大系数数值大于一阶振型的概率为 18.3%,振型越高,概率越大;近地表处地震动放大系数的最大值主要分布在 4.20～8.63 Hz的中部频段上,而不是出现在低频段上。