地下结构地震反应分析中场地瑞利阻尼构建方法比较研究

动力时程分析中,结构地震反应的计算精度很大程度上取决于瑞利阻尼系数的确定。通过对某一成层场地在不同地震动作用下的动力反应分析,比较了目前工程上常用瑞利阻尼构建方法的时域计算结果和频域等效线性化计算结果,探讨了由频域分析中的滞回阻尼比构建时域分析中瑞利阻尼系数的新方法。在此基础上,对比研究了不同瑞利阻尼构造方法对某单层双跨地下车站结构地震反应的影响。结果表明:对于场地地震反应而言,提出的瑞利阻尼系数的时域计算结果与频域解的平均误差最小;对于地下结构地震反应而言,改进完整形式瑞利阻尼系数的时域计算结果与该方法计算结果基本一致。提出的瑞利阻尼系数计算方法精度较高,操作简单,可在场地和地下结构地震反应分析中推广使用。     

瑞利阻尼系数确定方法对高土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,瑞利阻尼系数在很大程度上影响计算的精度。改进了阻尼系数的确定方法,采用不同阻尼系数对土石坝进行了时域动力分析,并与频域计算结果进行了比较。结果表明：当坝高超过100 m后,采用结构基频确定瑞利阻尼系数的方法高估了结构的阻尼,导致结构的动力反应偏小;改进后的方法能较好地反映结构的阻尼特性。通过对拟建的双江口直心墙土石坝进行动力分析,进一步验证了改进阻尼系数确定方法的合理性。     

成层场地基本周期简化计算方法研究

从波动问题物理本质出发,提取阻抗比和周期比作为表征不同土层条件下场地周期变化规律的基本特征量。提出了子层周期贡献系数的概念,并指出其可由阻抗比和周期比唯一确定,建立了周期贡献系数与阻抗比和周期比一般关系。采用子层周期加权累加方式形成一套简单实用且具有明确物理意义的成层场地基本周期估算方法,以传递函数法结果为标准,就240种工况算例与现有简化方法进行对比,给出各方法偏差分析和适用性评价。主要结论为:阻抗比和周期比作为场地周期研究的基本特征量,结果具有完备性;传统法无法反映土层结构对场地周期的影响,对最普遍的渐硬型场地,偏差也有可能达到40%以上,对存在极端软夹层情况其偏差极易大于20%;Hadjian法精度明显优于传统法,但方法和参数本身缺乏明确的物理意义;新方法在一般和极端两种情况下最大偏差均不超过8%,偏差小于5%和2%工况数占比分别达到85%和60%以上,高于Hadjian简化法,可以在实际工程中推广应用。     

活动断裂的变形特征及其大地震复发周期的估算

活动断裂是晚更新世10~12万年以来一直在活动, 现在正在活动, 未来一定时期内仍会发生活动的各类断裂。活动断裂控制着大地震的发生,是不同类型地震的发震构造。从活动断裂的变形特征来看,不同性质的活动断裂具有不同的发震构造模型,研究这些问题对认识强震的发震条件,划分潜在的震源区或地震危险区,评估发震构造和发震地点具有重要的意义。基于国内外对不同类型活动断裂的认识,结合近10年来在青藏高原地区对活动断裂的研究,总结了活动断裂的基本变形特征和对大地震复发周期估算的认识。研究表明,东昆仑断裂库塞湖段类似2001年Ms 8.1级大地震的强震复发周期为250～350年,阿尔金断裂康西瓦段类似Ms 7.4大地震的强震复发周期为370～500年,而在青藏高原东缘的龙门山地区,类似2008年5月12日Ms 8.0汶川大地震的强震复发周期为3000～6000年。这些结果可能暗示着走滑断裂大地震的复发周期远短于逆冲断裂大地震的长复发周期,这是值得高度重视和深入研究的新课题。     

活动断裂的变形特征及其大地震复发周期的估算

活动断裂是晚更新世10~12万年以来一直在活动, 现在正在活动, 未来一定时期内仍会发生活动的各类断裂。活动断裂控制着大地震的发生,是不同类型地震的发震构造。从活动断裂的变形特征来看,不同性质的活动断裂具有不同的发震构造模型,研究这些问题对认识强震的发震条件,划分潜在的震源区或地震危险区,评估发震构造和发震地点具有重要的意义。基于国内外对不同类型活动断裂的认识,结合近10年来在青藏高原地区对活动断裂的研究,总结了活动断裂的基本变形特征和对大地震复发周期估算的认识。研究表明,东昆仑断裂库塞湖段类似2001年Ms 8.1级大地震的强震复发周期为250～350年,阿尔金断裂康西瓦段类似Ms 7.4大地震的强震复发周期为370～500年,而在青藏高原东缘的龙门山地区,类似2008年5月12日Ms 8.0汶川大地震的强震复发周期为3000～6000年。这些结果可能暗示着走滑断裂大地震的复发周期远短于逆冲断裂大地震的长复发周期,这是值得高度重视和深入研究的新课题。     

刚度和阻尼频率相关的等效线性化方法

在实际工程中发现,在强地震动作用下等效线性化方法低估了地表地震动的峰值加速度反应。通过与场地效应竖向台阵观测记录的对比分析证实了这一现象,其主要原因是等效剪应变水平的取值高于高频段实际剪应变水平,从而抑制了土层地震反应中的高频成份。若干分析表明,动力反应过程中土体的剪应变是随频率而变化的,且试验表明土体的刚度和阻尼是与剪应变相关的,据此假设土体刚度和阻尼是与频率相关的。基于这一假设,对传统等效剪应变的选取如何使得土层对基底地震动输入中的高频成分产生滤波效应的原理进行探讨,且通过频率相关的等效线性化方法对该原理进行证明。将该方法应用于Port Island场地效应竖向台阵的分析,并与实际地震动记录进行了对比,结果表明,较之传统等效线性化方法,能更加合理地考虑地震动输入中的高频成分。     

基于修正阻尼的土体非线性模型及其在Abaqus中的实现

地震等随机循环荷载作用时,常需定义较为复杂的加卸载准则(如扩展Masing准则)来描述土体应力-应变滞回曲线,导致求解过程中需预留大量的状态变量,不便于编程实现;同时,现有Masing模型及其改进模型大多仅对动剪切模量曲线进行拟合,还鲜有考虑对阻尼比曲线的拟合。针对以上两个问题,构建了基于修正阻尼的不规则加卸载准则。该准则克服了上大圈准则需要记忆所有转向点的问题,只需要记忆当前转向点和历史最值,记忆量大大减小;同时该准则能同时考虑动剪切模量和阻尼比曲线,达到了修正阻尼比的目的。基于Matasovic骨架曲线,结合提出的加卸载准则,提出了土体非线性模型并将其开发于Abaqus软件中,通过求解Mississippi湾场地地震反应,并与Deepsoil软件和Davidenkov-Chen-Zhao(DCZ)模型计算得到的场地地震反应结果进行对比分析,验证了所提不规则加卸载准则的正确性。同时,对日本KiK-net强震台网的KSRH10场地进行了地震反应分析,并与加速度时程记录及其谱加速度进行比较,验证了所提模型的适用性。     

场地地震安全性评价中确定设计地震动参数若干问题研究

本文研究确定设计地震动参数中涉及的若干问题,其中包括基岩水平加速度反应谱衰减关系的选择、震源深度对基岩水平加速度峰值及基岩反应谱曲线的影响、强度包络线函数及输入随机相位的选择、土体非线性特性参数和土层剪切波速值的选择、设计地震动反应谱的标定等问题。本文基于一个典型场地计算剖面,采用一维等效线性化模型并通过逐项变换某些研究参数的方法,研究了各种因素对设计地震动参数可能产生的影响及存在的误差和相应的规律。     

关于抗震设计场地反应分析客观性的一些探讨

在工程抗震设计领域,以SHAKE为工具的场地反应分析已得到广泛应用。场地反应分析简单、易行,然而要得到准确、可靠的分析成果仍需要长期的经验积累和相当的技巧。其中需特别注意的是：场地反应分析所需要的各土层参数均具有相当大的不确定性。这些不确定因素主要来自于：初始剪切模量G0（或最大剪切模量Gmax）、剪切模量衰减曲线、阻尼曲线以及可能存在的软弱土层。对于大型基建工程,场地反应分析的成果对于整个工程的安全、经济性都有重大影响;因此,针对其不确定性应该进行严谨地论证,并在工程设计中充分考虑。建议对各主要参数进行敏感度分析,并将结果综合起来以形成一套理性、可靠的场地反应分析方法。     

跨孔电磁波层析处理中阻尼系数的确定与应用

代数重建技术ART(Algebra Reconstruction Technology)是一种层析处理数学方法,具有计算速度快、图形简洁直观等优点,被应用于电磁波CT方法的数据处理中。但该处理方法易发散,结果难以控制,因此它的敛散性成为提高其应用的主要问题。这里通过在ART算法中加入阻尼系数的做法保证了迭代的收敛,并对阻尼系数的取值范围进行了探讨,成功地用于电磁波数据处理中。     

Determining Rayleigh damping parameters of soils for finite element analysis

Soil damping ratio is an important parameter for modelling the dynamic behaviour of soil embankment structures, especially for the micro‐vibration analysis of hospitals and high‐tech industries, which have a very severe construction requirement for vibration. This paper explores using a least‐squares method to evaluate the Rayleigh damping parameters for the finite element analysis of wave propagation in soils. The least‐squares method was first used in Bornitz's equation to calculate the absorption coefficients of soils. Afterward, the best‐fit Rayleigh damping parameters were obtained using those coefficients in the least‐squares scheme again. Both three‐dimensional finite element analyses and field experiments were performed to validate the accuracy of this method. The comparison between experimental and finite element results demonstrates that the accuracy of this least‐squares method is acceptable. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于改进相移法的煤田地震瑞利波资料处理

相移法是一种常用的提取瑞利波频散曲线的方法,然而在复杂波场条件下,相移法计算的频谱中瑞利波频散能量分辨率较差,使得频散曲线的准确性降低。本文对相移法进行改进,将频散谱上各点的振幅值进行求幂运算,以提高频散能量的收敛性与聚焦性。我们利用改进的相移法对理论地层模型的模拟数据和某研究区的煤田地震实际数据进行处理,将处理结果与常规相移法生成的频散谱对比分析,并对实际资料的频散曲线进行反演,生成研究区地层的二维(2D)横波速度剖面。研究结果表明改进的相移法能够增强瑞利波信号在频率—速度域中的信噪比,提高频散能量谱的分辨率和频散曲线的准确性。     

基于数据挖掘的土−水特征曲线演化规律研究

土−水特征曲线是非饱和土持水性能和水气运移规律的重要表征,由于其测试过程繁杂、影响因素众多,很难通过系列试验和数学模型全面表达。为探索土的类型和物理状态对土−水特征曲线的影响,以国内外大量试验数据为基础,以反映其形态的3个特征值（进气值、减湿率、残余含水率）为对象,采用数据分析统计方法揭示不同赋存条件对特征值的作用规律,采用机器学习方法探究影响因素的敏感性。研究结果表明：土体的物质组成（颗粒级配、粒径尺度、塑性指数）及赋存状态（密实程度、饱和含水率、干湿循环作用、环境温度）是影响其持水性能的常见分析指标,各影响因素对3个特征值的影响特征既有巨大差异也有相互联系,敏感性成果表明代表黏粒含量的塑性指数和反映密实程度的干密度是影响土体持水性能的最主导因素,给出的特征值分布范围考虑了两个主导因素的影响,具有较强的代表性和借鉴意义。     

全吸力范围内土-水特征曲线的快速测定方法

传统的宽（全）吸力范围内的土-水特征曲线（SWCC）测量方法动辄耗时数月。为了更好地使非饱和土力学理论指导工程实践,SWCC的快速测定显得尤为关键。为开发宽（全）吸力范围内SWCC的快速测定方法,联合压力板法、并行滤纸法、露点水势仪法进行了两种不同土体的宽吸力范围内SWCC的测定试验。试验结果表明：（1）并行滤纸法与串行滤纸法的试验结果能较好地吻合,故可采用并行滤纸法代替串行滤纸法以缩短测量时间;（2）当测量的试验数据满足SWCC的大致形状时（或满足工程设计需求时）,可适当减少试验数量,以提高测定效率,联合测定方法测量一条完整的SWCC仅需要10～12个点即可完成;（3）联合测定方法可将SWCC测量时间由数月缩短至7～10 d。所提出的联合测定方法实现了宽（全）吸力范围内SWCC的快速、精准测定,有望使得SWCC的测量成为常规的土工试验。     

测定非饱和土土-水特征曲线的溢出水校正称量法

在利用压力板仪测定非饱和土的土-水特征曲线时,常用的取样称量法、溢出水称量法分别存在实测试样质量与实际试样质量不相等、实测排水量与实际排水量不相等等问题,从而造成试验结果失真。为此,溢出水校正称量法被引入用来消除取样称量法及溢出水称量法中存在的问题。通过取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的对比研究发现,在同一基质吸力作用下,由取样称量法、溢出水称量法确定的试样饱和度均小于由溢出水校正称量法确定的试样饱和度,并对该现象进行了解释。随后,对取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的适用范围进行了探讨。     

瞬态瑞雷波法在堤防防渗墙质量检测中的应用研究

针对目前堤防防渗墙质量检测内容和检测方法的不足,利用瞬态瑞雷波法对堤防防渗墙质量检测进行了分析研究,得出了套井回填粘土防渗墙各测点瑞雷波频散曲线及反演分析结果,给出了套井回填粘土防渗墙墙体内部缺陷及施工深度。通过与现场钻孔取样室内土工试验资料进行对比分析,得出了瑞雷波波速与介质干密度的相关关系,为堤防防渗墙工程的质量的控制提供了一种快速有效的检测方法。     

基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究

根据数字图像制备分析技术得到大孔隙数目、大小和形状等特征数据,用分形理论计算孔隙分形维数,并对两类不同质地土壤的孔隙分形维数进行分析比较,应用基于孔隙分形维数的大孔隙分形模型,建立了土壤水分特征曲线和非饱和导水率的预测模型。结果表明,孔隙分形维数D_v可定量描述不同质地土壤结构,其模型预测精度优于颗粒大小分布估计的分形模型,可用于实际问题的研究。