岩土工程抗震理论及应用

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1、1岩土工程抗震理论及应用岩土工程（Geotechnical Engineering） 上世纪 70-80 年代：以工程地质学、土力学、岩石力学及地基基础工程学为理论基础，以 解决和处理在建设过程中出现的所有与岩体和土体有关的工程技术问题的专业学科。2000：“Geotechnical Engineering is the application of the sciences of soil mechanics and rock mechanics, Engineering geology and other related discipline to civil engineering co

2、nstruction, the extractive industries and preservation and enhancement of the environment” 两个新名词：Environment Geotechnical EngineeringGeotechnical Earthquake Engineering目 录引言第一章 绪论第二章 土的动力计算模型第三章 波在土体中的传播第四章 土体对地震动的反应分析第五章 土对地震应力作用的反应第六章 饱和砂土液化判别和危害性分析第七章 地震引起的土体永久变形第八章 土体与结构动力相互作用第九章 土动力学和岩土地震工程研究展望

3、2引 言各种动荷载下土的力学性能、地基和土工结构物性状分析方法及在工程设计中的应用 的一门工程力学。 二、内容 土木工程中的岩土工程动力问题 材料，边坡等。工力所研究室中的骨干室之一。1 “土”的解释(对象) 土的传播媒质，地基，土工构筑物 (1)土层、场地 (2)地基基础、基础工程 (3) 土工结构物材料：挡土(水)墙，码头，岸堤，土坝 (4) 天然边坡 2 “动力”的解释(荷载) 荷载类型：车辆、机械振动、爆炸 3 “学”的解释(内容) (1) 强度、稳定性 (2) 变形 (3) 分析方法和应用 风浪、地震 土动力学与地震工程的关系 所里的主导科研方向：地震工程 土木工程的安全(结构、堤、

4、坝、岸坡等)首先取决于地基基础的安全 土体反应对土木工程的安全影响很大地基破坏和失效的震害实例四、学科特点 1土介质的特点 (1) 非线性 (2) 多变性、局部性 (3) 多相性，水、土粒、空气(4) 粘结差、稳定性差、抗剪强度低(5) 剪胀性2反应与荷载类型的密切相关性 3半经验、半理论学科 理论分析+工程经验(实验十调查) 工程判断 五、国际土动力学与岩土地震工程研究的开展土动力学：60 年代开始成为土力学独立分支国际著名刊物：土动力学与地震工程(SDEE) ，1982 年创刊EESD：EarthqEngngStructDynamics3ASCE：JGeotechnical Enginee

5、ring Division(GT)JSoil Mechanics and Foundation Division(ASME) SSMFE：Soil and Foundation岩土地震工程：Geotechnical Earthquake Engineering 1995 年，东 京，第一届国际岩土地震工程学术会议 1999 年，里斯本，第二届国际岩土地震工程学术会议 2004 年，Berkeley，第三届国际岩土地震工程学术会议38 个国家的 463 篇论文，经严格评审后共收录了 245 篇论文，包含在 13 个专题内 岩土地震工程与土动力学： Geotechnical Earthquake

6、Engineering and Soil Dynamics 1981 年，美国，第一届岩土地震工程和土动力学新进展国际会议 1991 年，美国，第二届岩土地震工程和土动力学新进展国际会议 1995 年，美国，第三届岩土地震工程和土动力学新进展国际会议 土工抗震为历次世界地震工程大会的主要专题之一 2000 年，新西兰，第十二届世界地震会议(12WCEE) 第五专题，岩土工程(Geotechnical Engineering) 191 篇论文，约占整个大会论文的七分之一六、我国土动力学和岩土地震工程研究的开展 中国振动工程学会土动力学专业委员会(全国土动力学学会) 667 名会员，2000 年专

7、业学组设置： (1) 土的动力特性 (2) 土构筑物与地基抗震 (3) 动力基础 (4) 原位测试技术 1980 年，第一届全国土动力学会议，76 篇论文1998 年，第五届全国土动力学会议，108 篇论文 2002 年，第六届全国土动力学会议，?篇论文 中国土木工程学会土力学与岩土工程专业委员会七、地震工程的简单知识(补充)第一章 绪 论1.1 动荷载及其性能特点4动荷载的三大要素：(1)峰值； (2)频率特性； (3)持时 按幅值变化和往返次数分类，以区别不同的反应1. 一次冲击型荷载 2.2往返作用次数大的疲劳荷载3有限往返作用次数的随机荷载 地震荷载 冲击型地震荷载 往返型地震荷载4荷

8、载分类的意义速率效应疲劳效应 两种效应的综合1.2 在动荷载下土的力学状态土骨架间联接力差较低应力立平就可能产生非线性：易出现剪切破坏。土的受力水平的定量表示应力：缺点为相同应力可能对应不同变形大小：应变：考虑了土的类别剪应变 土的状态：很低：小变形， 10-3，破坏，流动 地震下：小变+中等变形+大变形，以弹塑性为主1.3 地震下土体的双重作用1土体的传播媒介作用 场地土作为波的传播媒介，影响地震动的特征 (1)放大作用 (2)滤波作用 (3)共振效应 (4)隔震效应 (5)烈度异常52土体对结构的持力作用地基土作为结构的持力层和土工构筑物的材料引起的地基失效问题地基破坏现象：地表沉降、裂缝

9、、下沉、喷砂冒水、滑移、上浮结构的某些裂缝、倾斜 地基失效原因： (1) 砂土液化 (2) 粘土震动沉陷 (3) 地基不均匀沉降 3两类震害的区分传播媒介振动破坏惯性力等超过结构材料强度结构问题地基持力地基失效地基大变形或稳定性丧失地基问题1.4 地震下土体的反应及两类土的划分一、土对地震荷载的反应1变形2孔隙水压力二、两类土的划分划分的依据：孔压和变形的发展1反应明显的土，孔压上升快，应变明显，松、中密砂，含粘粒量小于 14的粉土，淤泥 2反应不明显的土，变形发展慢，饱水密砂，碎石土，老粘土，干砂 3划分意义抗震性能的差别，第一类土易丧失稳定性和产生大的变形，第二类 上则保持稳定性和小变形

10、1.5 地震工程中的土动力学课题 课题主要来自两方面：场地反应 地基基础和土工结构物的反应第二章土的动力计算模型描述本构关系，动力参数根据：平衡条件，变形协调，物理条件，边界条件工程上实用的三个模型：线性粘弹性模型，弹塑性模型粘弹模型2.1 线性粘弹性模型6滞回曲线（hysteresis） 主干线 弹性：弹性力与应变成正比, e=Ee 粘性：粘性力与应变速率成正比, c=cc 外力0sint 基本方程 弹性元件 粘性元件 弹性、粘性统一考虑稳定解 能量耗损系数：一周内能量的耗损与最大弹性能之比=2c/E粘弹性模型的复模量表示 在复平面内，定义实轴为弹性元件承力，虚轴为粘性元件承力 定义复模量

11、表明应力与应变成比例，大小与弹性恢复力成正比，相位与变形速度相位 相同2.2 线性粘弹性单质点体系的振动自由振动方程对数衰减率=1/2lnun/un+1=/4强迫振动 半对数宽度比=(1-2)/0阻尼比=半对数宽度比=(1-2)/03212.3 弹塑性模型塑性变形的机制，符合地震荷载下土的表现 关键如何规定：主干线，骨架曲线，后继曲线 一、双线性模型 分段描述，三参数模型7二、双曲线模型(应用较广) 1主干线拟合 2卸荷、反向加荷曲线拟合 主干线平移放大原则 原点平移到 1 点； 退荷切线模量与初始加荷的最大切线模量相同 与主干线在 3 点相交，点 1 与点 3 是对称点 3参数 Gmax、r

12、的确定 可由试验确定三、弹塑性模型的一般说明 1主干线的确定 代数方程式及参数的物理意义 2后继曲线的形成 Massing 准则： 后继曲线与主干线具有相同的方程，但参数不同 退荷点的斜率与原点初始加荷点斜率相同； 在往返荷载对称情况下，卸荷点坐标为 1 、1 ，则卸荷反向加荷曲线 与主干线相交于-1、-1。 Massing 准则的附加条件(针对不等幅荷载情况) 后继曲线一旦与主干线相交，则偏离原曲线而沿主干线移动： 后继曲线与以前的同方向后继曲线相交后，偏离原曲线，而沿与它相交的前面的后继曲线移动。 为了去掉 Massing 准则附加条件数学处理的不方便，提出了 Pyke 模型 3Pyke

13、模型 ，修正参考应变,卸荷点的 G 仍为 Gmax,由的应力限制条件求 nrrnrr达到了 Massing 准则同样的目的2.4 等价线性化模型目前，弹塑性模型较多用于一维分析，二维、三维不太实际 实用计算模型：近似考虑土的非线性，减少计算量 一、理论依据 认为土具有粘性性质，模量和阻尼的模拟可以满足 3 点土的非线性特性 滞回曲线的面积与实际相似，即耗能大致相同。 滞回曲线的大小随着应变幅值的变化与实际相似，即随着应变幅值的增大滞回圈面积增 大。 滞回曲线的斜度随着应变幅值的变化与实际相似即随着应变幅值的增大滞回圈斜度变缓。8 原点平移到 1 点； 退荷切线模量与初始加荷的最大切线模量相同

14、与主干线在 3 点相交，点 1 与点 3 是对称点“等价”的含义 若不对滞回曲线的形状拟合做严格要求，即对一个指定的动力过程，不对整个反应过程模 拟，只要求最终结果基本一致，总可以找到一个G ,使得最终计算结果一致。二、优点 计算量少； 计算量少的原因：G， 随受力水平而变，在每个计算过程中，G， 不 变； 可以模拟土的非线性特性，最终力、加速度等结果大体一致；三、缺点 粘性只代表耗能，塑性性质没有考虑； 过程描述不出来，不适于时程分析； 大变形不能描述四、步骤 迭代法2.5 等价非线性粘弹性模型中参数的确定主要由经验和实验方法确定 前一种由实验结果总结而来，后一种适用于重大工程Gmax， G

15、/Gmax ，一、实验仪器和应变范围 (1)共振柱试验仪 10-510-3 (2)扭剪试验仪 5105510-2 (3)简切试验仪 104510-29(4)三轴剪切试验仪 510-4 510-2二、经验方法 试验表明：应力幅值与应变幅值成双曲线关系(Hardin)三、试验方法步骤：(1)制备和安装土样；(2)施加静荷载并完成固结；(3)固结完成后，不排水条件下逐级施加往返荷载，记录应力、应变孔压时 程。四、典型土的结果 1. 砂土 2. 粘性土Gmax 确定(1)seed 公式（1970）(2)Hardin 公式（1969）与土类、有效平均主应力有关54.0max)1(66.01crkGG土层特性对地表反应谱的影响的比较Gmax 和 G/Gmax 非线现象：场地中非线性性质 3%的差别和土软硬程度 42%的差别引起的地表反应谱的差别是基本一样的。 性5 . 00maxmax)(7 .21aappkG5 . 002max1973. 21230eeOCRGk 10第三章 波在土体中的传播和土层反应分析第三章 波在土体中的传播3.1 波在土柱中的传播和共振柱原理波动方程 共振柱原理3.2 土体中的波无限土体，半无限土体，无旋波，等容波，面波，波的反射与折射3.3 土动力学参数的现场测定原理方法 1地震波法 2面波法 3孔中逐层检测法第四