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1、防灾科技学院毕业论文题 目软夹层对地表地震动参数的影响学生姓名李凯学号115021132防灾工程系错误!未指定书签。错误！未系别指定书签。错误！未专业勘查技术与工程指定书签。班级115021132开题时间2015年3月10日答辩时间2015年5月30日指导教师张宇东职称讲师防灾科技学院毕业论文软夹层对地表地震动参数的影响作者：李凯指导教师：张宇东摘要本文以n类in类两种工程场地为原型，分别对软夹层的厚度和埋深对软土场地地震效应的影响进行了数值分析。利用程序对构造剖面、不同的输入地震波时程及不同的峰值加速度 水平，进行了场地地震反应分析，分析软夹层对地震动峰值加速度的影响、峰值速度，反应 谱最大
2、值以及反应谱最大值所对应的周期的影响、特征周期的影响等。|关键词：软夹层；地表地震动；土层计算樓型；场地地震反应；地震动输入；Motion Parameters soft interlayer on surface groundCan didate： Li kaiSupervisor： Zhang yudongAbstract:In this paper, two project site for the prototype, thickness and depth of the impact of soft soil site seismic effect of soft sandwich
3、on numerical analysis. Use program for differe nt con figurati ons profiles of differe nt process and a differe nt level of the in put peak accelerati on of seismic waves, seismic resp onse an alysis con ducted to explore the soft in terlayer on the impact of peak ground accelerati on resp onse spec
4、trum maximum, and the resp on sespectrum corresp onding to the maximum the impact of the cycle, the impact of other features cycle.Keywords： soft in terlayer； the surface ground moti on ;soil model; seismic resp on se; seismic in put.目录1、引言11.1研究状况以及研究意义 11.2存在的问题 11.3本文研究内容 12、一维土层地震反应分析方法 22.1 一维场
5、地力学模型简介 22.2 一维土层地震反应线性化计算程序（RSLEIBM简介 53、数据的选取63.1地震动输入 63.2场地钻孔资料 84、模型计算104.1软夹层厚度关系计算 模型1-3 104.2软夹层埋深关系计算模型4-6 125、计算结果与分析 135.1 U类场地计算结果及分析 145.2川类场地计算结果及分析 186、结论23致谢24参考文献 251、引言1.1研究状况以及研究意义我国作为一个地震多发国家，地震灾害很容易导致大量的人员伤亡， 并且严 重破坏人类的生存环境。然而现阶段关于短期地震预报仍旧没有突破性的进步， 所以人们的重视更多的转向土层结构对地震地表运动的影响，并在此
6、方面进行了诸多研究。深厚软弱的沉积层多是江河下游地区或沿海地区，由于形成年代与成因类型的差异，各土层的动力特性也表现出明显的不均匀性， 层状构造较为显著， 且软夹层的存在现象也较为普遍。软夹层所处土层位置和厚度的不同都可能对场 地地表地震动产生影响。在与场地条件有关的典型震害中可以发现， 场地中与软 土相关的结构对场地震动有较为直接的影响。软土是在一定的地质条件下，具有 成因特性和局域性分布特征的一类特种土。它具有含水量高、孔隙比大、强度低等特点，具有流变性和结构性等特征。1.2存在的问题工程中常见的土体一般为较长的地质历史时期期间，经由复杂的地质作用 从而形成的以层状土层排列的土体。因其地质
7、动力作用及其环境成因不同，各个 土层的动力特性有明显的差异性。 大量的地震观测结果表明，土体中软土层的存 在对场地反应有着显著的影响。软土层对地震动的影响取决于软夹层本身的厚 度、软夹层的埋置深度等。但是，在我国及其他国家的结构抗震设计规范中，一 般都未考虑土层结构对场地反应的影响效果。因此，在建筑抗震设计中，如遇到存在此类含有软夹层的场地时，设计人员按照现行建筑抗震设计规范进行的设 计，并不能正确的反映真实场地反应对建筑的影响作用。1.3本文研究内容本文的主要工作即是研究土层结构中软夹层厚度及埋深对地表地震动反应 的影响作用。选取天然地震动 EI波改造成的50gal, 100gal, 200
8、gal时的地震动 为基岩输入地震动，分别选取U、川类场地作为研究软夹层厚度和埋深的土层反 应模型，将不同厚度或埋深位置的软土层替代原有土层，组合出一定数量的工况模型。在上述条件下，应用程序分别计算上述各种土层分布条件下， 在不同的输入 地震动下的场地条件。再对所得的大量计算结果进行数据处理及分析， 分别观察 场地地震反应随土层的厚度及埋深的改变而变化的情况， 进而得出软夹层对场地 地震反应的影响规律。2、一维土层地震反应分析方法2.1 一维场地力学模型简介土体的地震反应分析即为对地震动作用下场地中各点的位移、速度、加速度及应力、应变等反应量的求解，是场地设计地震动参数的确定和抗震设计中的重 要
9、组成部分。分析过程中的两个关键点是建立场地力学模型和选择合适的动力学 参数。U2(0)z巴，已“h1FUa(0)P2,卩2,h21Ui(O)地表面Un(0)JzUn+(0)PUhn| n，卜 nJnn+1NHU0)pN 二，hN A，NUn(O)IT入射剪切波图2.1 土层地震反应分析的一维力学模型其中，场地力学模型分为三种，分别是一维场地模型、二维场地模型和三维 场地模型。如图2.1所示，一维场地模型假定土层沿两个水平方向均匀无变化， 仅沿竖向有变化且层内无变化。当一些局部范围内场地条件较为均匀简单时， 可 以将场地介质模型简化为成层土层模型，此模型即属于一维场地模型。一维场地 地震反应分析
10、方法虽然有其局限性， 但是对于局部范围内地面、土层界面及基岩 界面比较平坦的场地来说，以此为模型进行土层的地震反应分析已能满足工程要 求。二维场地模型适用于局部范围内，地面、土层界面、基岩界面只在一个水平 方向上平坦的场地。而三维场地模型适用于在局部范围内，地面、土层界面、基 岩界面在两个方向均起伏较大的场地。在一维成层场地地震反应的分析方法中，在考虑了土体的非线性效应厚，出 现了等效线性化分析方法及直接时域非线性逐步积分方法。等效线性化土层地震 反应分析方法是一种间接考虑土体非线性特性的方法（Idriss etal.,1968廖振鹏 等，1989）,它是在频域线性波动分析方法的基础上利用非线
11、性动力方程的等效 线性化处理手段给出的。这一方法可以分成两部分，一是线性方程的频域波动求 解，二是土体非线性的等效线性化处理。这一方法尤其应用的范围、条件及其不 足之处。本质上讲，等效线性化方法仍属于线性计算方法，它只能从实践过程的 平均意义上粗略地体现土体的非线性影响，而不能反应土体的非线性物理过程。 另外，等效线性化方法还存在一个适用的条件，就是非线性程度较小。为了研究土体非线性的物理过程以及土体反应将进入大非线性范围等情况，直接非线性土层地震反应分析方法被提出并得到发展，这种方法的两个关键点即为土体非线性 应力-应变关系的给出及非线性动力方程的数值积分方法的选取。本文将采用一维场地模型，
12、利用等效线性化土层地震反应分析方法对选取的 两个典型剖面软夹层厚度变化时的地震反应进行分析，得到不同工况下的Amax、Vmax、Dmax、Tg及Schax，根据对以上数值的比较，得到软夹层厚度的变化对土 层地震反应结果的影响。2.1.1线弹性土层的稳态地震反应土层模型如图2.1所示。N1个土层覆盖在基岩均匀半无限空间之上，各覆盖层厚度、介质质量密度和剪切模量分别为hn，二n和n ,门=1, 2,，N -1 ,下卧基岩半空间的质量密度和剪切模量为和N。各层界面的编号已标示于图7.1.1中。采用局部坐标系并将Z轴的坐标原点设置在各层上界面，正方向垂直向下。设第N层(基岩半空间)的入射地震波位移(略
13、去时间因子expit，下 同)为(2.1.1)Un 二 En exp(ikNZ)其中，kN =Cn和Cn - . JN打分别为基岩的剪切波波数和波速。第n层 地震波位移的频域一般解可以表示成Un(z) -Enexp(iknZ) Fnexp(-iknZ)(2.1.2)其中，k-./Cn，Cn二n S，分别为第n层剪切波波数与波速，E.和F.分别为第n层介质内上行和下行波波幅系数。 求解这一波动问题的关键是传递矩 阵概念。所谓传递矩阵就是把任意两层的波幅系数联系起来的矩阵，它可由相邻两层的波幅系数之间的转换关系导出。 建立了传递矩阵之后，依据边界条件即可 求得问题的解答。2.1.2 线性滞回阻尼土
14、层的稳态地震反应当考虑线性滞回阻尼效应时，稳态地震反应可由线弹性土层的稳态解通过简 单替换求得。为此，仅需将第n层介质的剪切模量 换为n叮=(1 2dni)n(2.1.3)式中dn为第n层土介质的阻尼比。由于波速Cn二b订，波数k-. Cn , 亦可通过将Cn或kn分别换为Cn或kn获得，Cn -Cn . 1 2d：（1 dj）5（2.1.4）k：二心J 2d：（1，）心2.1.3 非线性土层暂态地震反应的等效线性化解法由于在非线性条件下叠加原理不成立，土层的非线性暂态地震反应不能利用 傅里叶变换通过叠加各个频率的稳态解求得。为了应用叠加原理必须引入新的假定，这就是等效线性化的假定。所谓等效线
15、性化就是在总体动力学效应大致相当 的意义上用一个等效的剪切模量7n及等效阻尼比dn去替换所有不同应变振幅下的S及dn。由于及n与应变振幅无关，整个问题化为线性问题。因此， 实际计算时，先假定每一土层内介质反应的初始等效动力剪切应变，利用上述方法进行反应计算，并计算出相应的土层内中点处介质的剪应变反应的最大值，而后取每一土层内层中点处介质反应的最大剪应变值乘以折减系数（常取0.65）的值作为该土层中介质的等效剪应变的计算值。比较计算所用等效剪切应变及计算所得等效剪切应变相对应的等效动力剪切模量和滞回阻尼比值，如果它们的相对误差都小于给定的允许误差（这里取0.05），则认为土体的非线性特性的考虑满 足了要求；否则，以最新计算所得等效剪切应变值取代初始等效剪切应变值，并重复上述计算过程，直到相对误差都小于允许误差为止。2.2 一维土层地震反应线性
