岩土工程抗震研究进展

《岩土工程进展专题》文献综述题目：岩土工程抗震研究进展姓名：专业：学号：2017年12月10日2岩土工程抗震研究进展摘要：地震是一种全球性的、具有瞬时突发性的自然现象。其在全球范围内造成的灾害是巨大的。但是从世界范围来说，地震预报是一个非常复杂的科学问题，目前我们对地震孕育发生的物理机理和错综复杂的前兆现象的认识还非常肤浅，基本上处于经验性认识阶段。所以目前我们还无法准确预测地震的发生。因此，研究构筑物的地震动力反应特性、合理地进行构筑物抗震设防已是减轻地震灾害有效、可行的方法之一。本文简要介绍与总结了目前岩土工程的抗震研究手段与计算指标，以为开展进一步的研究做好准备。关键词：岩土工程；抗震；理论分析；实验研究；永久变形；动土压力1.绪论地震是一种全球性的、具有瞬时突发性的自然现象。从地震发生位置的地理环境上看，全球地震可分为海洋地震和大陆地震两大类，其中海洋地震约占85%，大陆地震约占15%。但由于大陆是全球人类主要的聚居地，因此，地球上的地震灾害绝大部分来自大陆地震。地震在全球范围内造成的灾害是巨大的。1994年美国洛杉矶发生6.7级地震，死1340人，伤约1.5万人，直接经济损失200亿美元。1995年日本7.2级地震，导致6432人死亡，,43792人，直接经济损失830亿美元；1999年土耳其伊兹米特发生7.4级地震,死亡人数约1.7万人，受,2.64万人，直接经济损失达200亿美元；1999年台湾发生7.6级地震，造成死亡人2470多人，伤1.13万余人，直接经济损118亿美元；2003年伊朗巴姆,6.3级地震，造成4万余人死亡，2万余人受伤,2万余间房屋倒塌，伊朗具有,2500年历史的著名历史古迹巴姆古城遭到严重破坏。最近几年，全球范围内高强度地震频发,2010年1月12日海地7.3级地震，预计死亡人数达20万；2010年2月27日，智利发生,8.8级特大地震，导致死亡人数达到了3750多人。我国是大陆地震最多的国家之一，我国的地震活动具有频率高、强度大、震源浅、分布范围广、伤亡严重等特点[1]。自公元前1177年至公元1969年，除资料不确切外，共发生震级M≥5.0级地震2097次(部分数据为史料推断)；1970年至2007年底，中国含边界附近共发生震级M≥5.0地震约4500余次。自有史料记载以来，我国发生震级M≥8.0的特大地震已有18次。在我国的国土面积上，7度以上的高烈度区覆盖了一半的国土，其中包括23个省会城市和三分之二的百万以上人口大城市。我国目前居住在农村的8亿人口中，6.5亿人居住在地震高烈度区[2]。另一方面，我国作为发展中国家，人口稠密，且建筑物抗震能力低，我国的地震灾害可谓全球之最。据不完全统计，20世纪全球因地震而死亡的人数为110万人，其中我国就,55万人之多,占全球的50%。20世纪后半叶以来，我国地震死亡人数占同期我国所有自然灾害死亡人数,50%。进入21世纪后，也就,2008年5月12日，我国四川省汶川县发生里氏级8.0特大地震，全国受灾总面积50万平方公里，其中极重灾区、重灾区面积13万平方公里，受灾群4625万多人，造成69227人遇难17923人失踪，37万多人受伤，直接经济损失8451亿元。这也是我国建国以来规模最大、受灾面积最广、伤亡最为惨重的一次地震。如果能实现地震预报，防患于未然，人民的生命财产安全则能得到很大的保障。但是从世界范围来说，地震预报是一个非常复杂的科学问题，目前我们对地震孕育发生的物理机理和错综复杂的前兆现象的认识还非常肤浅，基本上处于经验性认识阶段。因此，作为地球科学的前沿课题，地震预报仍然是当前世界性的科学难题。我国的地震预报，是1966年以邢台地震为起源，在全国范围内逐步发展起来的。我国目前的地震预报水平状况大体可以这样概括：我国对地震孕育发生的原理、规律有所认识，但还没有完全认识能够对某些类型的地震作出一定程度的预报，但还不能预报所有的地震；作出较大时间尺度的中长期预报己有一4定的可信度，但短期预报的成功率还相对较低。在巨大的地震灾害面前，加之地震预报的局限性，修正己有抗震设计方法、经济合理地进行构筑物抗震设防显得十分必要。地震灾害的综合调查报告表明，破坏性地震造成的人员伤亡和经济财产损失主要是由于建筑物的倒塌、损毁等因素造成的。在汉川地震中，建筑物抗震设防的不足或不达标也是造成巨大生命财产损失的一大“元凶”。目前,研究构筑物的地震动力反应特性、合理地进行构筑物抗震设防已是减轻地震灾害有效、可行的方法之一。2.岩土抗震研究手段2.1.理论研究岩土构筑物的抗震分析方法经历了从拟静力法到土体仿真地震分析方法，从总应力法到考虑土的液化和软化的有效应力法,从线性分析方法到非线性以及弹塑性分析方法，从确定性分析到考虑随机地震的非确定性分析，从一维问题到二维、三维岩土构筑物抗震分析的发展历程[3]。而关于岩土构筑物的地震响应分析手段概括起来主要有三大类：(1)剪切条分法：通过弹性介质的剪切振动微分方程和边界条件,求出岩土结构的地震反应；(2)集中质量法把岩土结构看成由若干个集中质量组成的体系,用动力学的方法求出地震反应；(3)数值分析方法。(1)剪切条分法剪切条分法法最早是由Mononobe和Takata[4]在进行土坝地震动力响应计算分析时提出来的。一维粘弹性剪切条分法可得到土体地震反应的闭合解,对其进行参数研究是很方便的，因此在过去几十年里受到了一些学者和工程师的欢迎[5]。尽管如此，剪切条分法既没有考虑边界变化、土料不同等情况，也不能得到同一水平截面上不同部位的动力响应[5]。因此，有许多学者对剪切条分法作了补充和完善，主要包括：(1)非均质土层构筑物地震反应的剪切条分模型[6,7]；(2)考虑横向和竖向激励土工构筑体地震反应分析模型[8]；(3)基于多维5边界条件,能用于分析复杂形状的动力响应剪切条分模[9,10]；(4)考虑土体一结构相互作用的动力响应分析模[11]；(5)将剪切条法与土的非线性动力分析技术相结合的岩土构筑物非线性地震动力响应分析方法[12]；(6)构筑物随机振的剪切条分模型[13]；(7)考虑多相介质藕合的地震响应分析模型[14]。(2)集中质量法集中质量法就是将剪切振动的土柱质量集中到若干个点上,然后按多质点体系进行反应分析[15]。Seed[16]首先采用集中质量法研究了水平层状场地的地震响应问题，并采用振型分析法求解系统的运动方程。Martin和Seed[17]和基于集中质量法的“MASH”程序对垂直入射剪切波的水平层状场地响应进行了非线性分析。文献[18]提到等为了Idriss研究土层分层数对求解精度的影响，把集中质量法按不同分层情况的求解结果同剪切梁法作了比较，得到了分层数与精度的关系。邓亚虹[19]在集中质量法的基础上发展了基于一致质量矩阵的一致质量法，分析了土层剪切模量分布、土层层厚分布以及覆盖层总厚度对场地自振频率的影响。(3)数值计算方法通常数值计算方法可以考虑复杂地形、土的非线性、非均质性、弹塑性及土中孔隙水等诸多因素的影响，并能深入分析土的动力特性及土体各部分的动力反应，因此数值分析法已经成为动力分析中最重要的分析方法。目前，国内外对岩土构筑物抗震分析常采用的数值分析方法有有限元法、有限差分法等。以这些方法为手段，很多计算软件已经被开发应用，并趋于成熟。有限元法Clough和Chopra[20]首先将有限元法应用于土石坝地震动力响应分析。采用有限元法分析坝体的地震动力响应时，初期曾采用线粘弹性模型表示土的应力应变关系，用振型迭加法求解动力方程。后来，引入了非线性粘弹性模型和弹塑性模型，这些本构模型与有限元法6相结合，发展了弹性分析方法、等效线性分析方法、真非线性分析方法以及弹塑性动力特性分析方法等[21]。等价线性分析法是目前进行土体动力分析最为广泛的方法之一。等价线性分析法将土视为粘弹性体，采用等效剪切模量和等效阻尼比来反映土的动应力应变关系的非线性和滞后性，并通过土工试验获得剪切模量和等效粘性阻尼比随动应变幅的变化表达式，然后通过多次线性计算，反复迭代，使等效参数与剪应变水平相协调，由此获得近似的非线性解答。这种方法具有概念明确、应用方便等优点，但不能反映土体的变形累计。沈珠江[22]指出，一个完整的等效粘弹性模型应当包括平均剪切模量、阻尼比、残余剪应变、残余体积应变等计算公式，这样的粘弹性理论既能用于振动孔隙水压力的增长、消散计算及液化分析，同时也能够估算土体的地震变形。因此，一些学者将等效粘弹性本构模型与振动孔隙水压力增长模式和残余应变计算模式相结合来计算振动孔隙水压力和地震永久变形。另一类与等价线性分析法同时发展起来的方法为真非线性分析方法。它直接采用描述土在不同加载条件下的应力应变关系对动力方程进行逐步数值积分求解，且在每一增量过程中依靠某种迭代格式取得符合规定加载路径的“真实”应力与变形状态。由于真非线性分析方法能反映土在循环或瞬时荷载作用下的动态响应而受到了很大的关注[23,24]。而沈珠江[25]则认为，对于土体性质完全取决于剪切模量的无体积变形材料，真非线性理论无疑比等价粘弹性理论更为合理，但对于体积变形有决定意义的砂土液化变形问题，真非线性理论是否优于等价粘弹性理论就值得讨论。当土体应变量级达到10−4时，土体将处于弹塑性状态，此时地震反应分析若能采用土体弹塑性本构模型的有限元动力分析方法，在理论上是更为合理的。文献[3]指出王志良曾将基于低塑性边界面理论而建立的弹塑性模型同有限元程序结合，对一个一维问题进行了地震反应分析。日本港湾所Iai[26]等将多重剪切机构塑性模型结合动力有限元程序，计算了日7本神户、路冲等大地震中遭受破坏的港工结构物，计算结果与震后实测情况吻合得很好。而在国内，这方面的研究工作还处于初始阶段。另一方面，有限元动力分析一个很重要的问题在于如何将土体结构无限边界处理成有限边界问题,这一处理的好坏直接影响计算的精度。目前采用的边界条件主要有一致边界[27]、透射边界[28]、粘弹性边界[29]、旁轴边界[30]、Smith边界[31]、Higdon边界[32]等。有限差分法目前在岩土工程领域具有代表性的有限差分程序为美国ITASCA咨询公司推出的商业化软件FLAC/FLAC3D。FLAC/FLAC3D采用显式差分法求解微分方程。对于显式法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的区别，根据已知应变增量，可以很方便求得应力增量并跟踪系统的演化过程。在处理大变形问题时，由于每一时步变形很小，因此可采用小变形本构关系，将各时步的变形叠加得到大变形，这也就避免了推导并应用大变形本构关系遇到的麻烦。另外，即使在模拟静力系统，也采用动态运动方程进行求解，可以很好的模拟物理上不稳定过程[33]。正是由于上述优点,在岩土工程领域得到了广泛的应用,并己有不少学者将其应用于边坡[34]、坝体[35]、墩基和桩基[36]、地下结构[37]以及考虑土体-结构相互作用的地震反映分析当中[38]。2.2.实验研究模型试验具有直观性，可以在很短时间内再现实际需要几年或几十年时间观测的结果，为实际工程提供重要的参考价值。因此，在一些国家的设计规范中，明确规定了要以模型试验作为论证设计方案或提供设计参数的手段[39]。目前，岩土构筑物地震反应特性研究的试验手段主要有振动台模型试验和离心模型试验等。(1)振动台实验振动台模型试验相似关系设计和边界条件模拟是能否实现试验室真实重演构筑物地震8破坏现象的重要内容。模型试验相似设计的理论依据为相似三大定理。在相似设计中，通常考察包括几何条件、物理条件、边界条件、初始条件等单值条件的物理量，建立起物理量的相似准则，根据相似第三定理，如果相似准则在数值上相等，则现象相似[40]。在岩土构筑物振动台模型试验相似设计中，不仅需要考虑重力场问题，还需要考虑土体动力非线性等因素，相似设计也更为复杂。由于振动台模型试验难以模拟ng重力场,根据相似关系的推导,对于岩土构筑物缩尺试验需要研制高容重、低粘聚力、低弹模、低强度的土体相似材料。关于相似材料