含弱面巖體的地震動(dòng)力響應(yīng)分析及工程應(yīng)用.pdf

1、地震作用下建、構(gòu)筑物的動(dòng)力響應(yīng)是動(dòng)力分析和抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，對(duì)地表結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)無(wú)論從試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、分析上都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但對(duì)巖體、尤其是弱面控制下巖體的動(dòng)力響應(yīng)無(wú)論是地震波的傳播機(jī)制還是分析方法都需要進(jìn)一步完善。多數(shù)研究表明：巖體對(duì)地震荷載的動(dòng)力響應(yīng)是巖石與巖體弱面(斷層、節(jié)理、自由面)兩者響應(yīng)的合成結(jié)果，而大部分的波衰減是由弱面效應(yīng)造成的，且?guī)r體的總體行為主要由大尺度弱面控制。因而研究巖體弱面波動(dòng)效應(yīng)，恰當(dāng)?shù)卦佻F(xiàn)斷層、節(jié)理、自由

2、面及其行為對(duì)于工程安全具有重要意義。本文從研究彈性波在不同類型弱面、自由面上的彈性波傳輸效應(yīng)著手，以求解波動(dòng)方程、數(shù)值模擬為手段，研究了受弱面控制巖體的動(dòng)力響應(yīng)，以及地震響應(yīng)位移的非線性演化過(guò)程，最終進(jìn)行巖體動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。論文的主要研究成果和研究工作歸納如下： (1)根據(jù)彈性波傳播的幾何射線理論，推導(dǎo)出地震波穿越巖層分界面、自由面、光滑分界面、線性節(jié)理面等巖體弱面時(shí)的波場(chǎng)分解及位移勢(shì)場(chǎng)、位移場(chǎng)、能量場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的透反射性能。以此為

3、基礎(chǔ)，研究了線性節(jié)理面、充填節(jié)理面的雙重散射及透射性能，節(jié)理面非線性位移對(duì)彈性波傳播的影響，系統(tǒng)的研究了各類巖體弱面在地震波傳播中的散射及隔震性能。結(jié)果表明，雖然不同巖體弱面對(duì)地震波的散射原理不同，但地震波穿越弱面時(shí)均產(chǎn)生波場(chǎng)的分解，導(dǎo)致振幅衰減、振動(dòng)強(qiáng)度降低，持續(xù)時(shí)間增加，與其它弱面不同，可滑動(dòng)弱面(節(jié)理)的散射性能還與入射波的頻譜、界面上的非線性位移有密切關(guān)系。 (2)根據(jù)彈性波傳播中的透射波場(chǎng)，以離散單元法模擬節(jié)理面，采用

4、波場(chǎng)等效法研究了單條節(jié)理(有厚度)的剛度參數(shù)等效問(wèn)題；推導(dǎo)出分布節(jié)理巖體對(duì)巖體彈性參數(shù)的改變，對(duì)地震波傳播中的各向異性衰減作用；從經(jīng)典彈塑性本構(gòu)模型出發(fā)，研究了地震波傳播中弱面產(chǎn)生非線性的原因，利用相空間重構(gòu)、分岔理論研究動(dòng)力系統(tǒng)在動(dòng)荷載作用下的非線性演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)地震誘導(dǎo)下巖體的演化具有結(jié)構(gòu)性，受不同結(jié)構(gòu)面控制的塊體演化路徑各不相同，非線性的演化過(guò)程具有混沌效應(yīng)，動(dòng)力系統(tǒng)中的鞍點(diǎn)存在且由系統(tǒng)本身決定，與動(dòng)荷載的形式無(wú)關(guān)。 (3

5、)地震波傳播具有自由面效應(yīng)，采用射線法重構(gòu)單自由面的波場(chǎng)，利用波場(chǎng)疊加推導(dǎo)出單自由面放大效應(yīng)的射線理論解，并借助數(shù)值模擬研究了不同傾角雙自由面的共同影響。研究表明這些自由面均會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)放大效應(yīng)和節(jié)律現(xiàn)象，其程度依賴于地震輸入的波形，頻譜；對(duì)地下洞室形成人工自由面的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的因素分析，并以彈性理論研究了抗震、隔震措施；結(jié)果表明：由于自由面的存在，自由面附近巖體的振動(dòng)強(qiáng)度被放大，振動(dòng)參量的動(dòng)力特性被改變，若強(qiáng)度足夠大，地震波引起的

6、應(yīng)力撓動(dòng)散射會(huì)引起層裂現(xiàn)象，文中對(duì)任意波形入射引起層裂現(xiàn)象的條件進(jìn)行了探討。 (4)采用信號(hào)頻譜分析技術(shù)，對(duì)地震波時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換、小波變換分析動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)，分析、識(shí)別斷層、節(jié)理、自由面體系對(duì)地震動(dòng)頻譜、幅值、持續(xù)時(shí)間的影響，實(shí)現(xiàn)了地震動(dòng)力響應(yīng)的頻帶分析，研究了受弱面效應(yīng)和自由面效應(yīng)影響下巖體的振動(dòng)頻譜特征。采用Matlab語(yǔ)言編制了地震信號(hào)分析工具箱，將巖體．結(jié)構(gòu)面體系作為動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)迫時(shí)程響應(yīng)提取體系的自由振