蘭州黃土的動(dòng)力特性及其場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng).pdf

1、中國(guó)是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國(guó)家，黃土高原地區(qū)是世界上最典型的黃土地貌分布區(qū)。由于大孔隙亞穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)烈的水敏感性使得黃土具有獨(dú)特的動(dòng)力性質(zhì)，表現(xiàn)出較高的地震易損性和震陷性。黃土地區(qū)歷史上發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)烈地震，引發(fā)了大量的地震滑坡、震陷和液化等黃土地震災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
　　場(chǎng)地條件是影響地震動(dòng)作用的重要因素之一。黃土地區(qū)常見(jiàn)的深埋厚層場(chǎng)地特征對(duì)地震動(dòng)長(zhǎng)周期分量會(huì)有顯著的放大效應(yīng)，倘若在降雨等因素的耦

2、合作用下，場(chǎng)地地震動(dòng)長(zhǎng)周期分量的放大效應(yīng)會(huì)更加明顯，這顯然對(duì)地表建筑物的抗震穩(wěn)定性是十分不利的。作為場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析必要的輸入?yún)?shù)，土的動(dòng)力特性一直是土動(dòng)力學(xué)與巖土地震工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。為了更全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)黃土的動(dòng)力特性，本文以蘭州地區(qū)黃土為研究對(duì)象，首先利用室內(nèi)共振柱試驗(yàn)測(cè)試了蘭州黃土的小應(yīng)變動(dòng)力特性，并和現(xiàn)場(chǎng)黃土剪切波速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，然后借助循環(huán)動(dòng)三軸儀得到了蘭州黃土的大應(yīng)變動(dòng)力特性，通過(guò)匯總整理共振柱和動(dòng)三軸

3、試驗(yàn)結(jié)果得出了不同情況下蘭州黃土從小到大更廣應(yīng)變范圍內(nèi)的動(dòng)力特性，最后將室內(nèi)試驗(yàn)成果應(yīng)用于典型黃土剖面的一維場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析中，重點(diǎn)探討了地表水下滲深度對(duì)地表地震動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)比討論了等效線性分析和非線性分析結(jié)果在不同計(jì)算工況下的異同，研究成果為更深入、科學(xué)的認(rèn)識(shí)黃土場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)特征提供了重要的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。
　　蘭州黃土小應(yīng)變動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果表明，黃土的初始動(dòng)剪切模量Gmax受含水量和圍壓的影響顯著，相反黃土的最

4、小阻尼比Dmin則對(duì)含水量不甚敏感，含水率和圍壓對(duì)黃土的動(dòng)剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ和阻尼比曲線D-γ的影響不容忽視。黃土的Gmax隨含水量的增大而不斷減小，在塑限（PL）附近，Gmax衰減速率最快；低圍壓下Gmax的水敏感性較弱，隨著圍壓的增大，Gmax的水敏感性越發(fā)明顯；黃土的Dmin隨含水量的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，但整體來(lái)看含水量對(duì)Dmin的影響比較有限；黃土的Gmax與圍壓σ'間滿足Hardin等提出的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，但

5、材料參數(shù)A和圍壓指數(shù)m分別隨含水量的增大呈冪函數(shù)形式增大和減??；在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中Dmin隨著圍壓的增大而線性減??；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)黃土的小應(yīng)變動(dòng)力特性影響很大，原狀黃土的Gmax和Dmin均大于重塑黃土的值，但隨著含水量的增大，原狀和重塑黃土動(dòng)力特性間的差距呈不斷減小趨勢(shì)；隨著圍壓和含水量的增大，蘭州黃土的動(dòng)剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ和阻尼比曲線D-γ的歸一化程度均越來(lái)越高；黃土的參考剪應(yīng)變?chǔ)?.85與圍壓間滿足線性相關(guān)關(guān)系，不同圍壓和

6、含水量下黃土的模量衰減曲線G/Gmax-γ/γ0.85可以進(jìn)行很好的歸一化。
　　蘭州黃土大應(yīng)變動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果表明，相比起濕黃土，干黃土的動(dòng)剪切模量G隨應(yīng)變的增大衰減的更快；不同圍壓下黃土G隨γ的增大呈指數(shù)形式衰減，黃土大應(yīng)變動(dòng)剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ也可以進(jìn)行歸一化處理；蘭州黃土大應(yīng)變阻尼比D隨含水量的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，隨圍壓的增大而不斷減??；當(dāng)含水量較高時(shí)(W>14.11％)，不同含水量下黃土阻尼比關(guān)系曲線D/

7、Dmax-γ可用冪函數(shù)進(jìn)行歸一化描述；含水量的增大也會(huì)使得原狀和重塑黃土的阻尼比互相的接近。
　　通過(guò)匯總整理蘭州黃土大、小應(yīng)變范圍內(nèi)動(dòng)力特性測(cè)試成果可知，不同含水量和圍壓下黃土廣應(yīng)變范圍內(nèi)的模量衰減關(guān)系G/Gmax-γ和阻尼比關(guān)系D-γ之間均存在較大的差異，因此在黃土場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析中考慮含水量和圍壓對(duì)黃土動(dòng)力特性的影響是必要的；不同試驗(yàn)狀態(tài)下黃土的動(dòng)剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ/γ0.5具有良好的歸一化特征，可以利用雙曲

8、線模型對(duì)該歸一化特征進(jìn)行描述；通過(guò)與前人研究成果對(duì)比可知，本文得到的黃土模量衰減關(guān)系G/Gmax-γ衰減的更早更快一些，而前人得到的黃土阻尼比關(guān)系D-γ則介于本文的研究成果之間。
　　利用現(xiàn)場(chǎng)剪切波速測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的黃土初始動(dòng)剪切模量Gmax與室內(nèi)共振柱試驗(yàn)得到的Gmax吻合的較好；與前人研究成果類似，蘭州黃土地區(qū)土層的剪切波速Vs與埋深H間也存在冪函數(shù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。
　　黃土場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果表明，采用考慮圍壓效

9、應(yīng)的黃土動(dòng)力本構(gòu)模型進(jìn)行場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析得到的地表峰值加速度PGA要明顯小于不考慮圍壓效應(yīng)的分析結(jié)果，暗示圍壓對(duì)于深埋黃土場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)的影響不容忽視；小震情況下等效線性和非線性兩種分析方法得到的場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度比較接近，但隨著地震震級(jí)的增大，等效線性分析得到的PGA要大于非線性分析得到的PGA；場(chǎng)地地表峰值加速度PGA均隨地表水下滲深度的增加而不斷減小，衰減速率先快后慢，說(shuō)明地下水下滲對(duì)黃土場(chǎng)地地震動(dòng)具有一定的減震作用；相比起基