蘭州黃土的動力特性及其場地地震動反應(yīng).pdf

1、中國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，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)以及強烈的水敏感性使得黃土具有獨特的動力性質(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)生過多次強烈地震，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)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。
　　場地條件是影響地震動作用的重要因素之一。黃土地區(qū)常見的深埋厚層場地特征對地震動長周期分量會有顯著的放大效應(yīng)，倘若在降雨等因素的耦

2、合作用下，場地地震動長周期分量的放大效應(yīng)會更加明顯，這顯然對地表建筑物的抗震穩(wěn)定性是十分不利的。作為場地地震動反應(yīng)分析必要的輸入?yún)?shù)，土的動力特性一直是土動力學(xué)與巖土地震工程領(lǐng)域研究的重點。為了更全面、系統(tǒng)的認(rèn)識和評價黃土的動力特性，本文以蘭州地區(qū)黃土為研究對象，首先利用室內(nèi)共振柱試驗測試了蘭州黃土的小應(yīng)變動力特性，并和現(xiàn)場黃土剪切波速測試結(jié)果進行了對比分析，然后借助循環(huán)動三軸儀得到了蘭州黃土的大應(yīng)變動力特性，通過匯總整理共振柱和動三軸

3、試驗結(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)的動力特性，最后將室內(nèi)試驗成果應(yīng)用于典型黃土剖面的一維場地地震動反應(yīng)分析中，重點探討了地表水下滲深度對地表地震動參數(shù)的影響規(guī)律，對比討論了等效線性分析和非線性分析結(jié)果在不同計算工況下的異同，研究成果為更深入、科學(xué)的認(rèn)識黃土場地地震動反應(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)變動力特性測試結(jié)果表明，黃土的初始動剪切模量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則對含水量不甚敏感，含水率和圍壓對黃土的動剪切模量衰減曲線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，但整體來看含水量對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??；在雙對數(shù)坐標(biāo)系中Dmin隨著圍壓的增大而線性減小；結(jié)構(gòu)強度對黃土的小應(yīng)變動力特性影響很大，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，原狀和重塑黃土動力特性間的差距呈不斷減小趨勢；隨著圍壓和含水量的增大，蘭州黃土的動剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ和阻尼比曲線D-γ的歸一化程度均越來越高；黃土的參考剪應(yīng)變γ0.85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可以進行很好的歸一化。
　　蘭州黃土大應(yīng)變動力特性測試結(jié)果表明，相比起濕黃土，干黃土的動剪切模量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)變動剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ也可以進行歸一化處理；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，隨圍壓的增大而不斷減??；當(dāng)含水量較高時(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)進行歸一化描述；含水量的增大也會使得原狀和重塑黃土的阻尼比互相的接近。
　　通過匯總整理蘭州黃土大、小應(yīng)變范圍內(nèi)動力特性測試成果可知，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，因此在黃土場地地震動反應(yīng)分析中考慮含水量和圍壓對黃土動力特性的影響是必要的；不同試驗狀態(tài)下黃土的動剪切模量衰減曲線G/Gmax-γ/γ0.5具有良好的歸一化特征，可以利用雙曲

8、線模型對該歸一化特征進行描述；通過與前人研究成果對比可知，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)場剪切波速測試結(jié)果計算得到的黃土初始動剪切模量Gmax與室內(nèi)共振柱試驗得到的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)計經(jīng)驗關(guān)系。
　　黃土場地地震動反應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果表明，采用考慮圍壓效

9、應(yīng)的黃土動力本構(gòu)模型進行場地地震動反應(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，暗示圍壓對于深埋黃土場地地震動反應(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地地震動峰值加速度比較接近，但隨著地震震級的增大，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，說明地下水下滲對黃土場地地震動具有一定的減震作用；相比起基