非饱和土自由场地地震地面运动的解析分析

摘要

我国位于世界两大地震活动带之间，据史料记载，几乎各省都曾发生过破坏性地震。随着我国经济建设的迅速发展，更多大型建设项目开始不断出现。为保证这些建设项目在地震作用下的安全性，必须研究自由场地地震响应问题。目前对于自由场地运动的研究大多是将场地简化为单相或两相饱和状态下进行研究，而实际上我们自然环境中的介质大多数是处于非饱和状态的，即介质孔隙中存在气体。因此对含有三相非饱和孔隙介质的自由场地地震地面运动的解析分析显得尤为重要，目前，对非饱和土自由场地中波动问题的研究还不够成熟，关于非饱和弹性孔隙介质场地的波动问题的相关研究亟待展开。
　　本文首先介绍了线弹性变形条件下的三相非饱和孔隙介质波动方程，通过对波动方程中的矢量进行Helmholtz分解，采用Fourier变换求解方程，得到在非饱和孔隙介质中存在三种压缩波和一种剪切波。并分析了不同场地弹性常量下非饱和孔隙介质中产生的四种体波的传播特性受非饱和孔隙介质饱和度的影响情况。
　　在研究非饱和孔隙介质波动特征的基础上，建立非饱和土自由场地模型，分别对平面P波和SV波入射情况下场地中的波场进行分析，根据场地边界条件，求解波场中的待定系数，从而得到平面P波和SV波入射情况下非饱和土自由场地地震地面运动的解析解。根据解析解，计算分析了饱和度、入射角度、入射波频率、土层刚度、孔隙率等因素对非饱和土自由场地地震地面运动的影响，得到以下结论:(1)随入射角度的增加，饱和度的变化对位移放大系数的影响在最大值附近时相对较大;(2)非饱和状态下自由场地共振频率相同，达到饱和状态时发生变化;(3)随土层刚度的减小，饱和度的改变对各振幅比和位移放大系数的影响逐渐增加;(4)随土层孔隙率的增加，饱和度的改变对位移放大系数的影响逐渐增加;(5)随着非饱和土层深度的增加，水平位移放大系数并不是呈现出单一变化趋势的;(6)当自由场地模型中均匀非饱和土层的厚度趋于无穷时，场地交界面处的位移放大系数发生一定的改变。由于在四种不同体波中P1波和S波传播速度较快且衰减速度较慢，因此本文主要考虑这两种体波的变化特性。可以看出由于孔隙中气相的存在，非饱和自由场地中不同体波的传播特性发生了显著的变化。
　　本文给出了平面P波和SV波入射下非饱和土自由场地地震地面运动的解析解答，得到了非饱和土自由场地地震地面运动的一般规律和结论。为复杂场地地震地面运动提供合理的解释，为复杂场地地区大型结构的抗震设计提供技术支持。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 场地模型的研究

1．2．2 土中波传播问题

1．3 主要研究内容

1．4 主要研究方案

1．5 技术路线图

2 非饱和孔隙介质中的弹性体波

2．1 引言

2．2 土介质波动理论

2．2．1 单相介质波动理论

2．2．2 饱和弹性孔隙介质波动理论

2．2．3 非饱和弹性孔隙介质波动理论

2．3 非饱和孔隙介质波动方程的解

2．4 非饱和孔隙介质中的波动特性

2．5 本章小结

3 P波入射下非饱和土自由场地地震地面运动

3．1 引言

3．2 非饱和土自由场地模型

3．3 波场分析

3．4 边界条件的引入

3．4．1 应力位移条件

3．4．2 边界条件

3．5 自由场地表位移

3．6 自由场地地震地面运动

3．6．1 不同入射角下饱和度对自由场地震地面运动的影响

3．6．2 不同相对频率下饱和度对自由场地震地面运动的影响

3．6．3 土层刚度变化时饱和度对自由场地震地面运动的影响

3．6．4 土层孔隙率变化时饱和度对自由场地震地面运动的影响

3．6．5 非饱和自由场地震不同深度处的运动情况

3．6．6 与半无限基岩层和半无限均匀非饱和土层模型的对比讨论

3．7 小结

4 SV波入射下非饱和土自由场地地震地面运动

4．1 引言

4．2 非饱和土自由场地模型

4．3 波场分析

4．4 边界条件的引入

4．4．1 应力位移条件

4．4．2 边界条件

4．5 自由场地表位移

4．6 自由场地震地面运动

4．6．1 不同入射角下饱和度对自由场地震地面运动的影响

4．6．2 不同相对频率下饱和度对自由场地震地面运动的影响

4．6．3 土层刚度变化时饱和度对自由场地震地面运动的影响

4．6．4 土层孔隙率变化时饱和度对自由场地震地面运动的影响

4．6．5 非饱和自由场地震不同深度处的运动情况

4．6．6 与弹性介质和非饱和孔隙介质分界面模型的对比讨论

4．7 小结

5 结论

5．1 本文主要结论

5．1．1 非饱和孔隙介质中体波的传播特性

5．1．2 P波入射下场地的地震地面运动

5．1．3 SV波入射下场地的地震地面运动

5．2 未来工作展望

参考文献

附录

作者简介

学位论文数据集