論構筑物抗震動力與地震動土壓力的特性

【摘要】我國位于世界兩大地震帶――亞歐地震帶與環太平洋之間，受印度板塊、太平洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。在我國，研究巖土構筑物抗震動力特性及地震動土壓力研究具有重要的意義。本文簡單的介紹了目前國內外巖土構筑物的反映特性和地震動土壓力的研究現狀，文章最后闡述了在巖土構筑物抗震和地震動土壓力進一步發展的方向，以供專業人士參考。

【關鍵詞】 巖土構筑物：地震反應；動土壓力：

1引言

地震是一種具有瞬時突發性的自然現象，總的來說，全球的地震可以分為兩大類：一類為海洋地震，另一類為大陸地震。其中，大陸地震占15%，海洋地震占85%。由于全球人類主要聚集在大陸，所以造成地球上災害絕大部分地震來自大陸地震，并且大陸地震造成的災害是巨大的。

在巨大的地震災害面前，經濟合理地進行構筑物的安全的設計是有必要的。地震災害的綜合調查顯示大多數的地震的災害主要是由建筑物的倒塌和毀壞等引起的。在建筑的設計過程中，抗震設計是一個非常重要的環節，合理地進行建筑物的抗震設計，研究構筑物的地震動力反映特性和地震動力壓力已經是減輕地震災害可行而有效的方案。

2巖土結構物的地震反應特性理論研究

2.1 巖土構筑物地震反應分析

關于巖土構筑物的地震反應分析的手段概括起來有三種方式，以下分別簡單的介紹。

a.剪切條分發：Mononobe和Takata（1936）在做土壩地震動力響應計算時提出來了剪切條分發。從剪切條分發提出來到現在不斷的完善和發展，一些學者和專家對剪切條分發進行了內容上的補充，主要有以下幾點：

（1）考慮橫向和豎向激勵木工構筑體地震反應分析模型

（2）非均質土層構筑物地震反應的剪切條分模型

（3）考慮多項介質耦合的地震響應分析模型

（4）構筑物隨機振動的剪切條分模型

（5）將剪切條分發與土的非線性動力分析技術相結合的巖土構筑物非線性地震動力響應分析方法

b.數值計算方法：應用數值計算方法的時候要考慮到地形的復雜性，彈塑性等諸多的因素，并且能夠深入地研究土的動力特性反應，所以數值計算方法已經成為分析計算中主要的方法。數值計算方法主要包括有限差分法，有限元法。隨著近代以來計算機技術的發展，有些計算方法已經開發出了軟件，使計算變得簡單，容易，下面簡單的介紹數值計算方法中的兩種：

（1）有限差分法：目前在巖土工程中應用最多的是有限差分法的程序為美國ITASCA咨詢公司推出的軟件——FLAC/FLAC3D，該軟件采用顯式差分法求解方程。一般對于顯式法來說，非線性本構關系與線性本構關系并無算法上的區別，根據已知應變增量，可以很方便求得應力增量并跟蹤系統的演化過程。

（2）有限元法：目前等價線性分析法是應用最廣泛的方法之一，該方法將巖土視為粘彈性體，通過木工實驗得到剪切模量和等效性阻尼比隨動應變幅的變化表達式，經過多次的線性的計算得到近似的答案。還有一種發展起來的方法有真非線性分析方法，該方法能夠直接的放映土在動荷載的情況下的動態響應而得到了很大的關注。

有限元動力分析有一個很重要的問題：如何將土體結構無限邊界處理成有限邊界問題，這一問題處理的好壞直接影響計算的精度。

c.集中質量法：集中法主要是將剪切的土柱的質量集中到幾個點上，按照多質點體系進行反應分析計算。

2.2振動孔壓規律

從上世紀60年代開始，就開始研究振動荷載作用下土體中孔隙水壓力上升的規律，到如今已經取得大量的成果。特別是近十幾年以來，有關振動孔壓規律國內外學者進行了大量有益的研究工作，發展到能夠考慮動孔隙水壓力的增長、產生、擴散和消散的綜合計算。1975年Ishihara等人提出了孔隙水壓力發展的有效應力路徑模式，該模式能夠清晰的反映砂土飽和由開始振動到最后初始液化的過程，有助于理解振動孔隙水壓力的起伏性。但是該模型不能很好的體現出動荷載作、孔隙水壓力起伏波動和砂土實際狀態交替的規律。

3 地震動土壓力研究

3.1 土的動應力應變關系

3.2土體地震永久變形

根據液化程度的大小將地震引起的永久變形分為三類：地震慣性力引起的變形，液化引起的變形以及液化后大變形，下面簡單的介紹三種變形。

a.地震慣性力引起的變形

地震慣性力引起的變形的計算方法有兩種：整體變形計算分析方法和滑動體變形計算分析方法。整體變形計算方法的基本的假定是將土的變形認為是連續的，計算的方法有以下的兩種：

（1）軟化模量法。該方法認為在地震應力作用下的靜剪切模量降低而引起了土體永久變形，采用兩次有限元計算，在該方法中地震永久變形等于地震引起的剪切模量的降低值所對應的靜應變與地震前靜應變二者直接的差值；

（2）等效結點力法。在該方法中，用等效代替的方法來計算地震力引起的變形，按照試驗確定的殘余變形與動應力關系的曲線，等效結點力所產生的附加變形就是地震永久變形。

b. 地震液化引起地震永久變形

在當前的土木工程中，分析液化引起的地震永久性的方法是有限單元方法和非線性本構模的聯合使用。這種方法計算結果比較符合現場的調查，但是對復雜的研究對象過于簡化，不能得出實際的計算結果。

c. 地震液化后引起地面大變形

計算液化引起的變形方法有：轉化模量法、抗剪強度降低和應變再硬化模型、最小勢能模型、粘滯性模型、有效應力本構模型等等。

4結語

巖土構筑物的抗震分析和地震動土壓力研究涉及的內容比較多，學科比較復雜，但在各國學者和專家的共同努力下已經取得了巨大的成果。近年以來變形設計標準的概念逐漸的得到了公認，有關的專業人士已經認識到將變形分析和地震反應與擬靜力穩定分析結合起來，為地基和構筑物的防震提供有效的設計方案。通過以上的分析，建議今后在以下幾個方面加強研究：（1）開展復雜應力路徑下土體動態特性的試驗研究；（2）將動力滲流與動力反應相耦合是更為合理的有效應力動力分析理論，完善動力數值分析方法；（3）地震時土與結構動力相互作用問題。

參考文獻

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