场地分析与剪切层法课件

12土动力学与土工抗震工程于玉贞清华大学水利水电工程系岩土工程研究所32-2：场地分析与剪切层法4基岩地基地震波土坝结构特性地基特性地震特性地基及土工结构物动力分析抗震措施安全评价2-2：场地分析与剪切层法5二、剪切层法一、场地分析地震动参数与场地条件场地类别场地分析方法基本方程等效线性化求解实例分析2-2：场地分析与剪切层法研究地基及其表面的地震动特性6放大系数β：对某一输入地震波，单自由度体系的动力反应谱加速度最大值与输入地震波最大加速度的比值影响系数α：对某一输入地震波，单自由度体系的动力反应最大惯性力与重力的比值一、场地分析1.地震动参数与场地条件2-2：场地分析与剪切层法实际应用中对地震动参数描述单自由度体系反应谱（以加速度为例）加速度反应谱SA：具有相同的阻尼比和不同自振频率的一系列单自由度体系在某一输入地震波作用下得到的最大反应加速度对自振周期的关系图SAT(s)0αT(s)0βT(s)0时程曲线：最大加速度、历时等7基岩地基地震波几何条件(H)物理特性(ρ)力学特性(G)基本周期：均匀单层土多层土2-2：场地分析与剪切层法一、场地分析1.地震动参数与场地条件αT(s)0地基的动力反应特性（传播、放大）基岩地震波的特性场地条件设计中应全面考虑地震波特性和场地条件场地条件综合指标地面振动影响系数反应谱8αmaxαT(s)00.1Tg5Tg6.0Tg－特征周期一、场地分析在设计反应谱曲线上，影响系数开始下降的周期特征周期与地震烈度区划和场地有关，近震较短且和基本周期呈正相关2-2：场地分析与剪切层法1.地震动参数与场地条件9一、场地分析2.场地类别等效剪切波速

vse（m/s）场地类别I类II类III类IV类

vse>500∞500≥vse>250<5m>5m250≥vse>140<3m3~50m>50m

vse≤140<3m3~15m15~80m>80m等效剪切波速:2-2：场地分析与剪切层法基本周期10一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法3.场地分析方法基岩地基地震波土坝规范法

简单但粗略数值法复杂但准确11中国地震动参数区划图包括：

a）中国地震动峰值加速度区划图；b）中国地震动反应谱特征周期区划图；c）地震动反应谱特征周期调整表。

(GB18306—2001)地震动参数区划图最新抗震规范采用参数：地震动峰值加速度、地震动反应谱特征周期一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法3.场地分析方法规范法12一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法3.场地分析方法规范法场地条件为平坦稳定的一般（中硬）场地13一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法3.场地分析方法规范法场地条件为平坦稳定的一般（中硬）场地14特征周期分区场地类型划分坚硬中硬中软软弱1区(近震区)0.250.350.450.652区(中远震区)

0.300.400.550.753区(远震区)

0.350.450.650.90中国地震动反应谱特征周期调整表

一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法3.场地分析方法规范法15地震动峰值加速度分区(g)＜0.050.050.10.150.20.3≥0.4地震基本烈度值＜ⅥⅥⅦⅦⅧⅧ≥Ⅸ地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表

一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法与既往设计方法的衔接：3.场地分析方法规范法16基岩地基地震波基岩地基地震波地震监测站A建设场地B一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法地震波A基岩地震波地震波B3.场地分析方法数值法17剪切层法振型叠加法有限单元法适用于水平成层地基或土工结构物；线性、等价线性适用于任意地基或土工结构物；线性、非线性一、场地分析2-2：场地分析与剪切层法基岩地基地震波地震监测站A建设场地B结构简化剪切层集中质量系有限单元求解区域时域：如逐步积分法频域：利用傅立叶变换振型：叠加法3.场地分析方法数值法18二、剪切层法一、场地分析场地条件对地基动力反应的影响场地类别场地分析方法基本方程及递推公式等效线性化求解实例分析2-2：场地分析与剪切层法19基本假定:1.基本方程及递推公式基岩地基地震水平成层地基垂直向上传播的SH波土体为粘弹性2-2：场地分析与剪切层法二、剪切层法基本参数:层厚h剪切模量G阻尼系数c或阻尼比λ密度ρ20一、剪切层法水平地基分层多自由度振动体系(MDOFSystem-MultiDegreeOfFreedomSystem)2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式12inn+1zozozo基岩地基21一、剪切层法水平位移用表示，则动力平衡方程为τ为剪应力，沿水平层均匀分布。2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式12inn+1zozozoGmc假定土体为Voigt体则本构关系为基本方程：22u的时程变化可通过傅立叶变换表示为各频率成分之和的形式，以上方程可在频域内求解（SHAKE程序），此时认为各频率ωs对应的位移均为稳态反应，即一、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式12inn+1zozozo幅值－反映随深度变化反映随时间变化为表示简便，推导过程中省略下标s采用如下表达式：

231.基本方程及递推公式向下传播G*为复剪切模量，表示地基材料的粘弹性性质。

2λG－复剪切模量的粘性部分φ－应力应变相角，G－复剪切模量的弹性部分二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法向上传播12inn+1zozozo两部分相对独立又相互影响24相邻两层(j,j+1)交界面上剪应力和位移的连续：可得确定Ej,Fj的递推公式为二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式12inn+1zozozo25令顶层表面处(z=0)的地震动振幅为U0，则U0=E1

+F1

又因此处的剪应力为零，故有按递推公式可由U0表示各土层的振幅值参数Ej、Fj（j=1,2,……,n+1）对基岩层，如Un+1可由地震记录定出，可得2.基本方程及递推公式二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法12inn+1zozozo26任一Uj（如Un+1）已知，而Ej、Fj又均为U0的函数，即可解出U0，从而得到各层的振幅值Uj对不同频率分量ω求得相应的幅值U(ω)后，利用Fourier反变换，即可求得时域的幅值为N为时间的分段数（ω的个数）二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式12inn+1zozozo272En+1En+1En+1+Fn+1二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式地震波输入方式28二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法1.基本方程及递推公式方程建立及求解步骤：动力平衡方程本构关系地基分层基本方程解答表示为各频率成分之和幅值表示为入射和反射两部分应力表达式边界条件递推公式某层为输入－已知求出全部的幅值傅立叶反变换求出位移等问题：该法仅适用于线性计算，而岩土材料具有非线性，特别是剪应变较大时具有强非线性29二、剪切层法一、场地分析场地条件对地基动力反应的影响场地类别场地分析方法概述基本方程等效线性化求解实例分析2-2：场地分析与剪切层法302.等效线性化求解二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法ΔE为DECFD的面积C31二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法2.等效线性化求解所需参数:GmaxG/Gmax~γλ~γ室内试验现场试验经验公式求取方法:32假定G(1),λ(1)常数计算（含应变时程）有效剪应变（γeff=0.65γmax）计算G(2),λ(2)开始(G(2),λ(2))≈(G(1),λ(1))?结束(G(2),λ(2))→(G(1),λ(1))等效线性化方法计算步骤YesNo二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法2.等效线性化求解33结果整理各层的反应时程曲线－位移、速度、加速度、应变、应力（总、E、F）各量沿深度分布曲线－等效剪应变、阻尼比、模量各层的加速度反应谱－各层反应加速度的SDOF体系的反应谱各层之间的放大特性－反应谱的放大系数二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法2.等效线性化求解34基于等效线性化的剪切层法计算步骤确定输入地震波地基分层并确定参数对地震波进行傅立叶变换等效线性化求解开始成果整理与场地分析结束二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法2.等效线性化求解35基于等效线性化的剪切层法评价优点：缺点：二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法2.等效线性化求解概念简单，容易编程计算应用40年，积累了丰富的经验只能应用于水平成层地基和SH波不能考虑孔压的影响不能考虑剪切模量和阻尼比随时程的变化36基于等效线性化的剪切层法程序简介－SHAKE族二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法2.等效线性化求解程序作者机构SHAKESchnabeletal.(1972）UCBerkeleySHAKE91Idress&Sun(1982)UCDavisSHAKE21Kagawa(1995)WayneStateUniv.DYNEQ吉田&末富(1995)佐藤工业(株)ProSHAKEEduProCivilSystemsInc.(1998)EduProCivilSystemsInc.EERABardetet.al.(2000)Univ.ofSouthernCalifornia37二、剪切层法一、场地分析场地条件对地基动力反应的影响场地类别场地分析方法基本方程等效线性化求解实例分析2-2：场地分析与剪切层法383.实例分析基岩粘土地震波Ip＝503.852.453.059.35单位：m二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法离心模型试验39G/Gmax,λ:IPGmax:NSPconcept

二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法3.实例分析（1）根据经验确定非线性参数：

40EffectofIP

onG/GmaxEffectofIPondampingratio

(Vucetic&Dobry)二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法3.实例分析（1）根据经验确定非线性参数：

41G/GmaxandλusedinthisstudyIP=50二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法3.实例分析（1）根据经验确定非线性参数：

42NormalizedSoilParameters(afterEganandEbeling1985)(1)(2)(3)(4)二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法3.实例分析（1）根据经验确定非线性参数：

43二、剪切层法2-2：场地分析与剪切层法3.实例分析（1）根据经验确定非线性参数：

K=13000kPan1=0.90n2=0.55