多维和非线性的场地反应分析(Site Response Analysis)

1年前浏览531

1 引言

即将举行的Geo-Congress 2022会议(2022年3月20-23日北卡夏洛特Charlotte, North Carolina)，Jonathan D. Bray获得H. Bolton Seed奖【2022 Bolton Seed Lecture---Jonathan Bray[液化引起建筑物的沉降估算]】，他的演讲题目是"Evaluating the Effects of Liquefaction(评估液化的影响)"; 德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的Ellen Rathje(Ph.D., P.E., F.ASCE)获得Ralph B. Peck奖，她的演讲题目是"Site Response Analysis: Does it Work?(场地反应分析: 它是否有效?)"[Ellen Rathje papers.md]; Arthur Casagrande专业发展奖授予华盛顿大学(University of Washington)的Dr. Brett W. Maurer, 以表彰他在岩土地震工程教学和研究方面取得的成就，特别是对土液化危险的评估。无独有偶，这三个奖项都属于岩土地震工程两个彼此相关的研究领域---场地反应分析(Site Response Analysis)和液化分析(Liquefaction Analysis)。这个笔记简要回顾了前者。

2 场地反应分析

地震场地反应分析(Site Response Analysis)研究的是地震波从输入基岩通过场地土向地表的传播过程，估计场地因地震而产生的地面响应。自从SHAKE首创提出一维等效线性模型(Equivalent-Linear Model) 以来《Schnabel P, Seed HB, Lysmer J. (1972) Modification of Seismograph Records for Effects of Local Soil Conditions. Bulletin of the Seismological Society of America. 62 (6): 1649-1664.》，进化出许多更为先进的分析方法，其中一个方向是从1D到2D和3D的扩展，另一个方向是从等效线性到非线性的扩展。最近的一个非常好的总结可参考Dr. Idriss 2019年的Terzaghi讲座---Response of Soil Sites During Earthquakes【Idriss I.M. : 2019年太沙基讲座 (TL55): 岩土地震工程】

一维等效线性分析(1D)是工程中使用最为广泛的方法，适用于具有平行材料边界的平坦场地或缓坡场地。等效线性方法的原理是对于土剖面中的每一层土，假设剪切波从一个均匀的半空间通过水平层的土剖面向上传播，模型为粘弹性材料，在所有频率下都有恒定的阻尼比，通过减少剪切模量和阻尼曲线来近似土层的非线性应力-应变行为。有许多线性和非线性的一维场地反应分析计算机软件，除了原始的SHAKE之外，之后发展出SHAKE91，ShakeEdit，SHAKE2000，SHAKEVT，EduSHAKE，ProSHAKE，D-MOD，DeepSoil等。对于倾斜或不规则的地面(例如坚硬的或嵌入的结构)，或者墙体、隧道等问题不能使用一维分析，需要使用二维甚至三维分析。工程实践中最流行最可靠的分析程序是FLAC，它可以进行1D,2D和3D场地反应分析，其它一些基于有限元的数值程序，例如Plaxis, GTS NX, DIANA, Quake/W等也能进行简单的二维分析。参考：

Dynamic Modeling Considerations
Comparison of FLAC3D to SHAKE for a Layered, Linear-Elastic Soil Deposit
Comparison of FLAC3D to SHAKE for a Layered, Nonlinear-Elastic Soil Deposit

非线性模型可以通过使用先进的FLAC3D本构模型，CYSoil, CHSoil, Soft-Soil, NorSand, P2PSand, Finn等更准确地捕捉经历高应变场地，例如软土场地和液化场地的反应。而当土中的剪切应变较低时，例如地面运动较弱或场地土较硬，等效的线性模型也能得到相似的结果，从实践的角度来讲，在这种情形下不必使用非线性模型。根据问题的复杂性和重要性，线性模型和非线性模型都可以使用更高的维度2D或3D。

3 工程场地地震安全性评价

对于处在地震活动区域的工程场地，必须进行地震安全性评价。国内《工程场地地震安全性评价》(GB 17744-2005)推荐使用的是一维等效线性方法，场地典型土剪切模量和阻尼比的取值如下表所示。