基于动态离心模型试验和数值模拟的软土场地地震动特征研究

Abstract: Because of few strong ground motion records at soft soil site, the validity of ground motion parameters at soft soil site given by standard cannot be verified, which leads to potential risks of seismic design at soft soil site. In this project, the cooperative research method of dynamic centrifuge model test, soil dynamic test and numerical simulation are used to analyze the ground motion characters and determine the design parameters of ground motion. Through designing the homogeneous soft and hard soil site, the strong motion station is created by dynamic centrifuge shaking table test to obtain the whole acceleration records. Dynamic characteristics of soft soil in different depth are analyzed based on laboratory experiment. Several common soil constitutive relations are choosed to calculate nonlinear seismic response for in-situ site by time domain method, checkup the rationality and applicability of soil constitutive relations by comparing the results of experiments with numerical simulation. Based on soft soil layer construction characteristics, ground motion characteristics of soft soil is researched by using the constitutive relation which is fitted for the nonlinear characteristics of soft soil. The final aim is to provide the reasonable and scientific design parameters of ground motion for the soft soil site. It would provide the detailed data for calculation program, and the constitutive relations can be verified by test. The research results not only improve the scientific cognition on the seismic behavior and the seismic response at soft soil site, but also provide the scientific basis for code revised and the seismic design for soft soil sites.

当前已获取的强震动观测资料几乎没有软土覆盖的场地条件，因此无法对规范规定的软土场地地震动参数进行有效的验证，从而为软土场地抗震设计留下潜在的风险。针对这一问题，拟采用动态离心模型试验、土样动力学试验和数值模拟相结合的途径，研究软土场地的地震动特征，确定相应的设计地震动参数。设计典型的中硬和中软场地的动态离心模型试验，模拟强震台站，获取完整的加速度记录；采用室内试验研究原型场地不同深度土层的动力特性；选取常见的土层非线性滞回本构模型，计算原型场地的时域非线性地震响应，对比数值计算和模型试验的结果，验证动本构模型的合理性；归纳软土场地的土层结构特征，利用符合软土非线性特性的动本构模型，采用数值模拟方法系统研究软土场地的地震动特征，确定相应的设计地震动参数。成果将为验证软土动本构模型和计算程序提供翔实的数据，同时可深化对软土场地地震响应的科学认识，亦能为规范修订和软土场地抗震设计提供科学依据。

软土在动力作用下的非线性特征和地震动放大效应是地震工程界一直以来关注和研究的热点问题之一，由于当前已获取的强震动观测资料几乎没有软土覆盖的场地条件资料，使得软土场地地震反应分析结果无法用实际的强震记录进行检验，因此软土地区的抗震设计存在潜在的风险。针对近年来软土动力特征以及自由场地震反应分析存在的若干科学问题以及不确定性，通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段，围绕动荷载作用下软土的动力特性及动强度特征、地震作用下软土的非线性特征和表现行为、软土自由场的动态离心模型试验分析、离心模拟与数值模拟比较及其验证等四方面开展了理论分析和试验研究。揭示软土的动力学参数特征及在地震作用下的表现行为，合理地估计软土场地地震动效应问题，弥补由于强震动观测资料的缺失导致理论计算无法验证的这一现状，推动软土场地地震动效应这一领域的研究，为我国软土地区工程抗震设防提供参考。.在充分吸收总结前人已有成果的基础上，以天津地区滨海相软土为研究对象，围绕上述科学问题，开展的主要工作及研究创新如下：.1．开展了软土宏观动力特征及微观结构的室内试验研究，分析了软土的动力学特性、动强度特征以及微观孔隙的定量化结果。.2．开展典型软土和硬土自由场的大型土工离心机振动台试验，通过模拟强震台站，获取完整的加速度记录，围绕关键地震动参数进行数据分析，给出设定地震动的场地效应。.3．编制可嵌入多种非线性滞回本构模型的一维时域非线性地震反应分析程序，通过将离心模型还原至原型场地，开展了软土自由场非线性地震反应分析。.4．对动态离心模型试验与多种数值模拟结果进行了互为比较和相互验证，通过模拟强震台站的离心模型试验来验证选取动本构模型的合理性以及数值模拟方法的可行性。.本文的学术贡献和应用价值可为软土动力学研究提供了新的路径，对软土的动态离心模型试验提供了经验，给出的天津滨海软土的动力学参数对该地区工程抗震具有重要的应用价值。