考虑残余应变效应的海域软土时域积分方法及实验研究

At present, experimental and theoretical studies on dynamic property of soft soil for offshore engineering sites are still in primary stage. Existed time-domain integral methods can't describe remanent strain effect of soft soil well. Our research will promote a kind of Remanent Strain Potential Model which has been used in other research project to seabed soft soil which we will studied in detail. In order to determine the values of key parameters of the remanent strain potential relation corresponding to the test soil samples, dynamic triaxial compression tests for a group of test soil samples has been introduced. After that, using the soil constitutive relations, combined with time domain step by step numerical integral method and artificial transmitting boundary, a direct-domain integral method for seismic response analysis is proposed. This method is a kind of improvement for existed time-domain integral method. And then it will be used to conduct nonlinear seismic response of several typical offshore sites. Analysis of the variation of soft soil characteristics, combinations of thickness and location also will be conducted to get laws of surface ground motion parameters. This research project will offer a new access to determine design ground motions for soft offshore engineering sites. From this aspect, it not only has important theoretical significance, but also has a broad application prospect.

目前海域软弱土动力特性的实验和理论研究较少，已有的时域积分方法在土体应力应变关系环节较难考虑软弱土残余应变效应。本项目将一种已得到应用的土体残余应变势模型推广至海域软土，通过海域软土的室内动三轴实验确定符合其动力特性的残余应变势关系式中的关键参数值。随后，将该残余应变势模型与时域逐步积分方法和考虑计算基底能量透射效应的多次透射人工边界条件结合，给出考虑残余应变效应的海域软土土层时域积分方法，这一方法是对已有时域积分方法的一种改进。随后利用该方法对海域含厚软土层的典型工程场地开展土层地震反应分析，分析不同的软土特性、厚度和位置组合情况下海域软弱工程场地上地表地震动参数的变化规律。本项目的研究可为海域软弱场地设计地震动参数的确定提供新方法，不仅具有重要的理论意义，也具有广阔的工程应用前景。

针对目前海域软弱土动力特性的实验和理论研究较少，已有的时域积分方法在土体应力应变关系环节较难考虑软弱土残余应变效应的现状开展本项目研究。本项目首先在室内试验的基础上系统研究了海域土体剪切波速随深度的变化规律、动剪切模量比、阻尼比的统计规律及其不确定性对地表地震动参数的影响，在此基础上研究了海域软土适用的土体本构模型。其次，将一种已得到应用的土体残余应变势模型推广至海域软土，将该残余应变势模型与时域逐步积分方法和考虑计算基底能量透射效应的多次透射人工边界条件结合，给出考虑残余应变效应的海域软土土层时域积分方法，这一方法是对已有时域积分方法的一种改进。随后，通过海域软土的室内动三轴实验确定符合其动力特性的残余应变势关系式中的关键参数值。最后利用该方法对海域含厚软土层的典型工程场地开展土层地震反应分析，分析不同的软土特性、厚度和位置组合情况下海域软弱工程场地上地表地震动参数的变化规律。研究结论包括以下三个方面：一，与其他形式的回归模型对比， “幂函数+一次函数”形式的回归模型对海域土体剪切波速具有最好的拟合优度和良好的适用性，海域软弱表层土符合“应变软化”规律，Davidenkov模型能很好地拟合其G/Gmax-γ平均曲线，且该模型拟合效果优于Hardin-Drnevich模型。动剪模量比、阻尼比的不确定性对地表地震动参数的影响可用敏感度定量描述。二，基于动态骨架曲线的土层时域积分方法合理可行，适用于海域场地。结合双曲线型动态骨架曲线和非规则荷载下残余应变势的时域积分方法是一种显式求解方法，能有效考虑土体的残余应变效应。三，土体残余应变模型的关键参数主要受循环荷载强度、侧向固结压力、固结比的影响。本项目的研究为海域软弱场地设计地震动参数的确定提供了新方法，不仅具有重要的理论意义，也具有广阔的工程应用前景。