含弱面巖體的地震動力響應分析及工程應用.pdf

1、地震作用下建、構(gòu)筑物的動力響應是動力分析和抗震設(shè)計的重要內(nèi)容，對地表結(jié)構(gòu)的動力響應無論從試驗、監(jiān)測、分析上都取得了長足的發(fā)展。但對巖體、尤其是弱面控制下巖體的動力響應無論是地震波的傳播機制還是分析方法都需要進一步完善。多數(shù)研究表明：巖體對地震荷載的動力響應是巖石與巖體弱面(斷層、節(jié)理、自由面)兩者響應的合成結(jié)果，而大部分的波衰減是由弱面效應造成的，且?guī)r體的總體行為主要由大尺度弱面控制。因而研究巖體弱面波動效應，恰當?shù)卦佻F(xiàn)斷層、節(jié)理、自由

2、面及其行為對于工程安全具有重要意義。本文從研究彈性波在不同類型弱面、自由面上的彈性波傳輸效應著手，以求解波動方程、數(shù)值模擬為手段，研究了受弱面控制巖體的動力響應，以及地震響應位移的非線性演化過程，最終進行巖體動穩(wěn)定性評價。論文的主要研究成果和研究工作歸納如下： (1)根據(jù)彈性波傳播的幾何射線理論，推導出地震波穿越巖層分界面、自由面、光滑分界面、線性節(jié)理面等巖體弱面時的波場分解及位移勢場、位移場、能量場、應力場的透反射性能。以此為

3、基礎(chǔ)，研究了線性節(jié)理面、充填節(jié)理面的雙重散射及透射性能，節(jié)理面非線性位移對彈性波傳播的影響，系統(tǒng)的研究了各類巖體弱面在地震波傳播中的散射及隔震性能。結(jié)果表明，雖然不同巖體弱面對地震波的散射原理不同，但地震波穿越弱面時均產(chǎn)生波場的分解，導致振幅衰減、振動強度降低，持續(xù)時間增加，與其它弱面不同，可滑動弱面(節(jié)理)的散射性能還與入射波的頻譜、界面上的非線性位移有密切關(guān)系。 (2)根據(jù)彈性波傳播中的透射波場，以離散單元法模擬節(jié)理面，采用

4、波場等效法研究了單條節(jié)理(有厚度)的剛度參數(shù)等效問題；推導出分布節(jié)理巖體對巖體彈性參數(shù)的改變，對地震波傳播中的各向異性衰減作用；從經(jīng)典彈塑性本構(gòu)模型出發(fā)，研究了地震波傳播中弱面產(chǎn)生非線性的原因，利用相空間重構(gòu)、分岔理論研究動力系統(tǒng)在動荷載作用下的非線性演化過程，發(fā)現(xiàn)地震誘導下巖體的演化具有結(jié)構(gòu)性，受不同結(jié)構(gòu)面控制的塊體演化路徑各不相同，非線性的演化過程具有混沌效應，動力系統(tǒng)中的鞍點存在且由系統(tǒng)本身決定，與動荷載的形式無關(guān)。 (3

5、)地震波傳播具有自由面效應，采用射線法重構(gòu)單自由面的波場，利用波場疊加推導出單自由面放大效應的射線理論解，并借助數(shù)值模擬研究了不同傾角雙自由面的共同影響。研究表明這些自由面均會產(chǎn)生振動放大效應和節(jié)律現(xiàn)象，其程度依賴于地震輸入的波形，頻譜；對地下洞室形成人工自由面的動力響應進行了系統(tǒng)的因素分析，并以彈性理論研究了抗震、隔震措施；結(jié)果表明：由于自由面的存在，自由面附近巖體的振動強度被放大，振動參量的動力特性被改變，若強度足夠大，地震波引起的

6、應力撓動散射會引起層裂現(xiàn)象，文中對任意波形入射引起層裂現(xiàn)象的條件進行了探討。 (4)采用信號頻譜分析技術(shù)，對地震波時程響應進行傅里葉變換、小波變換分析動力時程響應，分析、識別斷層、節(jié)理、自由面體系對地震動頻譜、幅值、持續(xù)時間的影響，實現(xiàn)了地震動力響應的頻帶分析，研究了受弱面效應和自由面效應影響下巖體的振動頻譜特征。采用Matlab語言編制了地震信號分析工具箱，將巖體．結(jié)構(gòu)面體系作為動力系統(tǒng)，根據(jù)質(zhì)點的強迫時程響應提取體系的自由振