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土动力学与岩土地震工程研究


土动力学与岩土地震工程研究专题

报告人:杜修力

主要内容
一、前言 二、历史回顾、现状和发展趋势 ? 土的动力特性和理论 ? 工程场地及岩土工程的动力反应、稳定分析及震害预 测 ? 动载作用下饱和土壤的液化 ? 土与结构动力相互作用 ? 岩土工程数值模拟方法 ? 室内试验与现场监测技术 ? 抗震设计理论和方法 ? 新理论、新方法、新技术在岩土地震工程中的应用 三、“十一· 五”战略目标和重点方向

1. 土的动力特性和理论
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⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹

土的动力特性研究
土的应力-应变关系 土的动力强度特性 土的动力刚度(变形)特性 土的动阻尼特性与能量耗散 动荷载作用下土中孔隙水压力的产生、发展与耗散 饱和砂土的动力液化

? 土的动力特性研究的主要内容

? 土的动力特性的研究手段
以室内试验研究为主,辅以一定的原型试验和震害分析

? 土的动力特性研究现有的发展水平
基础振动(小应变范围) 爆炸和冲击荷载(加荷速率和加荷时间) 周期性荷载

? 土的动力特性研究中存在的主要问题
非饱和土的动力特性 土在大应变范围(>1%)的动力特性 土在长期动力循环荷载作用下的动力特性

? 土的动力特性研究的发展趋势

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土的动力理论研究
⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ 土的动力强度理论 土的动力稳定性理论 土的动力本构理论 动荷载作用下的孔压模式 动荷载作用下饱和砂土的液化理论

? 土的动力理论研究所包含的主要内容

? 土的动力本构理论的研究手段
基于试验数据的理论分析和建模 (粘)弹塑性理论模型 热力学原理和能量耗散模型

? 土体动力本构模型研究进展
等效线性模型 粘弹性模 型 曼辛型非线性模型

土体动力本构 模型
多屈服面模型 弹塑性模 型

边界面模型
多机构模型

? 土体动力本构研究中存在的主要问题
对本构模型中的参数研究不足 工程实用化模型研究不够 模型的针对性(区域和土类等)不强 复杂应力路径情况的研究不深入 针对土体破坏后不稳定段变形的本构理论缺乏

? 土体动力本构研究的发展趋势
新的本构理论(不确定性、人工智能等)的研究 加强模型参数的测定和分析研究以及模型验证 长期循环荷载作用下的本构模型的研究 不规则荷载作用下的本构模型的研究 区域土、特殊土的本构模型的研究 考虑土体的结构性的本构模型的研究 以宏观和微观相结合的方式研究本构模型 结合具体工程的实用化本构模型的研究

2. 工程场地及岩土工程的动力反应、稳定分
析及震害预测
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工程场地及岩土工程的动力反应分析 分析模型
基于等价粘弹性模型的等效线性分析模型 基于(粘)弹塑性模型的真非线性分析模型

总应力地震反应分析模型
有效应力地震反应分析模型(分为排水和不排水两种) 单相介质模型

多相介质模型
确定性模型 非确定性模型

? 研究手段
连续介质和非连续介质力学的数值计算方法 模型试验(振动台试验和离心机模型试验) 原型观测

? 存在主要问题
模型尚需完善(本构、界面的处理、边界处理、多因素耦合等) 算法的适用性和效率 模型试验还存在一些理论上的问题 成果的评价以及数理模型与试验模型的比较研究

? 发展趋势
多耦合非线性有效应力动力分析理论和方法的研究 岩土工程损伤破坏全过程分析理论的研究 室内模型试验理论的研究

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地基及岩土结构的地震永久变形计算方法
滑动体位移分析法 整体变形分析法 真非线性分析法

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工程场地及岩土工程的动力稳定性分析方法 拟静力法 基于地震反应分析的动力法

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岩土工程抗震安全评价及震害预测
岩土工程非线性地震反应分析方法 基于地震永久变形的安全评价方法 岩土工程抗震稳定评价方法 多准则抗震安全评价方法(滑动破坏准则、永久变形破坏准则、

液化破坏准则以及断裂破坏准则等)
震害预测(人工智能、专家系统及新的信息处理技术)及防灾减 灾对策研究

3.动载作用下饱和土壤的液化
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土壤液化机理研究现状及发展趋势 Casagrande(1936) 临界孔隙比 Casagrande (1975) 稳态抗剪强度 Seed & Lee (1966) 初始液化 Martin等(1975)根据室内试验结果,研究了饱和 砂土孔隙水压力增长的机理 门福录(1980)把液化区分为水力液化与剪切液化 两种形式 Berrill J.B. & R.O. Davis(1985)、何广讷(1983、 1987)从能量的角度研究了砂土液化 汪闻韶(1993)把饱和液化土(砂土)的液化机理 归纳为循环活动性、流滑和砂沸三种类型

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土壤液化的判别和分析方法

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常用方法 经验法 动剪应力对比法 发展趋势 概率统计分析、随机振动理论和动力可靠性分析以及模糊数学理 论和人工神经网络、HHT技术等应用于地震液化的分析和判别中。 ? 两相介质理论的应用
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土壤液化的试验研究
循环三轴仪、循环单剪仪 振动台试验、离心机模型试验

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液化引起的大变形及其工程影响

? 土体液化后的传统分析方法
1)固体模型 2)流体模型 3)宾汉模型

? 液化后大变形对工程结构的影响评价
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爆炸冲击和波浪作用下的土壤液化问题

4.土与结构动力相互作用
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土与结构动力相互作用的研究方法
研究方法: 原型观测

模型试验
数理方法 数理方法:

整体法
子结构法 频域法

时域法
集总参数法

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存在的主要问题及发展趋势
人工边界的处理 土体与结构的材料非线性 土体与结构的接触非线性 损伤破坏和大变形 土壤液化、震陷、失稳后大变形对结构动力反应的影响 静、动组合作用分析模型 多相介质理论和方法的应用 不确定理论和方法的应用 常规炮航弹爆炸冲击作用下的地下工程抗爆问题

? 数理模型

? 模型试验
振动台试验 离心机模型试验 爆炸冲击模型试验

5. 岩土工程数值模拟方法
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连续介质力学方法 有限元法 有限差分法 边界元法 拉格郎日法 非连续介质力学方法 界面单元有限元法 刚体有限元法 块体理论 流形元法 离散元法 无单元法 DDA、LDDA 散粒体方法

6. 室内试验与现场监测技术
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岩土室内动力试验技术的发展
以动三轴、共振柱、单剪仪和扭转仪(中空)为代表 研究主要内容:土的动力特性、液化、震陷等 主要问题:测量精度不高、控制方式和测量对象受到限制 常规仪器的全面提升和一些新型设备(真三轴仪和离心机)逐渐被广泛 应用阶段 对土的受力状态模拟更加真实,自动化程度和精度更高。

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现场监测技术的发展
早期:十字剪切试验、静力触探、标准贯入试验 现在:孔压静力触探(CPTU) 、旁压试验(PMT)、扁铲侧胀试验(DMT)、 强震观测台网

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发展趋势
复杂化 、大型化 、自动化 、实验技术的提高

7. 抗震设计理论和方法
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抗震设计理论和方法的发展 安全设计
静态、拟静态、反应谱、时程分析

性态设计 岩土工程抗震设计的内容
场地影响、地基承载力、场地液化、震陷和边坡稳定以及特殊 岩土工程抗震设计

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抗震设计理论和方法研究中的相关问题
土体的大变形影响分析、场地影响 (失效问题)、安全监测 、 抗震措施

8. 新理论、新方法和新技术的应用
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新理论的发展及应用
不确定性理论(地震作用和介质参数) 新本构理论、新强度理论和稳定分析理论 耦合模型理论 复杂系统理论(临界自组织、分形等)

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新方法的发展及应用 新技术的发展及应用
人工智能 信息处理(HHT变换)技术 复合土和抗震加固新技术

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9.“十一.五”战略目标和重点方 向
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土的动力特性研究
1)非饱和土的动力特性研究 2)土在大应变范围内的动力特性研究

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土的动力反应分析理论和研究方法
1)岩土工程地震反应的多耦合非线性有效应 力动力分析理论和方法研究

2)岩土工程抗震理论的动力模型试验对 比验证

“十一.五”战略目标和重点方向 (续2) 岩土工程抗震理论的动力模型试验对比 验证 (1)动力离心模型试验设备与技术的研制 开发 (2)震害机理的动力离心试验研究 (3)抗震安全性评价理论与方法的动力离 心试验验证
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“十一.五”战略目标和重点方向 (续3) 岩土工程动力破损特征与地震灾害机理 研究 (1)岩土材料体结构的非线性地震反应及 动力损伤、破坏特征研究 (2)地震作用下的灾害机理研究
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“十一.五”战略目标和重点方向 (续4)
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岩土工程抗震安全性评价理论与震害预 测方法研究

(1)研究液化机理及其对结构地震破坏的影响 (2)非自由场地的地震反应分析 (3)完善和发展抗震稳定分析的动力法 (4)建立基于坝体残余变形的安全评价理论和 方法 (5)建立抗震安全性评价与震害预测的基本理 论和方法

“十一.五”战略目标和重点方向 (续5) 岩土工程抗震减灾对策研究 (1)研究各种抗震措施的针对性、可靠性、 经济性和作用机理 (2)提出合理的抗震加固方法和措施 (3)研究抗震减灾对策及建立相应的信息 系统。
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“十一.五”战略目标和重点方向 (续6)
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爆炸作用下场地和结构的动力反应及隔 震方法的研究 新数值模拟方法与常规方法的比较、新 方法的应用与优化

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