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场地土体参数的非线性性质反演 闫晓荣1杨峻1李焯芬1 张百钊2 (1香港大学土木工程系香港；2香港特别行政区政府建筑署香港) 摘要 土体在强震过程中表现出明显的非线性，随着应变的增大，刚度退化，而阻尼增加。由于土样 扰动等因素，实验室土体参数的测定难以完全反映真实地震条件下的状况。因此通过实测记录进行反 演，考察土体的动力特性不失为一种有效途径。文中以神户地震中某一观测场地不同深度的水平加速 度记录为基础，将士体简化为一维剪切梁，反演出对应土层的应力应变时程。根据应力应变的滞回行 为可以识别出某一剪应变水平下对应的剪切模量及阻尼。在应变小于2×10H4时，分析结果与使用测井 技术实测之参数吻合较好，而在应变较大的情况下，土体的剪切模量有明显的下降趋势，阻尼反之。 反演得到的主震前的剪切模量值高于主震中之识别值。 关键词 非线性；参数反演；竖直测井记录；剪切模量；阻尼比 0引言 土是一类具有强非线性性质的工程材料，而在动力荷载作用下，这种现象更为突出。众多学 者进行了大量的实验来探讨各类土质的应力应变行为关系，见参考文献[1]。研究结果表明，在应 变较小的前提下，土体的非线性特性并不明显，而随着应变幅值的增大，剪切模量和阻尼比的变 化可观。实际地震观测中，如果地震动强度可以导致场地士体应变达到某一水平，则土体的响应 表现出非线性【2】。然而，由于土体扰动等因素，实验室与现场情况仍然存在差异，因此，直接通 过现场地震观测记录研究土体在大应变情况下的非线性反应便具有重要的现实意义。研究结果对 于验证及修正现有实验室的结论以及模拟土体地震响应是十分有益的。 对于某一处于地震情况下的场地，除了局部土体状况之外，土体是否表现出非线性还受到 诸多因素的制约，例如震源深度、震中距和传播路径等。强震中的不同深度的竖直测井现场记 录包含了丰富的局部场地与地震荷载的信息，为各方面研究提供有意义的数据资料：如Yang深 入分析了场地对竖向13J及横向【2J地震动的放大／衰减效应。利用竖直测井记录进行分析也是研究 土体非线性响应最理想的方法[21，因为相同的激励条件有效地消除了这些震源以及路径带来的 影响。 现有的参数反演方法无论从时域还是频域角剧4】都是将土体视为等效线弹性材料，最终给出 某一状态下的唯一参数，不能动态地反映非线性行为变化。此外，将参数识别的反演问题转化为 优化问题求解时，需要一系列迭代，思路虽然清晰但不够直观明了。本文的目的是以神户地震中 某一观测场地不同深度的水平加速度记录为例，介绍一种简便有效的识别场地非线性特性的时域 直接分析方法。 ··—‘350·-—— 1 场地条件以及竖直测井记录 本文研究的场地位于大阪湾的沿岸地区，距断层20km，最大水平加速度的方向为NW58。。 表l所示为土层剖面‘51，3个地震记录装置分别埋置在地表、地下24m及地下97m。按照加速度 井记录了1995年神户地震(‰=6．9)3个方向(南北，东西，竖直)的强震运动，仅以其东西 319．8Gal。 表1 土层剖面、竖直测井加速度计安装位置以及最大水平加速度嗍 深度／m 土质类型 剪切波速／(m／s)加速计深度／m 东西向加速度幅值／Gal 0～5 粉砂(SM) 120 0 506．6 5～12 粉土(M) 195 12～17 砂砾(G) 315 17～24 细砂(SF) 235 24 239．1 24～38 砂砾(G) 380 38～43 高塑限粘土(CH) 250 43～53 粉土(M) 325 53～61 高塑限粘土(CH) 200 61～75 高塑限粘土(CH) 350 75～93 高塑限粘土(cH) 305 93～100 高塑限粘土(CH) 490 97 319．8 注：分类按