岩土的抗震分析方法和实例.ppt.ppt

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1、岩土的抗震分析方法和分析实例,2,目 录,1.抗震分析概要,2.抗震分析对象,3.韩国国内抗震分析及分析方法,4.液化分析方法,5.有效应力分析理论简介,6.抗震分析程序介绍,7.水压作用下的泄洪道稳定分析例题,8.港口工程抗震分析实例,9.抗震分析抗震分析建议,3,1.抗震分析简介,韩国抗震设计基准的基本概念,设计概念小震不坏中震可修大震不倒,考虑地区特性考虑基础所在地域的特性，决定场地地震加速度响应系数通过能反映现场特性的室内外试验，决定要输入的参数。地震I和II类区域要做液化判别设计地震等级为6.5,4,耐震设计基准研究(II)-建设交通部道路桥耐震设计基准港口及渔港设施的耐震设计标准书

2、 供水设施的耐震设计基准住宅公社土木结构物耐震设计指针土地公社小区构成设施的耐震研究城市铁路耐震设计主要设施耐震设计基准的重新整理废弃物埋设设施的耐震设计基准研究,韩国抗震设计基准,5,耐震性能目标,耐震设计性能基准 功能执行水准-发生设计地震时，产生的位移在容许范围以内或通过局部维修可继续使用 防止倒塌水准-容许有限的结构损坏，但是通过紧急维修象港口设施应能发挥使用功能-可使用比功能执行水准较低的安全度,6,耐震设计基准,设施的等级分类 耐震特级结构物 原子能设施、军事设施、广播设施等 耐震1级结构物-发生地震时因为结构破坏会引起很多生命和财产损失-对地震灾害恢复起重要作用的结构物-国防用结

3、构物 根据结构物所处的位置、战略性、用途主观决定，需要与设施管理机关协商 耐震2级结构物 一般结构基础物 对护岸墙、堤防等长度较长的结构不必全部设为耐震1级,7,韩国耐震基准概念,耐震性能目标,8,设计地基运动水准-区分地震区域以及各区域的区域系数(重现周期500年基准)江原道北部:洪川、铁原、和川、横星、平昌、羊口、仁济、古城、杨阳、春川、属草 江原道南部:永月、正船、三尺、江陵、东海、原州,太白 全南东北部:长城、淡阳、古城、区礼、长兴、步城、余川、和顺、光阳、罗洲、余水、顺川 全南西南部:武安、新安、丸岛、永光、真岛、海南、永安、强镇、古兴、咸平、木浦,韩国耐震基准概念,9,韩国耐震基准

4、概念,危险度系数,10,利用地震灾害图(地基耐震设计时推荐使用)需要精确评价结构物所在位置的地震系数时 等高线形状的地震灾害图 地震灾害图上的地震系数是以一般岩石为对象编制的，为了用于地表面，需要进行地震响应分析。,确定设计地震系数,11,平均重现周期 1000年 地震灾害图(%g),平均重现周期 500年 地震灾害图(%g),12,2.利用地震区域系数和危险度系数设置耐震性能目标 防止倒塌水准执行功能水准耐震设计对象的地基分类从SA 到 SF 决定区域系数I或者II区域 决定危险度系数1级或者2级,13,2.利用地震区域系数和危险度系数 地基的分类,需要评价场地固有特性的地基,50,15,小

5、于180,软弱的砂土地基,50100,1550,180360,坚固的砂土地基,100,50,360760,非常密实的砂土地基或软岩地基,7601500,一般岩地基,-,-,超过1500,硬岩地基,非排水剪切强度,标准贯入试验(blow/foot),剪切波速(m/s),上部30m范围内的平均地基特性,地基类型名称,地基分类,14,0.17,0.22,0.11,0.16,0.08,0.13,0.07,0.11,0.05,0.09,地震区域,地基类型,地震系数(防止倒塌2级),15,输入地震波推荐使用长短周期的实际地震记录以及与建桥部的标准反应谱相符的人工地震波,0.161 g(地表以上岩石观测地震

6、),7.4,短周期波,Ofunato,0.170 g(在地基内部观测得到的地震),7.9,长周期波,Hachinohe,最大加速度,地震规模,类型,输入地震波,16,墙结构 重力式墙体板桩式墙体土结构防波堤防潮堤护岸海岸堤防地下空间结构长大隧道隧道洞门软弱地基内箱型结构或液化判断,2.岩土工程耐震分析的对象结构,17,容许安全系数和容许位移,3.韩国耐震分析/设计方法,18,土结构,防波堤、防潮堤、护岸、海岸堤防或筑堤,要求对静力荷载和液化都是安全的,土结构的耐震等级各性能水准的设计方法,19,土结构的耐震设计方法,静力荷载作用下安全性验算,地基液化评价,分析对象的地基地层分类,决定地表面的最

7、大加速度(amax),以等效静力分析为基础的耐震设计,安全性验算Fs=抵抗力/设计荷载,地基增幅分析,20,1.土结构使用的耐震基准 2等级倒塌水准2.防止倒塌水准的耐震设计 使用等效静力分析方法3.等效静力分析方法 将地震作用简化为竖向或水平方向的静力荷载作用在结构上的分析方法。Fh:水平方向地震作用:0.5(容许有位移时),1.0(不容许有位移时)Kh:设计水平地震系数(=amax/g)m:质量 g:重力加速度,等效静力分析方法,21,墙体结构,重力式墙体结构,-要满足静力设计基准和安全系数-利用等效静力分析方法和动力分析方法做耐震分析,重力式墙体结构的耐震设计基准,22,板桩式墙体结构,

8、-应满足静力设计基准以及安全系数-利用等效静力分析方法和动力分析方法做耐震分析,板桩式墙体结构的耐震设计基准,23,地下空间结构,隧道洞门,-因为隧道衬砌和洞门周边岩土对地震作用的响应不同，也许会产生较大的位移差。推荐输入各种地震波并沿不同的方向作用，做三维的耐震分析。防止倒塌耐震2等级,24,长大隧道,-当隧道入口与出口之间的岩土增幅现象不同时定义为长大隧道(从岩土耐震分析角度定义)推荐输入各种地震波并沿不同的方向作用，做三维的耐震分析 考虑隧道周边各种节理后分析 防止倒塌耐震1等级,25,箱型结构以及船状结构,作用在地下水位以下砂土上的箱型和船状结构抵抗地震作用能力较弱 必须做岩土液化评价

9、 考虑周边岩土各种岩土特性以及节理后进行分析 防止倒塌耐震1等级 地铁、生命线(Life Line)、地下储藏仓等,26,4.液化分析方法,液化 1)定义 当象地震这样急速震动的荷载作用在松散的砂土地基或回填地基上时，地基将在瞬间处于非排水状态，由此将产生超孔隙水压并使地基丧失抗剪切能力，这种现象叫做液化。2)产生液化的条件-急速荷载作用(引发非排水状态)-松散的砂土或回填地基-地下水位以下(超孔隙水压),27,可不做液化评价的情况,地下水位以上的地基 柱状图上标准贯入值为20以上的地基 对象地基深度在20m以上时 塑性指数在10以上，并且粘土成分在20%以上的地基 细粒土含量在35%以上时

10、相对密度在80%以上的地基 地震区域中的耐震 2等级结构 地基分类为SASD的地基 其他，考虑到经济性在地震区域I的大规模回填土上建设的耐震 2 等级结构，可与负责人商议后省略液化判别。,28,液化安全,F1.5,搜集地基资料并分析,评价岩土动力特性G/Gmax,阻尼比,地震响应分析,预测液化简化方法,预测液化详细方法(推荐振动三轴试验),液化安全,F1.0,设置对策工法,YES,NO,YES,NO,评价液化流程图,29,目前经验性评价方法(地震-岩土抵抗应力比较),1.基于等效剪切应力理论计算地震作用 2.计算液化抵抗应力比-利用标准贯入抵抗值计算(Seed,Tokimatsu)-利用圆锥体

11、贯入抵抗值计算-利用剪切波速计算-利用3次以上的室内耐震动力试验计算-利用标准贯入抵抗值与加速度的关系计算,其他液化评价方法(70年后期以后),1.基于剪切变形的评价方法(Seed,Dobry)2.基于能量耗散法的评价方法(Nassar,Simcock,Law,Figueroa)3.基于有效应力分析理论的评价方法(Martin and Finn,Iai,Desai)4.基于概率论的评价方法(Haldar and Tang,Veneziano,Whitman,Liao),30,设计地震加速度,各深度的最大加速度adepth,地震响应分析,地震时发生的最大剪切应力比,岩土勘察(N值，粘土含量),修

12、正N值(N1)60=CNN,地震规模 M,细粒土含量,分析岩土深度,地基液化剪切抵抗率,液化评价安全系数,韩国液化评价方法,液化简化预测方法,31,地震引起的剪切应力比,地基的抵抗应力比,特 点,利用通过长周期和短周期地震波分析结果得到的相应地层的最大加速度,将液化抵抗应力比曲线乘地震规模为6.5的修正系数1.17,利用地震响应分析程序计算相应地层的最大加速度(不使用折减系数),M.6.5=M 7.5 MSF,0,M=7.5,32,计算地基的动力参数,计算设计地震加速度(耐震设计基本概念),输入地层构成,地震响应分析程序(SHAKE91),决定各深度最大加速度,计算例题,地震作用的剪切应力比,

13、33,决定地基的动力参数(现场试验、室内试验),决定地基加速度和地震波,地震响应分析,作用在地基上振动剪切应力比,钻孔/采样及标贯试验(SPT),振动三轴试验(3次以上),制作液化剪切抵抗应力臂计算曲线图,地基内的剪切抵抗应力比,液化评价安全系数,修正结果,虽然与简化方法一致，但是输入的动力参数由试验决定。,液化详细预测法,34,地震响应分析简介,自由面运动(free surface motion:B):在地表面上的运动 基岩运动(bedrock motion:D):在下部基岩表面上的地震运动 地表以上岩石运动(rock outcroping motion:A):露出地表以上的岩石的地震运动,

14、35,振动三轴试验(正弦荷载),液化详细预测方法中通过振动三轴试验决定剪切抵抗应力,36,修正的必要性,静止土压状态主应力方向地震过程中变化地震波为不规则,同向应力状态主应力方向不变加载规则的正弦波荷载,实际地基条件,振动三轴试验条件,液化抵抗强度比,加载次数,1,1000,100,10,0,0.1,0.2,0.3,0.4,室内试验结果,修正曲线,M=6.5,37,液化评价案例:韩国00海岸地区软弱地基的地基响应分析,分析区域平面图,38,使用长周期的Hachinohe波、短周期的Ofunato波以及人工波分析结果,地震响应分析时，为了反映地基的固有阻尼特性，将地表以上岩石运动(Rock Ou

15、tcrop Motion)为基岩运动(Base Rock Motion)逆运算(De-convolution)决定各深度岩土的最大加速度。将动力分析方法获得的加速度时程(SHAKE91“OUTPUT 2”FILE)作为基岩的输入地震波,39,液化简化预测结果,40,简化预测结果的安全系数小于1.5时 进行详细预测 确定液化抵抗应力比曲线,液化抵抗应力比曲线,0.135,41,对安全系数最小的深度为9.2m位置进行详细预测分析结果,42,判断各钻孔的液化安全性 对大范围内各位置分别评价后，使用最低安全系数制作液化灾害图,43,最近国外液化评价方法,3.2.1 使用非线性剪切质量系数计算振动剪切应

16、力比,Seed&Idriss(1971),且:最大剪切加速度:重力加速度:全应力:有效应力:非线性剪切质量系数(深度的修正系数),实际土体不是刚体运动，比下面公式计算的要小,土自身非线性特性决定的剪切应力减少率,44,非线性剪切质量系数(应力折减系数),Seed&Idriss 简化方法(1971)中建议的考虑地基响应的非线性的剪切应力折减系数 考虑地基的阻尼和非线性特性将剪切应力折减系数乘以振动力，以防止地震力过大 韩国的液化评价方法(修正Seed&Idriss)中 值随深度分布较广，为了减少不确定性，利用各深度的最大地基加速度，直接计算振动剪切应力比,45,反映各种现场条件和地基运动的2,1

17、53个案例分析 非线性剪切质量系数:Seed&Idriss建议值 实际案例的平均值和标准偏差值对应值,32,46,将离散性较大的 值，根据地震规模将量化为公式计算振动剪切应力比的方法(Idriss&Golesorkhi,1997),各地震规模的 的建议值,且，:地震规模:深度(feet)上述公式适用于,47,Cetin et al.(2004)的建议方法,地震发生,地震规模,距离震源的最小距离,最大地基加速度,输入的地震波的卓越周期,低应变下的初始地基周期,地震引起的应变软化时的地基周期,对到达基岩的深度等因素的评价,地基刚度(剪切波速(),计算深度、地震规模、最大地基加速度、地基刚度,48,

18、时，,时，,通过回归分析(Bayesian updating methods)决定 值,49,分类结果,50,51,利用修正标准贯入抵抗值、振动剪切应力比以及细粒粉含量的回归分析结果,值与 的关系,值与 的关系,考虑细粒粉含量的影响对标准贯入值得修正,52,考虑地震的修正系数,考虑地震规模对 值的修正,考虑地震规模的修正,53,计算液化可能性()以及地基液化抵抗应力比(),且，:细粒粉含量:大气压:标准累加常态分布函数,:输入未考虑地震规模进行修正的值:利用Excel程序内的“NORMINV(,0,1)”函数计算,利用推荐公式直接判断液化可能性,或将 用于推荐的方法(例如:Seed和Idris

19、s简化方法)计算安全系数,54,5.有效应力分析理论简介,非线性动力有效应力分析?非线性分析:土与钢材不同，在加载初期就表现为非线性特性(非线性塑性模型).动力分析:地震与冲击荷载或固结作用分析是与时间有关的(时间积分方法:Newmark-method).有效应力分析:液化以及非排水条件分析(Biots 公式,u-w公式).非线性动力有效应力分析方法DSC(Disturbed State Concept)方法的基本概念参考状态(Reference state)以及干扰函数(Disturbance function)DSC 理论的延伸液化模拟:塑性软化(Softening behavior),5

20、5,Disturbed State Concept Method(干扰状态概念)用数值分析方法分析受外部荷载作用的材料的微小破坏响应(扰乱度)利用两个参考状态(reference state)和一个干扰状态函数(disturbance function)Relative intact state(RI)Fully adjusted state(FA or Fully failure state)Disturbance function(D)Unified Concept,非线性动力数值分析(有效应力方法),56,DSC 的基本概念,受外力作用的材料的微小破坏过程,57,DSC 的基本概念(so

21、ftening behavior),利用两个参考状态(reference state)和一个干扰状态函数(disturbance function),58,DSC 的基本概念,基本概念示意图,59,Relative Intact State-Hardening,Non-Linear Elastic Model Elastic Perfect Plasticity Model Cap Model Bounding Surface Model Hierarchical Single Yield Surface(HiSS)model,60,Relative Intact State(HiSS Mod

22、el),相对无损伤状态(RI state,Relative Intact State),Phase ChangeLine(Critical State),Ultimate Line,J1s,61,FA state,完全破坏状态(FA state,Fully Adjusted State)Void StateConstrained LiquidCritical State,62,干扰函数(D),干扰函数(Disturbance Function),63,干扰函数(D),The Disturbance(static loading),The Disturbance(cyclic loading),

23、64,DSC 理论,DSC Stress-strain equation:当前应力:RI state(硬化函数:本构方程):Critical Sate,65,DSC 理论,RI state:,66,DSC 理论,FA State:,67,DSC 理论,DSC function:,68,DSC 理论,stress-Strain relationship:,69,DSC 理论,stress-Strain relationship:,70,数值分析案例(液化),振动台试验模拟(simulation of Shake Table Test),1700mm,1500mm,1000mm,300mm,800

24、mm,100mm,x,y,71,DSC 的案例(液化),模拟 试验结果的比较,Measured(Akiyoshi,et al,1996),Computed by using DSC model,72,DSC 的案例(液化),振动台试验模拟 分析结果,Time=0.5s,Time=1.0s,Time=2.0s,Time=10.0s,73,DSC 的案例(防波堤),Time=10sec,Time=15sec,Time=20sec,74,DSC 的案例(3-D防波堤),Time=10sec,Time=15sec,75,6.耐震分析程序介绍,Pro-SHAKEMIDASFLAC2D/3DPentago

25、nSASSIFLUSH,76,7.水压作用时的泄洪道安全分析案例,分析简介,大坝泄洪道建成后水压作用下的三维数值分析 为了确定作用在泄洪道上的合理的荷载，使用一维模型用程序HEC-RAS计算出发生最大可能洪水量(Probable Maximum Flood,PMF)时作用在隧道的荷载作用输入荷载。,77,验算位置是覆土(最高覆土厚度98m)比较深，分层影响较大，具有向斜褶皱结构的STA.9STA.12之间的隧道入口60m区段 为了进行三维分析，模型边界应保证距离隧道边一定距离(3D)，高度方向要真实反映地层、地表信息。,78,使用专用岩土分析软件MIDAS/GTS、FLAC-3D分析 使用作用

26、最大水压时衬砌发生的位移和最大应力来验算安全性 泄洪道发生的最大水压 仅左侧隧道作用水压(CASE-1)仅右侧隧道作用水压(CASE-2)左右隧道同时作用水压(CASE-3)，分别验算两个隧道的安全性,验算方法,79,验算流程图,获得地质资料及水文资料,分析模型,初始状态,隧道开挖及设置支护,施工衬砌,作用水压,PMF时作用在隧道地面,11,.,14,ton,/,m,2,安全性分析,CASE,-,1,左侧隧道作用水压,CASE,-,2,CASE,-,3,完成分析,右侧隧道作用水压,两侧隧道作用水压,80,分析平面及断面图,81,数值分析条件,Mohr-Coulomb 弹塑性模型,分析模型,MI

27、DAS/GTS,FLAC 3D,分析程序,P-3,支护模式,地基等级,STA.9 STA.12(L=60m),分析位置,内 容,项目,82,荷载条件,83,分析模型,84,分析区域 侧向及下部边界:距离隧道边3D以上 纵向(Y)掘进距离:60m 上部覆土:右侧隧道中心覆土高87m,最大覆土高97.3m 边界条件 左右前后边界面:约束水平方向位移 地面边界面:约束竖直方向位移 考虑左右非对称的全断面模型 根据挖掘和支护顺序的支护模型,85,分析模型,86,87,将流量为PMF时的最大水压线性作用在隧道衬砌上，最大值在隧道地面，为11.14tonf/m2 水压由隧道地面到11.14m高逐渐减小为零

28、。荷载工况CASE-1,2,3各自独立作用,88,作用最大水压时各荷载工况衬砌的最大应力验算,CASE-3分析结果:左侧隧道发生最大压应力为2.73kgf/cm2(右侧隧道:2.63kgf/cm2),89,锚杆最大轴力,CASE-3分析结果，左侧隧道最大张力维0.176tonf(右侧隧道:0.145tonf),90,衬砌最大压应力,衬砌最大拉应力,衬砌内力计算结果,91,衬砌最大拉应力 CASE-1时，为2.86kgf/cm2(左侧隧道左右侧壁位置),CASE-2时，为2.75kgf/cm2(右侧隧道右侧优角位置),CASE-3时，为2.73kgf/cm2(左侧隧道左侧优角位置)以上值均满足容

29、许值6.5kgf/cm2(不到44%)衬砌最大压应力 CASE-1时，为1.29kgf/cm2(左侧隧道右侧优角位置),CASE-2时，为1.12kgf/cm2(左侧隧道右侧优角位置),CASE-3时，为0.57kgf/cm2(左侧隧道左右侧壁位置)以上值均满足容许值96kgf/cm2(不到10%),结 果,92,锚杆最大轴力 CASE-1时，为0.174tonf(左侧隧道)CASE-2时，为0.179tonf(左侧隧道)CASE-3时，为0.176tonf(左侧隧道)以上值均满足容许值8.6tonf(不到2%)作用最大水压时，衬砌的弯曲应力增加值最大仅为2.77kgf/cm2，可以认为左右侧

30、隧道之间几乎没有相互间的影响，最大水压作用下结构是安全的。,结 果,93,案例(韩国OO地区的岸壁沉箱),连接位置三维分析区域图,8.港口结构的耐震分析案例,94,分析程序:MIDAS/GTS,FLAC-3D 地震波:长周期的Hachinohe波，作用方向为垂直于岸壁方向 材料模型:Mohr-Coulomb 弹塑性模型 边界条件:静力分析时 左右边界以及地面为固定(Fixed Boundary)动力分析时 自由长边界条件(Free Field Boundary),分析顺序,利用三维几何模型生成三维网格输入地基参数(静力参数)因为是全应力分析，所以先在项目设置中设置水的密度，然后在初始水位中固定

31、地下水位。固定地下水位后外部水压将使用压力荷载输入。使用静止土压力系数时，在计算土压力时应不考虑水压。完成静力分析后，将位移、速度归零进行动力分析,95,96,97,分析结果,垂直作用在岸壁面方向(x轴)时的速度及加速度 沉箱上部右侧 Gap 最大位移(2.98cm)容许位移(30cm):O.K,98,位移向量以及位移分析结果 该港口结构的沉箱左上端部对地震作用最薄弱 沉箱背面和地基位置位移较大,99,位移向量以及位移分析结果 该港口结构的沉箱左上端部对地震作用最薄弱 沉箱背面和地基位置位移较大,100,塑性区域以及剪切应变增分分析结果 沉箱上部背面土以及基础碎石边界位置:发生拉应力 施工时需要进行现场连续监测，需要局部加固处理。,101,要充分了解要分析的结构特性需要输入具有信赖性的动力参数对使用的分析程序要有充分的了解分析模型作用荷载边界条件对动力分析结果的分析将动力分析结果反映到耐震设计中,9.地下结构的耐震分析建议,