浅谈土层地震反应分析方法

(大连大学土木工程技术研究与开发中心 辽宁 大连 116622)

一、引言

随着我国人民对美好生活的需要的诉求不断加强，国家对于建筑物以及构筑物的质量要求也进一步提高，建设单位也越来越重视建筑所在场地的抗震性能分析结果。土层地震反应分析是如今岩土工程场地抗震领域研究的主要方向之一，是工程场地安全性与稳定性评估中较为核心的一部分工作，为提高建筑物以及构筑物的抗震性能提供较为科学的依据。

二、土层地震反应方法

场地土层条件的地震影响研究始于19世纪初，国内外持续进行着关于场地土层条件与震害程度的研究，随着理论以及仪器的发展，土层地震反应方法被不断完善着。遍览目前的土层地震反应分析方法，可将其分为以确定的地震动随时间变化的函数来求解土层地震反应的确定性分析方法和用随机过程理论研究土层地震分析的不确定性分析方法这两类。

(一)确定性分析方法

如今工程上进行土层地震反应分析时运用的最多的还是确定性分析方法，国内外学者对于此方法的研究始于地震动为垂直向上传递的剪切波假定条件下的一维水平成层覆盖土层情况，以下就确定性分析方法中比较常规的频域内的等价线性化方法和较为精准的时域内的非线性方法进行阐述。

1.等效线性化方法。从大量的工程实例以及研究中可以看出，土体的非线性在地震尤其是强震作用下表现得淋漓尽致，等效线性化方法采用的土体动力本构模型是等价非线性粘-弹性模型，其基本思想就是建立场地土层之间的定量关系，定义初始材料参数后通过传递迭代的方法，将剪切模量以及阻尼比迭代到误差范围之内，用等效剪切模量G以及等效阻尼比λ代替原体系中所有的剪切模量和阻尼比，从而化非线性问题为线性问题进行地震反应分析。

图1 等效线性化方法流程图

2.非线性化方法。研究发现在大震情况下,等效线性化方法存在一些局限性,为了能够正确的进行土层非线性反应的研究,目前已有很多学者开展时域内逐步积分的方法进行土层的非线性地震反应工作。地震条件下的土层非线性化方法反应研究的核心内容包括真实的土体本构关系、有效的数值分析方法以及合理的边界条件。

3.等效线性化方法与非线性化方法的比较。土层地震反应等效线性化和非线性化方法作为确定性方法被广泛应用于实际工程建设中，将其在不同工程条件下的优缺点进行对比分析：(1)首先，等效线性化方法是建立场地土层之间的定量关系，定义初始材料参数后通过传递迭代的方法，将剪切模量以及阻尼比迭代到误差范围之内，用等效剪切模量G以及等效阻尼比λ代替原体系中所有的剪切模量和阻尼比，从而化非线性问题为线性问题进行地震反应分析。此方法参数较少、计算量少，土体的G-γ与D-γ关系明确，可以简洁准确地将土的动力参数关系表示出来，但是等效线性化方法无法对土体开展真非线性分析且迭代时可能会出现死循环。非线性化方法却是可以用来进行时域内的土层真非线性分析，但是其参数的多且不易确定性制约着其发展。(2)其次，等效线性化方法不能进行地震条件下土体超孔隙水压力产生时有效应力的分析，而非线性化方法不仅仅能进行总应力分析，还可以进行有效应力的分析，如前文所述，一个真实的土体本构关系是非线性化方法可靠的前提。(3)最后，对于低频地震时的土层地震反应分析，两种方法都能得到较为合理的分析结果，然而由于等效剪应变系数的取值使得等效线性化方法压制了高频部分，使地震动反应曲线呈现矮胖状。土体在强震作用时会迅速处于非线性状态，非线性化分析方法能够反映强震作用下土层的真实特征，因此在高频问题的分析时，通过非线性方法分析的结果较等效线性方法更为合理。

等效线性法因为其便捷的计算、易懂的原理，且计算结果与实际情况吻合较好备受众多学者的喜爱，已积累了大量的实际工程经验，因此工程人员可以根据实际的情况选择适合的反应分析方法。

(二)不确定性分析方法

地震反应分析不确定性主要分为3个方面：地震动输入的不确定、工程计算模型的不确定以及各土层参数的不确定。20世纪40年代“地震工程之父”Housner提出用一个平稳的随机脉冲来模拟地震动下的地面运动，以此开始了用不确定性分析方法对土层地震反应的研究，也就是将随机过程理论应用于地震反应研究的开端。在这之后的几十年间，国内外众多知名学者将随机过程理论与地震反应相结合，以此来继续深入的研究地震情况下地面运动及上部建筑响应相关问题，均取得了比较好的成果。

三、总结

近年来，由于地震本身以及其引起的次生灾害对全世界人民造成的损失不可估量。虽然地震是一个难以预测的灾害且研究地震反应分析的工作十分复杂，但准确的地震反应分析结果对于地震作用下的防灾减灾工作的重要性溢于言表。频域内等效线性化方法对于土层地震反应分析已经解决了大量的工程抗震设防问题，但是由于其本身存在一些缺陷制约着其发展，随着理论以及科技的不断发展，该方法也得到了不断地改进。笔者认为在时域内进行显示逐步积分是一个很好的发展方向。