本發(fā)明屬于巖土工程的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種巖土材料非線性特征的分析方法。

背景技術(shù)：

近年來，復(fù)雜場(chǎng)地巖土材料非線性地震反應(yīng)分析是地震學(xué)、地震工程學(xué)和巖土地震工程中非常活躍的研究方向，同時(shí)也是工程抗震設(shè)計(jì)施工中非常關(guān)注的問題。很多破壞性地震中都體現(xiàn)出了場(chǎng)地巖土材料的非線性對(duì)地震動(dòng)的重要影響，如1989年的lomaprieta地震、1995年的日本神戶地震。

在工程應(yīng)用中，特別關(guān)注場(chǎng)地土的非線性影響，即在確定場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)時(shí)，要考慮場(chǎng)地類別和地震動(dòng)強(qiáng)度。在現(xiàn)有技術(shù)中，國(guó)內(nèi)外的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中采用不同的規(guī)定來考慮地震中場(chǎng)地巖土材料非線性對(duì)建筑物的影響。例如，美國(guó)通常利用隨地震動(dòng)強(qiáng)度變化的場(chǎng)地系數(shù)fa和fv來描述不同場(chǎng)地土堆地震參數(shù)的影響；我國(guó)則是考慮地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期tg隨地震動(dòng)峰值加速度的增大以考慮場(chǎng)地巖土材料的非線性影響。

目前，場(chǎng)地土非線性分析方法主要包括兩類:一類是還原現(xiàn)場(chǎng)地震的室內(nèi)模型試驗(yàn)，另一類是現(xiàn)場(chǎng)的鉆井臺(tái)陣場(chǎng)地試驗(yàn)。然而，以上兩種方法都存在明顯的不足和缺陷。其中，在還原現(xiàn)場(chǎng)地震的室內(nèi)模型試驗(yàn)過程中，由于土體填筑過程中無法還原現(xiàn)場(chǎng)原狀土體，因此試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出明顯的擾動(dòng)現(xiàn)象。而現(xiàn)場(chǎng)的鉆井臺(tái)陣場(chǎng)地試驗(yàn)，雖然可以給出較為細(xì)致的場(chǎng)地土的非線性傳遞函數(shù)幅頻特性和定量結(jié)果，但是，由于其花費(fèi)高昂，且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中收集到的數(shù)據(jù)有限，也較少有專家學(xué)者采用。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于巖土材料非線性特征的分析中存在的明顯外界擾動(dòng)的問題，以及得到較為細(xì)致的場(chǎng)地土的非線性傳遞函數(shù)幅頻特性和定量結(jié)果的花費(fèi)高昂且數(shù)據(jù)樣本少的問題，尚缺乏有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，克服現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于巖土材料非線性特征的分析中存在的明顯外界擾動(dòng)的問題，以及得到較為細(xì)致的場(chǎng)地土的非線性傳遞函數(shù)幅頻特性和定量結(jié)果的花費(fèi)高昂且數(shù)據(jù)樣本少的問題，提供一種巖土材料非線性特征的分析方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種巖土材料非線性特征的分析方法，該方法的具體步驟包括：

(1)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)：從地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲得海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得三向反應(yīng)譜曲線；

(2)繪制場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線：根據(jù)步驟(1)中的三向反應(yīng)譜曲線，計(jì)算場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線，計(jì)算場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線，并對(duì)場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線進(jìn)行繪制；

(3)計(jì)算模量下降比率:根據(jù)步驟(2)中繪制的場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線分析該地層的主要影響頻率，計(jì)算模量下降比率，分析巖土材料非線性特征。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中觀測(cè)數(shù)據(jù)包括地表觀測(cè)數(shù)據(jù)和地下觀測(cè)數(shù)據(jù)；

所述地表觀測(cè)數(shù)據(jù)為地表深度的三向加速度時(shí)程記錄數(shù)據(jù)；

所述地下觀測(cè)數(shù)據(jù)為基巖深度的三向加速度時(shí)程記錄數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得三向反應(yīng)譜曲線的具體步驟為：

(1-1)采用采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)地表觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得地表觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線；

(1-2)采用采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)地下觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得地下觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線包括弱地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震反應(yīng)譜曲線；

所述場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線包括弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中計(jì)算場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和計(jì)算場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線的具體步驟為：

(2-1)將地表觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線與地下觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線相比得到場(chǎng)地的放大反應(yīng)譜曲線；

(2-2)根據(jù)步驟(2-1)的場(chǎng)地的放大反應(yīng)譜曲線，計(jì)算弱地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震反應(yīng)譜曲線；

(2-3)計(jì)算弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，并進(jìn)行弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線的繪制。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中的主要影響頻率的分析方法為通過場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線中的峰值對(duì)應(yīng)的頻率獲得主要影響頻率。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，

通過步驟(2-3)計(jì)算的弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，分析弱地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率為fweak；

通過步驟(2-3)計(jì)算的強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，分析強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率為fstrong。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，

計(jì)算所述模量下降比率n/nmax采用的公式為：

其中，vstrong為強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的波速，vweak為弱地震運(yùn)動(dòng)的波速，fweak為弱地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率，fstrong為強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，對(duì)計(jì)算模量下降比率進(jìn)行修正，分析巖土材料非線性特征，

修正后的模量下降比率公式為：

其中，b為模型參數(shù)，ε為應(yīng)變率。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，

計(jì)算所述應(yīng)變率采用的公式為：

其中，a為峰值對(duì)應(yīng)的豎向加速度，v′p為靠近地表面的p波波速，fpsurface為地表的主要影響頻率，

當(dāng)模量采用剪切模量時(shí)采用對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變此時(shí)r為有效孔隙率，當(dāng)模量采用側(cè)限模量時(shí)r為1。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明為構(gòu)建巖土材料的非線性模型提供了一種新方法，該種方法采用地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，避免了試驗(yàn)室中還原地震中對(duì)土體的擾動(dòng)作用和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)中花費(fèi)巨大的問題。

(2)本發(fā)明基于地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，消除了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中存在的重復(fù)和不一致問題。

(3)本發(fā)明中一種巖土材料非線性特征的分析方法中分析參數(shù)較少，且參數(shù)意義明確，準(zhǔn)確度較高，易于推廣應(yīng)用于實(shí)際巖土工程中的計(jì)算與分析。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種巖土材料非線性特征的分析方法的方法流程圖；

圖2是本發(fā)明的三向反應(yīng)譜曲線示意圖；

圖3(a)是本發(fā)明的弱地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線示意圖；

圖3(b)是本發(fā)明的強(qiáng)地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線示意圖；

圖4是本發(fā)明的側(cè)限模量的下降比率示意圖；

圖5是本發(fā)明的側(cè)限模量的下降比率曲線示意圖；

圖6是本發(fā)明的修正后的側(cè)限模量下降比率示意圖。

具體實(shí)施方式：

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中克服現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于巖土材料非線性特征的分析中存在的明顯外界擾動(dòng)的問題，以及得到較為細(xì)致的場(chǎng)地土的非線性傳遞函數(shù)幅頻特性和定量結(jié)果的花費(fèi)高昂且數(shù)據(jù)樣本少的問題，提供一種巖土材料非線性特征的分析方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種巖土材料非線性特征的分析方法，如圖1所示，該方法的具體步驟包括：

(1)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)：從地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲得海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得三向反應(yīng)譜曲線；

所述步驟(1)中觀測(cè)數(shù)據(jù)包括地表觀測(cè)數(shù)據(jù)和地下觀測(cè)數(shù)據(jù)；

所述地表觀測(cè)數(shù)據(jù)為地表深度的三向加速度時(shí)程記錄數(shù)據(jù)；

所述地下觀測(cè)數(shù)據(jù)為基巖深度的三向加速度時(shí)程記錄數(shù)據(jù)。

所述步驟(1)中采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得三向反應(yīng)譜曲線的具體步驟為：

(1-1)采用采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)地表觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得地表觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線；

(1-2)采用采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)地下觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得地下觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線。

在本實(shí)施例中，所述地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用井底陣列地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)從井底陣列地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲得海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在本實(shí)施例中為了方便處理計(jì)算，從海量觀測(cè)數(shù)據(jù)中選取6組弱地震數(shù)據(jù)以及9組強(qiáng)地震數(shù)據(jù)，采用傅里葉轉(zhuǎn)換法對(duì)6組弱地震數(shù)據(jù)以及9組強(qiáng)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得6組弱地震數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線和9組強(qiáng)地震數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線，傅里葉轉(zhuǎn)換后得到的三向反應(yīng)譜曲線如圖2所示。

(2)繪制場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線：根據(jù)步驟(1)中的三向反應(yīng)譜曲線，計(jì)算場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線，計(jì)算場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線，并對(duì)場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線進(jìn)行繪制；

所述步驟(2)中的場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線包括弱地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震反應(yīng)譜曲線；

所述場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線包括弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線。

所述步驟(2)中計(jì)算場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和計(jì)算場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線的具體步驟為：

(2-1)將地表觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線與地下觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三向反應(yīng)譜曲線相比得到場(chǎng)地的放大反應(yīng)譜曲線；

(2-2)根據(jù)步驟(2-1)的場(chǎng)地的放大反應(yīng)譜曲線，計(jì)算弱地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震反應(yīng)譜曲線；

(2-3)計(jì)算弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，并進(jìn)行弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線的繪制。

計(jì)算得到的弱地震場(chǎng)地放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震反應(yīng)譜曲線，如圖3(a)-圖3(b)所示，并分別計(jì)算得到弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線和強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，如圖3(a)-圖3(b)中粗曲線所示。

(3)計(jì)算模量下降比率和其相應(yīng)的應(yīng)變率:

根據(jù)步驟(2)中繪制的場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線分析該地層的主要影響頻率，計(jì)算模量下降比率；

對(duì)計(jì)算模量下降比率進(jìn)行修正，分析巖土材料非線性特征。

所述步驟(3)中的主要影響頻率的分析方法為通過場(chǎng)地平均放大反應(yīng)譜曲線中的峰值對(duì)應(yīng)的頻率獲得主要影響頻率。

在所述步驟(3)中，

通過步驟(2-3)計(jì)算的弱地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，分析弱地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率為fweak；

通過步驟(2-3)計(jì)算的強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的平均放大反應(yīng)譜曲線，分析強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率為fstrong。

在所述步驟(3)中，

計(jì)算所述模量下降比率n/nmax采用的公式為：

其中，vstrong為強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的波速，vweak為弱地震運(yùn)動(dòng)的波速，fweak為弱地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率，fstrong為強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的主要影響頻率。

計(jì)算所述應(yīng)變率采用的公式為：

其中，a為峰值對(duì)應(yīng)的豎向加速度，v′p為靠近地表面的p波波速，fpsurface為地表的主要影響頻率，

當(dāng)模量采用剪切模量時(shí)采用對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變此時(shí)r為有效孔隙率，當(dāng)模量采用側(cè)限模量時(shí)r為1。

將計(jì)算模量下降比率得到的點(diǎn)繪制在體壓縮率為橫坐標(biāo)以側(cè)限模量下降比率為縱坐標(biāo)的笛卡爾坐標(biāo)系中，側(cè)限模量的模量下降比率如圖4所示，并根據(jù)地層的側(cè)限的大小進(jìn)行分成0-60kpa、60-120kpa和120-180kpa三部分，對(duì)每一部分中的點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到每一部分的最佳擬合曲線，組成模量下降比率曲線，側(cè)限模量的下降比率曲線示意圖如圖5所示，由模量下降比率曲線構(gòu)建出模量下降模型。

在所述步驟(3)中，對(duì)側(cè)限模量下降曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)修正，采用帝國(guó)理工大學(xué)的雙曲線模型對(duì)得到的側(cè)限模量下降比率曲線進(jìn)行修正，修正后的側(cè)限模量下降比率示意圖如圖6所示。

修正后的模量下降比率公式為：

其中，b為模型參數(shù)，ε為應(yīng)變率。

在本實(shí)施例中，模型參數(shù)b與有效垂直圍壓σ′v呈線性關(guān)系

b＝-60σ′v+10907，

把模型參數(shù)b帶入修正后的模量下降比率公式得到最后的模量下降比率。

本實(shí)施例的基本原理：

本實(shí)施例是基于kik-net井底陣列地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過傳遞函數(shù)來分析巖土材料在地震過程中的非線性性質(zhì)。其中采用地震過程中模量的下降比率來表征巖土材料在遭受地震過程中表現(xiàn)出來的非線性特征。

巖土材料的基本頻率為

f＝ω/2π＝vs/4h

其中，ω是角速度,vs是波速,h是土層厚度。

在本實(shí)施例中，巖土材料地震過程中非線性性質(zhì)通過模量的下降比率來表示，模量的下降比率即地震過程中巖土材料的模量與原狀巖土材料的模量的比值：

n/nmax；

其中，n是巖土材料的模量，nmax是原狀巖土材料的模量；

同時(shí)巖土材料的模量如側(cè)限模量和剪切模量等在地震過程中與地震波在巖土材料中的傳遞速度有明顯的二次關(guān)系：

n＝ρv²＝16ρh²f²，

其中，ρ是巖土密度，v是波速，f是巖土材料的基本頻率；

地震過程中的s波只影響巖土材料的剪切模量，而地震過程中的p波只是影響巖土材料的側(cè)限模量。

在本實(shí)施例中采用側(cè)限模量分析巖土材料非線性性質(zhì)，將公式中對(duì)應(yīng)的波速v和巖土材料的基本頻率f換成與側(cè)限模量相對(duì)應(yīng)的波速和巖土材料的基本頻率。

當(dāng)巖土材料遭受到強(qiáng)烈地震運(yùn)動(dòng)時(shí)的模量為

nstrong＝ρv²＝16ρh²fstrong²

當(dāng)巖土材料遭受到弱地震運(yùn)動(dòng)時(shí)的模量為

nweak＝ρv²＝16ρh²fweak²

當(dāng)巖土材料遭受到弱運(yùn)動(dòng)時(shí)模量下降幅度較小，最接近原狀巖土材料的模量，將巖土材料在遭受弱地震運(yùn)動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的模量作為是原狀巖土材料的模量，同時(shí)，巖土材料在遭受弱地震運(yùn)動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的模量也是最大模量即

nmax＝nweak

進(jìn)一步可以得出巖土材料在經(jīng)受地震運(yùn)動(dòng)時(shí)，模量的下降比率為

n/nmax＝(vstrong/vweak)²＝(fstrong/fweak)²

本實(shí)施例的有益效果：

(1)本發(fā)明為構(gòu)建巖土材料的非線性模型提供了一種新方法，該種方法采用地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，避免了試驗(yàn)室中還原地震中對(duì)土體的擾動(dòng)作用和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)中花費(fèi)巨大的問題。

(2)本發(fā)明基于地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，消除了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中存在的重復(fù)和不一致問題。

(3)本發(fā)明中一種巖土材料非線性特征的分析方法中分析參數(shù)較少，且參數(shù)意義明確，準(zhǔn)確度較高，易于推廣應(yīng)用于實(shí)際巖土工程中的計(jì)算與分析。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。