基于钻井台阵强震动记录的场地土体动力特性识别方法研究

Local site conditions can greatly affect the site seismic response, thus have great impact on the behavior of foundation and super-structure during earthquakes. Throughout years, researchers have been trying to study the effects of local soil condition, aiming to improve the prediction of seismic site response and procedures of the seismic design. Geotechnical downhole array seismic records provide valuable information on local soil dynamic characteristics. Specifically, with the help of correlation and spectral analysis, the parameters of local soil as well as linear or nonlinear site dynamic responses can be identified. Moreover, numerical site response analysis model can be improved based on analysis of geotechnical array data. In this project, geotechnical downhole arrays will be employed to evaluate soil dynamic characteristics, examine the nonlinear soil response during earthquake shaking and investigate the site seismic response using identification and inverse problem techniques. In addition, numerical model of the site using the OpenSees finite element (FE) program will be calibrated based on available earthquake records. Computational simulation results will be presented, discussed, and compared to the recorded seismic site response. The validated model can be used to predict the site response during future shaking events.

震害资料显示，场地条件对地震动特性以及工程结构破坏程度影响显著。为减少因场地效应而造成的经济损失和社会影响，在进行场地地震反应分析时，需最大限度的减小因土体本构模型以及场地土层模型参数的不确定性引起的对地震动评估的偏差，为工程结构地震反应分析选取和生成适当的地震动输入。本项目拟以钻井台阵强震动观测数据为基础，提出数字信号处理、统计分析以及有限元模型优化技术相结合的参数识别手段，开展不同强度地震作用下的土动力特性识别以及场地地震反应特点的研究。基于大型开源有限元软件OpenSees的模型优化技术，验证、分析土体非线性动力本构及场地土层模型参数的可靠性，系统地研究场地土非线性动力特性、土层结构等因素对场地地震反应的影响规律和机制。本项目旨在提高场地土非线性动力学参数反演的精度，发展和完善场地非线性数值模拟方法，为预测未来场地地震反应和经济可靠地设计分析工程结构抗震性能提供依据。

场地覆盖土层厚度、分布及土动力特性等场地条件，对地震动特性以及工程结构破坏程度影响显著，因此在进行场地地震反应分析时，需最大限度地减小因场地土层模型参数的不确定性引起的地震动评估偏差，为工程结构地震反应分析选取和生成适当的地震动输入。本项目以钻井台阵强震动观测数据为基础，通过数字信号处理、统计分析以及有限元模型优化技术相结合的参数识别手段，对不同强度地震作用下场地土层的平均剪切波速及卓越周期等参数进行分析，结合短时传递函数技术，研究软弱场地卓越周期在强震动过程中的变化。在此基础上，建立一维自由场地地震反应有限元分析模型，通过模型更新的方法，对土体非线性动力本构模型参数以及土层模型进行修正、优化。分析结果表明：通过钻井台阵地震动观测数据识别得到的地震动过程中原状土体动力特性信息能够反映该场地的动力特性。数值模拟计算结果和钻井台阵地震动记录基本吻合，说明了所采用的方法的可行性，可为探讨现行场地地震反应分析的可靠性、土-结动力相互作用、地基抗震性能以及结构地震反应分析的地震动输入研究提供依据。