岛礁-海水系统地震反应研究

At present, the related technologies and methods for seismic response analysis mainly focus on land-based engineering sites.The seismic response of the island reef in South China Sea may show different mechanisms and laws with other engineering sites due to the nonlinear mechanical behavior of coral sand and the wave radiation effects of seawater. Therefore, it’s necessary to study the seismic analysis methods for island reefs. In this project, the reef-seawater-coral sand coupling system is taken as the research object. A three-dimensional elasto-plastic dynamic constitutive model applicable to the coral sand will be developed, and a seismic wave input method based on the internal substructure will be proposed, which is adapted to the reef-seawater system, and then the reef-seawater-coral sand dynamic interaction time domain integrated analysis method will be established. Base on those technologies and methods, large-scale nonlinear numerical simulation will be carried out to systematically analyze the seismic responses of the reef-seawater-coral sand coupling system, and the earthquake field distribution and dynamic response characteristics of the reef-coral sand engineering site will be revealed. The seismic parameters of typical reefs such as the distribution of ground motion field and acceleration response spectrum will be given. The program has important significance of exploring seismic response analysis method in sea area and revealing the seismic response mechanisms and laws of the island reef.

目前已有的场地地震反应分析相关技术和方法主要针对陆地工程场地，南海岛礁的地震反应可能会由于珊瑚礁、砂的非线性力学行为和海水的波动辐射效应呈现与其他工程场地不同的地震反应机理与规律，因而其地震分析方法需要进行专门的系统研究。本项目以南海岛礁-海水-珊瑚砂耦合系统为研究对象，发展适用于南海岛礁珊瑚砂的三维弹塑性动力本构模型，并提出一种适用于岛礁-海水系统的基于内部子结构的地震波动输入方法，在此基础上建立岛礁-海水-珊瑚砂动力相互作用时域整体式分析方法。开展大规模非线性数值模拟，对地震作用下岛礁-海水-珊瑚砂耦合系统的动力反应进行系统分析，总结岛礁-珊瑚砂工程场地地震动场分布规律和动力反应特性，并给出典型岛礁的地震动场分布和加速度反应谱等地震动参数。项目工作对于发展海域场地地震反应分析方法及揭示岛礁地震反应机理与规律具有重要意义。

目前已有的场地地震反应分析相关技术和方法主要针对陆地工程场地，南海岛礁的地震反应可能会由于珊瑚礁、砂的非线性力学行为和海水的波动辐射效应呈现与其他工程场地不同的地震反应机理与规律，因而其地震分析方法需要进行专门的系统研究。本项目以南海岛礁-海水-珊瑚砂耦合系统为研究对象，开展了岛礁珊瑚砂力学性质试验研究，基于改进的Matasovic骨架曲线和广义Mansing准则，发展了适用于南海岛礁珊瑚砂材料的三维非线性动力本构模型；推导得到海域场地自由波场的时域理论解，对现有陆域场地地震波动输入的人工边界子结构法加以改进，发展得到适用于岛礁-海水系统的地震波动输入方法；基于波动法理论，提出了一种新的基于内部子结构的地震波动输入方法；在以上研究的基础上，结合流固耦合数值模拟方法、流体介质动力人工边界与固体介质人工边界条件，建立了可与通用有限元程序无缝衔接的岛礁-海水动力相互作用时域整体式分析方法；以典型南海岛礁永暑礁为研究对象，开展了岛礁-海水系统的地震反应分析，研究了永暑礁基岩工程场地的地震动场分布规律与地震反应特性，分析了入射波类型与入射角度、礁体介质材料特性、岛礁地形特征及海水动力耦合作用等因素对岛礁-海水系统地震反应的影响规律；并进一步建立了岛礁-珊瑚砂场地有限元模型，通过非线性动力分析，研究了大震作用下岛礁-珊瑚砂工程场地的地震反应特性、地震动场分布规律和关键地震动参数。项目工作对于发展海域场地地震反应分析方法及揭示岛礁地震反应机理与规律具有重要意义。