季冻区粉质黏土地震动力反应特性研究

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在我国季节性冻土分布广泛,占国土面积一半以上。随着季节温度变化,季冻区土体的力学性质变化较大,其中包括土体动力反应特性的变化。目前,国内外现有的成果大多集中于非冻土场地的地震动响应分析,对于冻土动力学的研究缺少相关理论分析以及试验数据的参考。本文以季冻区粉质黏土为研究对象,开展地震动力反应特性分析研究,通过室内冻土动三轴试验对不同因素影响下的动力学参数进行对比分析,并建立冻土场地、非冻土场地三维数值模型,对地震动力反应特性进行研究。主要研究内容及成果如下:(1)以典型的季节性冻土区长春的粉质黏土为例,进行室内冻土动三轴试验,得到了不同温度、不同振次以及不同围压下的抗剪强度、动应力-应变关系、动弹性模量和阻尼比的变化规律,并为后续数值模拟分析提供了参数依据。(2)试验结果表明:随着温度的降低,土体中未冻水含量减少,水冰相变程度增加,增强了土体的胶结能力,内摩擦角和黏聚力呈线性增加;随着振动次数的增加,土颗粒之间孔隙增大,导致黏聚力降低、内摩擦角不断减小。在相同的试验条件下,温度越低,试样的动弹性模量越大,H-D模型拟合曲线的斜率越大,同一动应力作用下产生的动应变越小,随着含冰量的增加,土体吸收地震波的能力越弱,动阻尼比减幅越显著。(3)基于室内动三轴的试验数据,利用FLAC3D软件对冻土场地、非冻土场地进行模拟分析,选取合适的本构模型、静力和动力边界条件、阻尼形式以及动荷载施加方式。通过分析不同温度场地下的加速度时程曲线、加速度放大效应、水平变形、竖向变形和应力时程曲线,研究冻土层的存在对于地震反应特性的影响。结果表明:由于冰的存在,土体刚度增大导致土体约束较强,因此随着温度的降低,加速度峰值减小且加速度放大效果减弱、水平位移减小且增长幅度变缓、竖向沉降略有减小,应力值也呈现减小的趋势。与非冻土场地相比,随着温度变化冻土场地地震动力反应特性存在明显差异。
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