研究生课程 | 地震岩土工程分析 (Geotech Analysis of Earthquake)
1. 引言
本文是在Brigham Young University《地震岩土工程分析》课程大纲(BYU CE545, Graduate Course)的基础上发展起来的。这门课程主要包括地震震级和烈度；设计地层运动；结构的基本动力学；响应谱；建筑规范规定；液化和地层破坏。BTW，他们正在为这门课招聘兼 职授课教师。
2. 课程内容
2.1 了解地震
(1) 了解地震的成因和地震波的性质。地震是由断层突然滑动引起的。构造板块总是在缓慢移动，但由于摩擦，它们会在边缘处卡住。当边缘的应力超过摩擦力时，就会发生地震，地震波会在地壳中传播，释放能量，这些波称为地震波。地震波有不同种类：体波和面波。体波穿过地球内部，而面波沿着地球表面传播。
(2) 描述断层和地震源的特征。断层是断裂或裂缝，两块岩石沿着这些断裂或裂缝相互滑动。这种运动可能以地震的形式迅速发生，也可能以蠕变的形式缓慢发生。震源特征描述（SSC）依赖于对主要收集于地质、地球物理、岩土工程和地震数据库的各种参数和数据的解释和整合。
(3) 从震级和强度方面量化地震的“规模”。地震的规模通常用震级和烈度来量化。震级是地震释放能量的量度，通常使用里氏震级或矩震级来测量。另一方面，地震烈度描述了地震对地球表面、人类和震中地区不同位置的建筑物造成影响的严重程度。
(4) 根据工程参数量化地震运动。建筑物和其他结构的抗震设计主要集中在结构设计方面。设计过程的另一个关键方面是将地震地面运动特征化为参数，用于设计。就工程而言，这些参数包括频率、振幅和有效持续时间。
2.2 衰减关系
(1) 利用衰减关系预测地震运动。衰减关系也称为地动模型，用于预测地动。这些模型描述了在地震源（震级、断层类型）、波传播（距离）和场地响应（场地等级或 VS30）等属性条件下的地动概率密度函数。地震动被假定为对数正态分布，地震动方程给出了地震动的中位数和标准偏差（对数单位）。不同的构造体系会产生不同的地动模型。地震灾害评估中使用的地动方程通常使用三大类构造体系：活动构造地区的浅地壳地震（如加利福尼亚、日本、新西兰、意大利、土耳其）、稳定大陆地区的浅地壳地震（如澳大利亚、北美东部、欧洲北部）以及俯冲带地震（如日本、智利、阿拉斯加、新西兰）。
(2) 进行确定性和概率性地震危险性分析。地震灾害分析可采用确定性或概率性方法。确定性地震危险性分析（DSHA）使用地震学数值模拟方法计算特定地震断层破裂几何形状、滑移分布、地震速度结构和其他地震学特性的地面运动。另一方面，地震危险性概率分析（PSHA）在计算地面运动时，仅根据震级和距离使用经验衰减关系。尽管概率地震危险性分析法在科学上存在缺陷（即其所依据的物理学和数学知识是无效的），但它仍被誉为地震危险性评估的最佳方法。值得注意的是，这两种方法各有利弊，在确定性方法和概率性方法之间做出选择通常取决于地震灾害评估的具体要求。
2.3 动态响应SDOF结构
(1) 确定单自由度结构在基底震动下的动力响应。单自由度（SDOF）结构在底座晃动下的动态响应可通过求解运动控制方程来确定。
(2) 理解、开发和应用响应谱。响应谱是一系列固有频率不同的振荡器在相同的基础振动或冲击作用下产生的峰值或稳态响应（位移、速度或加速度）的曲线图。它是振荡器固有频率和阻尼的函数。在地震工程中，响应谱是分析结构和设备在地震中性能的非常有用的工具，因为许多结构和设备主要表现为简单振荡器（也称为单自由度系统）。因此，如果能找出结构的固有频率，那么就可以通过读取相应频率¹的地震动反应谱来估算建筑物的峰值反应。在地震区的大多数建筑规范中，该值是计算结构设计必须抵御的力的基础（地震分析）。反应谱法基于一种特殊的模态叠加法，其原理是提供一种输入，限制具有一定固有频率和阻尼的特征模态受此类事件激励的程度。
2.4 场地响应分析
(1) 进行场地响应分析。场地响应分析是工程地震学中的一个强大工具，因为它可以模拟近地表层对地震地面运动的影响。这些近地表层就像一个滤波器，可以放大或减弱来自震源的地震波。可以进行两种基本的场地响应分析：(a) 等效线性模型： 这些模型将土视为线性弹性材料，其属性是实际非线性行为的平均值。对土特性进行反复调整，直到计算应变与假定应变相匹配。(b) 非线性模型：这些模型考虑了土壤的实际非线性行为，与等效的线性模型相比，它们更精确，但也更复杂，计算量更大。
(2) 了解不同土体类型对地面响应和阻尼的影响。不同土类型对地面响应和阻尼的影响很大。由于土介质中的辐射阻尼，土的柔韧性会导致刚度下降、变形增加和整体阻尼上升。土-地基界面上的阻尼来自两个方面：土非线性特性产生的材料阻尼，以及辐射波从界面向外传递能量产生的辐射阻尼。这些阻尼值取决于结构类型、地基和土刚度。例如，一项研究表明，框架结构中的粘弹性阻尼器 (VED) 的控制效率随着土的变软而降低，这表明土类型会对结构的抗震性能产生重大影响。总之，了解土类型及其特性对于准确的场地响应分析和预测地震时地面运动对结构的影响至关重要。建议在进行地震动分析时，始终使用特定场地的剪模量折减曲线和阻尼比曲线。
2.5 地震规范
了解作为国家地震减灾计划 (NEHRP) 和国际建筑规范 (IBC) 的一部分制定/发布的设计规范中的理念和一般抗震设计规定。国家减少地震危害计划 (NEHRP)和国际建筑规范 (IBC)都规定了抗震设计条款，以确保建筑物和其他结构在地震中的安全性和完整性。
NEHRP 抗震设计规定：NEHRP 新建筑和其他结构抗震设计建议规定是一份以知识为基础的资源文件，旨在将研究成果转化为工程设计实践。该规定纳入了由各专业组织、研究机构、大学、材料行业和四个 NEHRP 机构开展的最新研究项目、以问题为重点的研究和震后调查报告的成果和发现。2009 年版（FEMA P-750）是 ASCE/SEI 7-10 和 2015 年《国际建筑规范》中抗震规定变化的基础。2020 NEHRP 规定对国家标准和建筑规范范本提出了重要的修改建议和改进意见。预计《2020 NEHRP 规定》将被专业设计标准 ASCE/SEI 7-22 《建筑物和其他结构最小设计载荷》采用。
IBC 的抗震设计规定：IBC 规定了最低设计要求，使建筑物的结构部件能够抵抗可能遇到的荷载。IBC 将建筑物和结构划分为风险类别，以表明其预期用途。IBC 中规定的荷载以及所需的荷载组合是通过对建筑物和结构的研究和使用性能确定的，这些荷载的应用和对适用性标准的遵守可加强对生命和财产的保护。IBC 中的一些规定旨在确保建筑物在地震时能够充分抵抗地震力。这些抗震规定是关于如何设计和建造结构以限制地震风险的最佳可用指导，它们提出了设计和建造新建筑物和其他结构以抵抗地震地面运动所需的最低建议要求。
2.6 液化和地层破坏
(1) 了解液化和地层破坏的相关机理。液化是指饱和、未固结土在外加应力（通常是地震震动或其他应力条件的突然变化）作用下失去强度和刚度，使其表现为液体的一种现象。当产生巨大的孔隙水压力迫使土丧失大量刚度和强度时，就会触发这一过程。根据现场条件，地层破坏可能以多种形式发生。其中包括：
(a) 侧向扩展：这是由于下层土液化导致的地面向缓坡下或切槽方向的位移。这种位移通常是递增的，发生在地震期间液化材料的强度不足以抵抗作用在上覆非液化土上的侧向力时。
(b) 承载力损失和沉降：这是因为在部分或全部液化过程中，孔隙水压力增加和土软化，导致土强度下降。承载能力的降低会导致桥墩或桥台的过度沉降/移动，因为其地基承载压力超过了降低的承载能力。
(2) 进行液化触发、横向扩展和沉降分析。对这些现象进行分析涉及几个步骤：
(a) 液化触发分析：这是液化评估的第一步，评估预期地震震动是否大到足以引发液化。
(b) 侧向扩展分析：这包括估算桥墩等结构的液化诱发侧向扩展位移。纽马克位移分析法 (NDAM) 通常用于此目的。
(c) 沉降分析：这包括预测外加荷载会导致多少沉降，以及沉降发生所需的时间，它包括即时沉降、二次沉降、沉降计算、桩基沉降、土压力分析等。
尾矿坝侧向位移估算
(a) 伪静力法和纽马克法：前者用来计算安全系数，后者用来估算永久位移，典型的工具有Slide2，Slope/W和Plaxis LE。
(b) 应力-变形数值方法：这些方法采用了先进的本构模型来模拟地震载荷作用下的土行为，典型的工具有RS2/RS3, FLAC2D/FLAC3D, Plaxis2D/Plaxis3D和Geostudio。
(2) 估算地震土压力。地震土压力的估算可采用以下方法：
(a) 伪静力法和伪动力法：这些是用于估算作用在挡土墙上的地震土压力的最常用方法。
(b) Monobe-Okabe（M-O）法：该方法用于近似地震作用压力，它基于库仑静土压力理论。
(c) 朗金经典土压力解法：该方案已扩展用于计算支撑 c-Φ phi 回填的刚性挡土墙的地震土压力。
3. 参考教材
[1] Steven L. Kramer (2007) Geotechnical Earthquake Engineering.
[2] Robert W. Day (2002) Geotechnical Earthquake Engineering Handbook.
