一种岩土材料非线性特征的分析系统的制作方法

本发明属于岩土工程的技术领域，尤其涉及一种岩土材料非线性特征的分析系统。

背景技术：

近年来，复杂场地岩土材料非线性地震反应分析是地震学、地震工程学和岩土地震工程中非常活跃的研究方向，同时也是工程抗震设计施工中非常关注的问题。很多破坏性地震中都体现出了场地岩土材料的非线性对地震动的重要影响，如1989年的lomaprieta地震、1995年的日本神户地震。

在工程应用中，特别关注场地土的非线性影响，即在确定场地设计地震动参数时，要考虑场地类别和地震动强度。在现有技术中，国内外的抗震设计规范中采用不同的规定来考虑地震中场地岩土材料非线性对建筑物的影响。例如，美国通常利用随地震动强度变化的场地系数fa和fv来描述不同场地土堆地震参数的影响；我国则是考虑地震动反应谱特征周期tg随地震动峰值加速度的增大以考虑场地岩土材料的非线性影响。

目前，场地土非线性分析模型主要包括两类:一类是还原现场地震的室内模型试验中还原现场地震的室内模型，另一类是现场的钻井台阵场地试验中的非线性传递函数幅频特性模型。然而，以上两种模型都存在明显的不足和缺陷。其中，在还原现场地震的室内模型试验过程中，由于土体填筑过程中无法还原现场原状土体，因此试验过程中表现出明显的扰动现象。而现场的钻井台阵场地试验，虽然可以给出较为细致的场地土的非线性传递函数幅频特性模型和定量结果，但是，由于其花费高昂，且现场试验过程中收集到的数据有限，也较少有专家学者采用。

综上所述，现有技术中对于岩土材料非线性特征的分析系统中存在的明显外界扰动的问题，以及得到较为细致的场地土的非线性传递函数幅频特性模型的花费高昂且数据样本少的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，克服现有技术中对于岩土材料非线性特征的分析系统中存在的明显外界扰动的问题，以及得到较为细致的场地土的非线性传递函数幅频特性模型的花费高昂且数据样本少的问题，提供一种岩土材料非线性特征的分析系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种岩土材料非线性特征的分析系统，该系统包括模量下降模型构建系统、修正的模量下降模型构建系统和分析系统；

所述模量下降模型系统通过下列步骤进行模量下降模型的构建：

(1)获取观测数据：从地震监测系统中获得海量的观测数据，采用傅里叶转换法对观测数据进行处理，获得三向反应谱曲线；

(2)绘制场地平均放大反应谱曲线：根据步骤(1)中的三向反应谱曲线，计算场地放大反应谱曲线，计算场地平均放大反应谱曲线，并对场地平均放大反应谱曲线进行绘制；

(3)计算模量下降比率和应变率:根据步骤(2)中绘制的场地平均放大反应谱曲线分析该地层的主要影响频率，计算模量下降比率和应变率；

(4)绘制模量下降比率曲线，得到模量下降模型；

所述修正的模量下降模型系统通过下列步骤进行修正的模量下降模型构建：

采用双曲线模型对修正模量下降比率曲线进行修正，得到修正的模量下降模型；

所述分析系统被配置为利用修正的模量下降模型进行岩土材料非线性特征分析的系统。

进一步的，所述步骤(1)中观测数据包括地表观测数据和地下观测数据；

所述地表观测数据为地表深度的三向加速度时程记录数据；

所述地下观测数据为基岩深度的三向加速度时程记录数据。

进一步的，所述步骤(1)中采用傅里叶转换法对观测数据进行处理，获得三向反应谱曲线的具体步骤为：

(1-1)采用采用傅里叶转换法对地表观测数据进行处理，获得地表观测数据对应的三向反应谱曲线；

(1-2)采用采用傅里叶转换法对地下观测数据进行处理，获得地下观测数据对应的三向反应谱曲线。

进一步的，所述步骤(2)中的场地放大反应谱曲线包括弱地震场地放大反应谱曲线和强地震反应谱曲线；

所述场地平均放大反应谱曲线包括弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线。

进一步的，所述步骤(2)中计算场地放大反应谱曲线和计算场地平均放大反应谱曲线的具体步骤为：

(2-1)将地表观测数据对应的三向反应谱曲线与地下观测数据对应的三向反应谱曲线相比得到场地的放大反应谱曲线；

(2-2)根据步骤(2-1)的场地的放大反应谱曲线，计算弱地震场地放大反应谱曲线和强地震反应谱曲线；

(2-3)计算弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线，并进行弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线的绘制。

进一步的，所述步骤(3)中的主要影响频率的分析方法为通过场地平均放大反应谱曲线中的峰值对应的频率获得主要影响频率。

进一步的，在所述步骤(3)中，

通过步骤(2-3)计算的弱地震运动的平均放大反应谱曲线，分析弱地震运动的主要影响频率为fweak；

通过步骤(2-3)计算的强地震运动的平均放大反应谱曲线，分析强地震运动的主要影响频率为fstrong。

进一步的，在所述步骤(3)中，

计算所述模量下降比率n/nmax采用的公式为：

其中，vstrong为强地震运动的波速，vweak为弱地震运动的波速，fweak为弱地震运动的主要影响频率，fstrong为强地震运动的主要影响频率；

计算所述应变率采用的公式为：

其中，a为峰值对应的竖向加速度，v′p为靠近地表面的p波波速，fpsurface为地表的主要影响频率，

当模量采用剪切模量时采用对应的剪应变此时r为有效孔隙率，当模量采用侧限模量时r为1。

进一步的，在所述步骤(4)中，绘制模量下降比率曲线，得到模量下降模型的具体步骤为：

将计算模量下降比率得到的点绘制在体压缩率为横坐标以模量下降比率为纵坐标的笛卡尔坐标系中，并根据地层的侧限模量的大小进行分成三部分，对每一部分中的点进行曲线拟合，得到每一部分的最佳拟合曲线，构建出模量下降模型。

进一步的，在所述修正的模量下降模型系统中，采用双曲线模型对修正模量下降比率曲线进行修正，得到修正的模量下降模型，利用修正的模量下降模型分析岩土材料非线性特征。

修正后的模量下降模型为：

其中，b为模型参数，ε为应变率。

本发明的有益效果：

(1)本发明为构建岩土材料的非线性模型提供了一种岩土材料非线性特征的分析系统，在该系统中构建新的模型对岩土材料非线性特征进行分析，该种模型的构建中采用地震监测系统的观测数据，避免了试验室中还原地震中对土体的扰动作用和现场原位试验中花费巨大的问题。

(2)本发明基于地震监测系统提供的大量的观测数据，消除了多源异构数据中存在的重复和不一致问题。

(3)本发明中一种岩土材料非线性特征的分析系统中分析参数较少，且参数意义明确，准确度较高，易于推广应用于实际岩土工程中的计算与分析。

附图说明

图1是本发明一种岩土材料非线性特征的分析系统的方法流程图；

图2是本发明的三向反应谱曲线示意图；

图3(a)是本发明的弱地震场地放大反应谱曲线示意图；

图3(b)是本发明的强地震场地放大反应谱曲线示意图；

图4是本发明的侧限模量的下降比率示意图；

图5是本发明的侧限模量的下降比率曲线示意图；

图6是本发明的修正后的侧限模量下降比率示意图；

其中，1-模量下降模型构建系统，2-修正的模量下降模型构建系统，3-分析系统。

具体实施方式：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

正如背景技术所介绍的，现有技术中克服现有技术中对于岩土材料非线性特征的分析中存在的明显外界扰动的问题，以及得到较为细致的场地土的非线性传递函数幅频特性和定量结果的花费高昂且数据样本少的问题，提供一种岩土材料非线性特征的分析系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种岩土材料非线性特征的分析系统，该系统包括模量下降模型构建系统、修正的模量下降模型构建系统和分析系统；

所述模量下降模型系统通过下列步骤进行模量下降模型的构建：

(1)获取观测数据：从地震监测系统中获得海量的观测数据，采用傅里叶转换法对观测数据进行处理，获得三向反应谱曲线；

(2)绘制场地平均放大反应谱曲线：根据步骤(1)中的三向反应谱曲线，计算场地放大反应谱曲线，计算场地平均放大反应谱曲线，并对场地平均放大反应谱曲线进行绘制；

(3)计算模量下降比率和应变率:根据步骤(2)中绘制的场地平均放大反应谱曲线分析该地层的主要影响频率，计算模量下降比率和应变率；

(4)绘制模量下降比率曲线，得到模量下降模型；

所述修正的模量下降模型系统通过下列步骤进行修正的模量下降模型构建：

采用双曲线模型对修正模量下降比率曲线进行修正，得到修正的模量下降模型；

所述分析系统被配置为利用修正的模量下降模型进行岩土材料非线性特征分析的系统。

在本实施例的所述模量下降模型系统中，

所述步骤(1)中观测数据包括地表观测数据和地下观测数据；

所述地表观测数据为地表深度的三向加速度时程记录数据；

所述地下观测数据为基岩深度的三向加速度时程记录数据。

所述步骤(1)中采用傅里叶转换法对观测数据进行处理，获得三向反应谱曲线的具体步骤为：

(1-1)采用采用傅里叶转换法对地表观测数据进行处理，获得地表观测数据对应的三向反应谱曲线；

(1-2)采用采用傅里叶转换法对地下观测数据进行处理，获得地下观测数据对应的三向反应谱曲线。

在本实施例中，所述地震监测系统选用井底阵列地震监测系统，对从井底阵列地震监测系统中获得海量的观测数据，在本实施例中为了方便处理计算，从海量观测数据中选取6组弱地震数据以及9组强地震数据，采用傅里叶转换法对6组弱地震数据以及9组强地震数据进行处理，获得6组弱地震数据相对应的三向反应谱曲线和9组强地震数据相对应的三向反应谱曲线，傅里叶转换后得到的三向反应谱曲线如图2所示。

(2)绘制场地平均放大反应谱曲线：根据步骤(1)中的三向反应谱曲线，计算场地放大反应谱曲线，计算场地平均放大反应谱曲线，并对场地平均放大反应谱曲线进行绘制；

所述步骤(2)中的场地放大反应谱曲线包括弱地震场地放大反应谱曲线和强地震反应谱曲线；

所述场地平均放大反应谱曲线包括弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线。

所述步骤(2)中计算场地放大反应谱曲线和计算场地平均放大反应谱曲线的具体步骤为：

(2-1)将地表观测数据对应的三向反应谱曲线与地下观测数据对应的三向反应谱曲线相比得到场地的放大反应谱曲线；

(2-2)根据步骤(2-1)的场地的放大反应谱曲线，计算弱地震场地放大反应谱曲线和强地震反应谱曲线；

(2-3)计算弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线，并进行弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线的绘制。

计算得到的弱地震场地放大反应谱曲线和强地震反应谱曲线，如图3(a)-图3(b)所示，并分别计算得到弱地震运动的平均放大反应谱曲线和强地震运动的平均放大反应谱曲线，如图3(a)-图3(b)中粗曲线所示。

(3)计算模量下降比率和应变率:根据步骤(2)中绘制的场地平均放大反应谱曲线分析该地层的主要影响频率，计算模量下降比率和应变率；

根据步骤(2)中绘制的场地平均放大反应谱曲线分析该地层的主要影响频率，计算模量下降比率；

对计算模量下降比率进行修正，分析岩土材料非线性特征。

所述步骤(3)中的主要影响频率的分析方法为通过场地平均放大反应谱曲线中的峰值对应的频率获得主要影响频率。

在所述步骤(3)中，

通过步骤(2-3)计算的弱地震运动的平均放大反应谱曲线，分析弱地震运动的主要影响频率为fweak；

通过步骤(2-3)计算的强地震运动的平均放大反应谱曲线，分析强地震运动的主要影响频率为fstrong。

在所述步骤(3)中，

计算所述模量下降比率n/nmax采用的公式为：

其中，vstrong为强地震运动的波速，vweak为弱地震运动的波速，fweak为弱地震运动的主要影响频率，fstrong为强地震运动的主要影响频率。

计算所述应变率采用的公式为：

其中，a为峰值对应的竖向加速度，v′p为靠近地表面的p波波速，fpsurface为地表的主要影响频率，

当模量采用剪切模量时采用对应的剪应变此时r为有效孔隙率，当模量采用侧限模量时r为1。

(4)绘制模量下降比率曲线，得到模量下降模型；

在所述步骤(4)中，绘制模量下降比率曲线，得到模量下降模型的具体步骤为：

将计算模量下降比率得到的点绘制在体压缩率为横坐标以模量下降比率为纵坐标的笛卡尔坐标系中，并根据地层的侧限模量的大小进行分成三部分，对每一部分中的点进行曲线拟合，得到每一部分的最佳拟合曲线形成模量下降比率曲线，构建出模量下降模型。

在本实施例中，侧限模量的模量下降比率如图4所示，并根据地层的侧限的大小进行分成0-60kpa、60-120kpa和120-180kpa三部分，对每一部分中的点进行曲线拟合，得到每一部分的最佳拟合曲线，得到每一部分的最佳拟合曲线，组成模量下降比率曲线，侧限模量的下降比率曲线示意图如图5所示，由模量下降比率曲线构建出模量下降模型。

在本实施例的所述修正的模量下降模型系统中，

采用双曲线模型对修正模量下降比率曲线进行修正，得到修正的模量下降模型；

对侧限模量下降曲线进行数学修正，采用帝国理工大学的双曲线模型对得到的侧限模量下降比率曲线进行修正，得到修正的模量下降模型，修正后的侧限模量下降比率示意图如图6所示。

修正后的模量下降模型为：

其中，b为模型参数，ε为应变率。

在本实施例中，模型参数b与有效垂直围压σ′v呈线性关系

b＝-60σ′v+10907，

把模型参数b带入修正后的模量下降比率公式得到最后的模量下降比率。

在本实施例的所述分析系统中，

所述分析系统被配置为利用修正的模量下降模型进行岩土材料非线性特征分析的系统。

本实施例的基本原理：

本实施例是基于kik-net井底阵列地震监测系统，通过传递函数来分析岩土材料在地震过程中的非线性性质。其中采用地震过程中模量的下降比率来表征岩土材料在遭受地震过程中表现出来的非线性特征。

岩土材料的基本频率为

f＝ω/2π＝vs/4h

其中，ω是角速度，vs是波速，h是土层厚度。

在本实施例中，岩土材料地震过程中非线性性质通过模量的下降比率来表示，模量的下降比率即地震过程中岩土材料的模量与原状岩土材料的模量的比值：

n/nmax；

其中，n是岩土材料的模量，nmax是原状岩土材料的模量；

同时岩土材料的模量如侧限模量和剪切模量等在地震过程中与地震波在岩土材料中的传递速度有明显的二次关系：

n＝ρv²＝16ρh²f²，

其中，ρ是岩土密度，v是波速，f是岩土材料的基本频率；

地震过程中的s波只影响岩土材料的剪切模量，而地震过程中的p波只是影响岩土材料的侧限模量。

在本实施例中采用侧限模量分析岩土材料非线性性质，将公式中对应的波速v和岩土材料的基本频率f换成与侧限模量相对应的波速和岩土材料的基本频率。

当岩土材料遭受到强烈地震运动时的模量为

nstrong＝ρv²＝16ρh²fstrong²

当岩土材料遭受到弱地震运动时的模量为

nweak＝ρv²＝16ρh²fweak²

当岩土体材料遭受到弱运动时模量下降幅度较小，最接近原状岩土材料的模量，将岩土材料在遭受弱地震运动时所对应的模量作为是原状岩土材料的模量，同时，岩土材料在遭受弱地震运动时所对应的模量也是最大模量即

nmax＝nweak

进一步可以得出岩土材料在经受地震运动时，模量的下降比率为

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

本实施例的有益效果：

(1)本发明为构建岩土材料的非线性模型提供了一种岩土材料非线性特征的分析系统，在该系统中构建新的模型对岩土材料非线性特征进行分析，该种模型的构建中采用地震监测系统的观测数据，避免了试验室中还原地震中对土体的扰动作用和现场原位试验中花费巨大的问题。

(2)本发明基于地震监测系统提供的大量的观测数据，消除了多源异构数据中存在的重复和不一致问题。

(3)本发明中一种岩土材料非线性特征的分析系统中分析参数较少，且参数意义明确，准确度较高，易于推广应用于实际岩土工程中的计算与分析。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。