土石坝地震工程学PDF电子书下载

第1章　地震 1

1.1　地球的结构 1

1.2　地震的成因和类型 3

1.2.1　地震的成因 3

1.2.2　地震的类型 5

1.3　震源、震中 5

1.4　地震的活动性、地震波和地震观测 7

1.4.1　地震的活动性 7

1.4.2　地震波 10

1.4.2.1　体波 10

1.4.2.2　面波 14

1.4.2.3　地震波 16

1.4.3　地震观测 17

1.4.3.1　强震仪 17

1.4.3.2　土石坝强震监测布置 23

1.5　地震的破坏现象 26

1.5.1　地表和地基的破坏现象 26

1.5.1.1　地裂、塌陷 26

1.5.1.2　山崩、滑坡 28

1.5.1.3　液化、喷砂、冒水 29

1.5.1.4　地震泥石流 29

1.5.1.5　地震堰塞湖 29

1.5.2　建筑物的破坏现象 30

1.5.2.1　工业民用建筑物的破坏 30

1.5.2.2　水工建筑物的破坏 30

1.5.3 次生灾害 32

1.6　地震的震级 33

1.6.1　根据地震仪记录确定震级 33

1.6.2　根据断层参数确定震级 34

1.6.3　地震震级与释放能量的关系 35

1.7　地震动的最大振幅、周期、振速 36

1.8　地震烈度 37

1.8.1　基本烈度和设计烈度 41

1.8.1.1　基本烈度 41

1.8.1.2　设计烈度 43

1.8.2　抗震设计标准 43

1.9　地震加速度时程曲线 45

1.9.1　推算设计加速度时程曲线的步骤 45

1.9.2 坝址（厂址）的基岩运动最大加速度、卓越周期和地震持续时间 45

1.9.3　坝址（厂址）设计地震加速度时程曲线 48

1.10　随机地震动模型及其参数确定 50

1.10.1　随机地震动的模型及其待定参数的确定 51

1.10.1.1　平稳模型及其待定参数的确定 51

1.10.1.2　非平稳模型及其待定参数的确定 55

1.10.2　按震级、震中距和场地条件确定模型参数 57

1.10.2.1　强震记录的统计结果 57

1.10.2.2　随机地震动模型参数的确定 58

1.10.3　按地震烈度和场地条件确定模型参数 60

参考文献 62

第2章　地震反应计算基础 64

2.1　单自由度体系的自振反应和地震反应计算 64

2.1.1 自振反应 64

2.1.1.1　自振运动方程 64

2.1.1.2　阻尼力、阻尼系数、阻尼比 66

2.1.2　地震反应 68

2.1.2.1　运动方程 68

2.1.2.2　无阻尼体系的地震反应 69

2.1.2.3　有阻尼体系的地震反应 71

2.1.2.4　反应谱 74

2.2　单自由度体系地震反应计算的逐步数值积分法 79

2.2.1　线性加速度法 79

2.2.2　Wilson-θ法 81

2.2.3　Newmark法 83

2.2.4　非线性的单自由度体系的逐步数值积分法 84

2.2.4.1　用递推法求非线性单自由度体系的反应 85

2.2.4.2　用增量方程式求非线性单自由度体系的反应 86

2.3　多自由度体系的自振反应和地震反应计算 90

2.3.1　自振反应 90

2.3.1.1　运动方程 90

2.3.1.2　无阻尼自振频率 91

2.3.1.3　振型分析 92

2.3.1.4　振型的正交性 95

2.3.1.5　阻尼矩阵的建立 96

2.3.2　地震反应 98

2.3.2.1　正则坐标 98

2.3.2.2　运动方程 99

2.3.2.3　地震反应计算 101

2.3.2.4　振型组合方式 102

2.4　多自由度体系地震反应计算的逐步数值积分法 105

参考文献 107

第3章　土的动力性质和动力本构模型 108

3.1 土的动应力应变关系的基本特点 108

3.2　土的线性动力本构模型 109

3.2.1　基本元件 109

3.2.2　等效线性模型 110

3.2.3　线性黏弹性模型 111

3.3　土的非线性动力本构模型 112

3.3.1　双线性模型 112

3.3.2　Ramberg-Osgood模型及Davidenkov模型 113

3.3.3　Hardin-Drnevich模型 116

3.4　土的弹塑性动力本构模型和内时动力本构模型 118

3.4.1　弹塑性模型 118

3.4.2 内时模型 122

3.5　动剪切模量和阻尼比的经验估计 122

3.5.1　Gmax、τmax、λeq,max的经验公式 122

3.5.2　剪切模量G和阻尼比λ的简化公式 124

3.5.2.1　砂土和砂卵石 124

3.5.2.2　饱和黏土 125

3.6　土的动参数的试验测定 126

3.6.1　室内测试 126

3.6.1.1　试验类型 126

3.6.1.2　振动三轴试验 128

3.6.1.3　共振柱试验 130

3.6.2　原位测试 133

3.6.2.1　物理勘探法 133

3.6.2.2　表面振动法 134

3.6.2.3　平板承载试验 134

参考文献 135

第4章　饱和砂土和软土的液化 137

4.1　液化及影响因素 137

4.1.1　液化 137

4.1.2　影响因素 138

4.1.2.1　颗粒组成 138

4.1.2.2　相对密度 139

4.1.2.3　初始应力状态 141

4.1.2.4　震动强度和持续时间 143

4.2　振动液化试验 144

4.2.1　等效振动次数 144

4.2.2　循环剪切（振动液化）试验的破坏标准 146

4.2.3　几类振动液化试验 147

4.2.3.1　振动三轴试验 147

4.2.3.2　振动单剪试验 150

4.2.3.3　振动扭剪试验 152

4.2.3.4　大型振动单剪试验 153

4.3　振动孔隙水压力计算模型 156

4.3.1　应力模型 156

4.3.2　应变模型 158

4.3.3　内时模型 159

4.3.4　顾淦臣动孔压模型 160

4.4　水平地基的地震液化计算 163

4.4.1　剪应力对比法 163

4.4.2　Seed简化法 163

4.4.3　有效应力法 167

4.5　粗判水平地基液化的方法 168

参考文献 170

第5章　地震永久变形计算方法 174

5.1　滑动体位移计算方法 174

5.1.1　Newmark法 174

5.1.2　Makdisi-Seed简化法 176

5.2　块体旋滑法 178

5.2.1　计算原理 178

5.2.2　计算步骤 179

5.2.3　计算实例 180

5.3　整体变形分析方法 183

5.3.1　软化模量法 183

5.3.1.1　初步近似法 183

5.3.1.2　线性修正模量法 184

5.3.1.3　非线性修正模量法 184

5.3.2　等效结点力法 185

5.3.2.1　Serff-Seed等效结点力法 185

5.3.2.2　Tamiguchi等效惯性力法 186

5.3.3　沈珠江法 187

参考文献 193

第6章　土体动力反应计算原理 195

6.1　概述 195

6.2　动力反应计算控制方程 196

6.2.1　基本方程 196

6.2.2　总应力法动力控制方程 199

6.2.3　有效应力法动力控制方程 199

6.2.3.1 不排水有效应力法动力控制方程 199

6.2.3.2　排水有效应力法动力控制方程 200

6.3　边界条件及求解步骤 203

6.3.1　边界条件 203

6.3.2　求解步骤 205

6.3.2.1　总应力分析法 205

6.3.2.2　不排水有效应力法 206

6.3.2.3　排水有效应力法 206

6.4　土体有限元动力分析基础 207

6.4.1　单元的数学力学分析 207

6.4.1.1　坝体及地基单元 207

6.4.1.2　接触面单元 210

6.4.1.3　伸缩缝止水连接单元 212

6.4.1.4　局部坐标与整体坐标的转换 212

6.4.2　质量矩阵、阻尼矩阵、劲度矩阵 213

6.4.2.1　质量矩阵 213

6.4.2.2　阻尼矩阵 214

6.4.2.3　劲度矩阵 215

6.4.3　基频的计算 215

参考文献 216

第7章　土石坝地震反应计算 218

7.1　剪切楔法 218

7.1.1　土石坝横向地震反应计算 218

7.1.1.1　坝体G为常数时，坝体地震反应计算 219

7.1.1.2　坝体G=Go(Z/H)1/2时，坝体地震反应计算 224

7.1.1.3　利用反应谱计算地震最大反应 226

7.1.1.4　考虑动应力应变关系非线性的地震反应计算 229

7.1.1.5　非岩石坝基上的土石坝和坝基的地震反应计算 231

7.1.1.6　V形河谷土石坝横向地震反应简化计算 232

7.1.2　土石坝纵向地震反应计算 233

7.1.2.1　矩形河谷土石坝纵向地震反应计算 233

7.1.2.2　V形河谷土石坝纵向地震反应计算 237

7.2　面板堆石坝地震反应的有限元计算 239

7.2.1　筑坝材料、接触面和止水材料的静力本构模型 239

7.2.1.1　堆石料静力本构模型 239

7.2.1.2　接触面静力本构模型 243

7.2.1.3　止水材料静力本构模型 245

7.2.2　筑坝材料、接触面和止水材料的动力本构模型 246

7.2.2.1　堆石料动力本构模型 246

7.2.2.2　混凝土动力本构模型 246

7.2.2.3　接触面动力本构模型 247

7.2.2.4　止水材料动力本构模型 247

7.2.3　考虑坝水相互作用的动力平衡方程 247

7.2.3.1　不可压缩水体坝水相互作用 248

7.2.3.2　可压缩水体坝水相互作用 251

7.2.3.3　用Westergaard公式考虑动水压力作用 253

7.2.4　面板抗滑稳定性分析 255

7.2.5　三维有限元动力计算程序 255

7.2.6　工程实例分析 258

7.3　土质心墙（斜墙）土石坝地震反应的有限元计算 262

7.3.1　振动裂缝分析 262

7.3.1.1 裂缝发生判断准则 262

7.3.1.2 累积破损度判断法 263

7.3.2　液化分析 264

7.3.2.1　总应力法——剪应力对比法 264

7.3.2.2　有效应力法 266

7.3.3　坝体抗震稳定验算 269

7.3.3.1 总应力法（Roth W.,Lee K.L,1975） 269

7.3.3.2　有效应力法（顾淦臣，1981） 270

7.3.4　工程实例分析 271

参考文献 278

第8章　土石坝及附属建筑物的震害 282

8.1　通海地震 282

8.1.1　坝体震害类型 282

8.1.2　几座土坝震害实况 283

8.1.3 坝的附属建筑物震害 286

8.2　海城地震 287

8.2.1　坝体震害类型 287

8.2.2　几座土坝震害实况 288

8.2.3　坝的附属建筑物震害 292

8.3　唐山地震 294

8.3.1　土石坝震害程度统计 295

8.3.2　坝体震害类型 295

8.3.3　两座土坝震害实况 296

8.3.4　坝的附属建筑物震害 298

8.4　渤海地震 299

8.5　汶川地震 300

8.5.1　震区内高坝的地震烈度 300

8.5.2　紫坪铺混凝土面板堆石坝的震害 303

8.5.2.1　紫坪铺混凝土面板堆石坝的设计施工 303

8.5.2.2　设计采用的地震烈度和汶川地震在坝区的实际地震烈度 304

8.5.2.3　地震损坏情况 304

8.5.2.4　紫坪铺面板堆石坝设计施工期间的地震反应计算研究 305

8.5.3　碧口水电站黏土心墙堆石坝震害 306

8.5.3.1　碧口坝区的地震危害性评价经过情况 306

8.5.3.2　碧口水电站土石坝的设计和施工 307

8.5.3.3　地震损坏情况 307

8.5.4　沙牌水电站碾压混凝土拱坝震害 309

8.5.5　宝珠寺水电站混凝土重力坝震害 309

8.5.6　几座低土石坝的损坏情况 309

8.6 日本土石坝震害 310

8.7　美国土石坝震害 313

8.8　土石坝震害事例带来的启示 317

参考文献 318

第9章　土石坝的抗震工程措施 319

9.1　坝体震陷和地震涌浪 319

9.1.1　震陷 319

9.1.2　地震涌浪 322

9.2　库岸滑坡涌浪 322

9.3　提高填土压实标准 325

9.3.1　意义和要求 325

9.3.2　黏性土的压实标准 326

9.3.3　砾质黏性土的压实标准 327

9.3.4　砂土的压实标准 329

9.3.5　砂卵石的压实标准 329

9.3.6　碾压式堆石的压实标准 330

9.3.7　关于压实标准的小结 330

9.3.8　压实机具 330

9.3.9　压实参数 334

9.3.10　坝体分区和压实参数实例 338

9.4　连接建筑物、岸边接头和裂缝的渗漏控制 340

9.4.1　连接建筑物 340

9.4.1.1　插入式连接 340

9.4.1.2　翼墙式连接 342

9.4.2　岸坡接触面整形和接触黏土 345

9.4.3　可能震裂的防渗体，渗透破坏控制 347

9.4.3.1　设置可靠的反滤层 347

9.4.3.2　铺设土工织物 349

9.4.3.3　铺设土工膜 350

9.5　坝坡和坝坡加筋 355

9.5.1　强震区土石坝的坝坡 355

9.5.2　地震区已建成的土石坝坝坡 356

9.5.3　不同坝坡的地震反应分析成果比较 358

9.5.4　坝坡加筋 358

9.5.4.1　努列克土石坝的加筋 358

9.5.4.2　坝坡用钢筋加筋 360

9.5.4.3　聚合物加筋材料 362

9.5.5　压重平台 364

9.6　活断层上建土石坝的工程措施 364

9.6.1　活断层的定义 364

9.6.2　美国两座活断层上的坝 365

9.6.2.1　柯约特（Coyote）土石坝 365

9.6.2.2　西达泉（Cedar Springs）土石坝 365

9.6.3　我国3座活断层上的坝 367

9.6.3.1　克孜尔土石坝 367

9.6.3.2　“635”工程土石坝 367

9.6.3.3　西克尔水库土坝 369

9.7　深层砂性土和软土的加密 370

9.7.1　振冲法 370

9.7.1.1　振冲法的适用范围和有效半径 371

9.7.1.2　振冲器 372

9.7.1.3　工程实例 373

9.7.2　振冲—置换桩法 374

9.7.2.1　施工步骤 374

9.7.2.2　振冲一置换桩法加密砂层和加固黏土层的原理 375

9.7.2.3　工程实例 376

9.7.3　强夯法 378

9.7.3.1　强夯法的原理 378

9.7.3.2　我国研究成果 379

9.7.3.3　强夯周围建筑物的安全距离 379

9.7.3.4　强夯设备和夯点间距 381

9.7.3.5　工程实例 381

参考文献 382

附录一　国内外发生地震统计表 384

附表1 1960年以来国外较大（7.0级以上）地震统计表 384

附表2 我国1950年以来发生的大于6.5级地震统计表 389

附录二　贝塞尔函数表 393