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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