側向非均勻土層之地表受震反應

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裴廣宇(Kuang-Yeu Pei) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

側向非均勻土層之地表受震反應

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摘要(中)

使用一維模式分析是否能在複雜的土層環境下模擬地表之受震反應並由此作為設計依據，至今多有疑問，因此本研究的目的在探討一維模式分析地表受震反應的適用性與合理性，以及側向非均勻土層在地表受震反應中所扮演的角色。本研究利用非線性二維有限元素法進行分析，其中土壤的非線性行為採用帽蓋模式來模擬。
由研究的結果發現，一維分析可以模擬彈性均勻土層的地表受震反應，但無法正確模擬彈塑性土壤受強震下之地表受震反應，亦無法反映側向非均勻土層對於地表受震的影響。當場址存在側向非均勻土層時，將嚴重影響地表受震的反應特性與大小程度。軟弱土層之雙側存在堅硬土層時，因軟弱土層內地震波能量集中，二維分析之結果大於一維分析，此時若以一維分析之結果作為設計的依據將嚴重低估地表受震反應。

摘要(英)

It has long been recognized that site effect of the lateral heterogeneity of the ground can significantly affect the strong ground motion. In this study, a nonlinear two dimensional finite element model is adopted to investigate the effect of lateral inhomogeneity on the surface motion due to earthquakes. The nonlinearity of soil is assumed to follow the cap model.
When the soil stratum is uniform and assumed to be elastic , the 1D analysis can predict the same response as 2D analysis , while it is not true for the nonlinear analysis . As for the case of soil stratum with lateral inhomogeneity , the 1D analysis will not be able to predict the response based on the 2D analysis . If a zone of weak soil is surrounded by a hard soil , due to the concentration of earthquake energy in the weak zone , the results obtained form 2D analysis are in general larger than those of 1D analysis , indicating that in such a case the case of 1D analysis will significantly underestimate the response of soil stratum .

關鍵字(中)

★ 側向非均勻土層
★ 彈塑性分析
★ 有限元素法

關鍵字(英)

★ finite element method
★ elasto-plastic analysis
★ lateral heterogeneity of ground

論文目次

目錄I
表目錄III
圖目錄V
附圖目錄XIII
第一章緒論1
1-1 研究動機1
1-2 研究方法2
1-3 文獻回顧2
1-4 論文內容6
第二章理論推導7
2-1 前言7
2-2 系統的控制方程式7
2-3 分析系統控制方程式之有限元素解析11
2-4 多孔介質的邊界處理15
2-5 土壤之非線性模式17
2-6 運動方程式之時間積分方法19
2-7 分析流程21
第三章均勻土層的案例分析22
3-1 前言22
3-2 輸入地震與分析模型的介紹22
3-3 一維模式與二維模式分析結果的比較25
I
3-3-1 堅硬土層25
3-3-2 軟弱土層28
3-3-3 小結31
3-4 地震維度對地表受震反應的影響32
第四章側向非均勻土層的案例分析36
4-1 前言36
4-2 輸入地震與分析模型的介紹37
4-3 不均勻土層深度與土層厚度相同之受震反應分析38
4-3-1 案例一分析結果與討論38
4-3-2 案例二分析結果與討論41
4-3-3 案例三分析結果與討論44
4-3-4 小結47
4-4 地表局部存在不均勻土層之受震反應分析48
4-4-1 案例四分析結果與討論48
4-4-2 案例五分析結果與討論51
4-4-3 案例六分析結果與討論53
4-4-4 小結56
第五章結論與建議57
5-1 結論57
5-2 建議58
參考文獻60
II
表目錄
表3-1 土壤之材料參數值64
表3-2 厚度40公尺之堅硬彈性及彈塑性土層於單向強震與弱
震作用下不同深寬比之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值65
表3-3 厚度20公尺之堅硬彈性及彈塑性土層於單向強震與弱震作用下不同深寬比之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值66
表3-4 厚度40公尺之軟弱彈性及彈塑性土層於單向強震與弱震作用下不同深寬比之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值67
表3-5 厚度20公尺之軟弱彈性及彈塑性土層於單向強震與弱震作用下不同深寬比之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值68
表3-6 厚度40公尺之堅硬彈性及彈塑性土層於雙向強震與弱震作用下不同深寬比之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值69
表4-2 案例一之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值72
表3-7 厚度40公尺之軟弱彈性及彈塑性土層於雙向強震與弱震作用下不同深寬比之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值70
表4-1 案例一之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值71
III
表4-3 案例二之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值73
表4-4 案例二之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值74
表4-5 案例三之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值75
表4-6 案例三之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值76
表4-7 案例四之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值77
表4-8 案例四之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值78
表4-9 案例五之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值79
表4-10 案例五之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值80
表4-11案例六之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值81
表4-12案例六之地表水平運動的加速度反應譜、反應譜比以及地表水平加速度之最大值82
IV
圖目錄
圖2-1 帽蓋模式示意圖83
圖2-2 undyn1程式之數值運算流程圖84
圖3-1 均勻土層模型示意圖85
圖3-2 一維土層模型示意圖86
圖3-3 厚度40公尺之堅硬彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜87
圖3-4 厚度40公尺之堅硬彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比88
圖3-5 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜89
圖3-6 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比90
圖3-7 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜91
圖3-8 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之反應譜比92
圖3-9 厚度20公尺之堅硬彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜93
圖3-10 厚度20公尺之堅硬彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比94
圖3-11 厚度20公尺之堅硬彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜95
圖3-12 厚度20公尺之堅硬彈塑性土層於單向強震作用下不同
V
深寬比之反應譜比96
圖3-13 厚度20公尺之堅硬彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜97
圖3-14 厚度20公尺之堅硬彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之反應譜比98
圖3-15 厚度40公尺之軟弱彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜99
圖3-16 厚度40公尺之軟弱彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比100
圖3-17 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜101
圖3-18 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比102
圖3-19 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜103
圖3-20 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之反應譜比104
圖3-21 厚度20公尺之軟弱彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜105
圖3-22 厚度20公尺之軟弱彈性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比106
圖3-23 厚度20公尺之軟弱彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜107
圖3-24 厚度20公尺之軟弱彈塑性土層於單向強震作用下不同
深寬比之反應譜比108
VI
圖3-25 厚度20公尺之軟弱彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜109
圖3-26 厚度20公尺之軟弱彈塑性土層於單向弱震作用下不同
深寬比之反應譜比110
圖3-27 厚度40公尺之堅硬彈性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜111
圖3-28 厚度40公尺之堅硬彈性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之反應譜比112
圖3-29 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜113
圖3-30 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之反應譜比114
圖3-31 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於雙向弱震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜115
圖3-32 厚度40公尺之堅硬彈塑性土層於雙向弱震作用下不同
深寬比之反應譜比116
圖3-33 厚度40公尺之軟弱彈性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜117
圖3-34 厚度40公尺之軟弱彈性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之反應譜比118
圖3-35 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜119
圖3-36 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於雙向強震作用下不同
深寬比之反應譜比120
圖3-37 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於雙向弱震作用下不同
VII
深寬比之地表水平運動的加速度反應譜121
圖3-38 厚度40公尺之軟弱彈塑性土層於雙向弱震作用下不同
深寬比之反應譜比122
圖4-1 案例一和案例二之土層模型示意圖123
圖4-2 案例三之土層模型示意圖124
圖4-3 案例四和案例五之土層模型示意圖125
圖4-4 案例六之土層模型示意圖126
圖4-5 案例一於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN810129-020 ) 127
圖4-6 案例一於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN810129-020 ) 128
圖4-7 案例一於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-020 ) 129
圖4-8 案例一於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-020 ) 130
圖4-9 案例一於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-001 ) 131
圖4-10 案例一於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-001 ) 132
圖4-11 案例一於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN861114-020 ) 133
圖4-12 案例一於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN861114-020 ) 134
圖4-13 案例一於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114-020 ) 135
圖4-14 案例一於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
VIII
CN861114-020 ) 136
圖4-15 案例一於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114-001 ) 137
圖4-16 案例一於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-001 ) 138
圖4-17 案例二於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN810129-020 ) 139
圖4-18 案例二於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN810129-020 ) 140
圖4-19 案例二於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-020 ) 141
圖4-20 案例二於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-020 ) 142
圖4-21 案例二於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-001 ) 143
圖4-22 案例二於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-001 ) 144
圖4-23 案例二於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN861114-020 ) 145
圖4-24 案例二於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN861114-020 ) 146
圖4-25 案例二於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -020 ) 147
圖4-26 案例二於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-020 ) 148
圖4-27 案例二於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
IX
( 彈塑性分析，CN861114 -001 ) 149
圖4-28 案例二於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-001 ) 150
圖4-29 案例三於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN810129 -020 ) 151
圖4-30 案例三於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN810129-020 ) 152
圖4-31 案例三於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129 -020 ) 153
圖4-32 案例三於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-020 ) 154
圖4-33 案例三於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129 -001 ) 155
圖4-34 案例三於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-001 ) 156
圖4-35 案例三於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN861114 -020 ) 157
圖4-36 案例三於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN861114-020 ) 158
圖4-37 案例三於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -020 ) 159
圖4-38 案例三於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-020 ) 160
圖4-39 案例三於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -001 ) 161
圖4-40 案例三於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
X
CN861114-001 ) 162
圖4-41 案例四於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN810129-020 ) 163
圖4-42 案例四於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN810129-020 ) 164
圖4-43 案例四於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-020 ) 165
圖4-44 案例四於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-020 ) 166
圖4-45 案例四於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-001 ) 167
圖4-46 案例四於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-001 ) 168
圖4-47 案例四於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN861114-020 ) 169
圖4-48 案例四於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN861114-020 ) 170
圖4-49 案例四於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114-020 ) 171
圖4-50 案例四於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-020 ) 172
圖4-51 案例四於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114-001 ) 173
圖4-52 案例四於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-001 ) 174
圖4-53 案例五於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
XI
( 彈性分析，CN810129-020 ) 175
圖4-54 案例五於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN810129-020 ) 176
圖4-55 案例五於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-020 ) 177
圖4-56 案例五於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-020 ) 178
圖4-57 案例五於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129-001 ) 179
圖4-58 案例五於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-001 ) 180
圖4-59 案例五於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN861114-020 ) 181
圖4-60 案例五於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN861114-020 ) 182
圖4-61 案例五於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -020 ) 183
圖4-62 案例五於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-020 ) 184
圖4-63 案例五於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -001 ) 185
圖4-64 案例五於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-001 ) 186
圖4-65 案例六於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN810129 -020 ) 187
圖4-66 案例六於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
XII
CN810129-020 ) 188
圖4-67 案例六於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129 -020 ) 189
圖4-68 案例六於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-020 ) 190
圖4-69 案例六於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN810129 -001 ) 191
圖4-70 案例六於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN810129-001 ) 192
圖4-71 案例六於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈性分析，CN861114 -020 ) 193
圖4-72 案例六於強震作用下之反應譜比( 彈性分析，
CN861114-020 ) 194
圖4-73 案例六於強震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -020 ) 195
圖4-74 案例六於強震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-020 ) 196
圖4-75 案例六於弱震作用下之地表水平運動的加速度反應譜
( 彈塑性分析，CN861114 -001 ) 197
圖4-76 案例六於弱震作用下之反應譜比( 彈塑性分析，
CN861114-001 ) 198
附圖目錄
XIII
附圖A-1 地震記錄正規化後之歷時（PGA = 0.20g） 199
附圖A-2 地震記錄正規化後之反應譜及富氏譜
（PGA = 0.20g） 200
XIV

參考文獻

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指導教授

陳慧慈(Huei-Tsyr Chen)

審核日期

2002-7-8

推文