Nonlinear vibrations of soil strata according to instrumental and numerical data
Authors: Заалишвили В.Б. , Мельков Д.А. , Габараев А.Ф. , Мерзликин Т.И. 
Published: December 2021

Исследования нелинейных явлений в грунтах, начатые в России почти 60 лет назад, явились стимулом современного развития исследований сейсмоаномальных явлений в комплексе геофизических показателей, наблюдающихся при сильных и разрушительных землетрясениях. Кроме чисто научных интересов большой интерес вызывает вопрос прогнозирования поведения грунтов и сооружений с точки зрения адекватности ожидаемому проявлению сейсмического воздействия. Адекватное изучение нелинейности, являющейся неотъемлемой характеристикой природных явлений, позволит приблизить соответствующее антисейсмические мероприятия к реальным особенностям проявлений сейсмического эффекта при сильных землетрясениях. Цельюработы являлось построение расчетной модели, описывающей явления, наблюдаемые в грунтовой среде при сильных сейсмических воздействиях и сопоставление расчетных данных с результатами инструментальных наблюдений. Методы. В работе анализируется иснтрументальная запись, полученная на слабых грунтах, на сонове вейвлет нанализа. Моделируются импульсы различной проолжитлеьности в среде с различной стпенью проявления нелинейных свойст (кртутизны нелиненйой заивисисмоти напряжение -деформация) методом конечных элементов. Результаты. В результате установлены различия в спектральном составе моделируемых импульсов. Сильное проявление нелинейных свойств характеризуется резкими изменениями фаз колебаний, в фазах высокой скорости нарастания амплитуд. В нелинейных спектрах происходит перераспределение энергии в более высокочастотную область, кратную основному пику, тем сильнее, чем сильнее нелинейность кривой наряжение-деформация.

Studies of nonlinear phenomena in soils, which began in Russia almost 60 years ago, have stimulated the modern development of studies of seismically anomalous phenomena in the complex of geophysical indicators observed during strong and destructive earthquakes. In addition to scientific interests, the issue of forecasting the behavior of soils and structures from the point of view of adequacy to the expected manifestation of seismic impact is of great interest. An adequate study of nonlinearity, which is an integral characteristic of natural phenomena, will make it possible to bring the corresponding antiseismic measures closer to the real features of the manifestations of the seismic effect during strong earthquakes. Aim. The aim of the work was to build a computational model describing the phenomena observed in a soil medium under strong seismic effects and to compare the computed data with the results of instrumental observations. Methods.The paper analyzes an instrumental record obtained on soft soils using wavelet analysis. With the help of the finite element method pulses of different duration are modeled in a medium with different degrees of nonlinear properties manifestation (steepness of nonlinear stress-strain dependence). Results. As a result, differences in the spectral composition of the modeled pulses were determined. A strong manifestation of nonlinear properties is characterized by sharp changes in the phases of vibrations, in the phases of a high rate of amplitude rise. In nonlinear spectra, the energy is redistributed to a higher frequency region, which is a multiple of the main peak and the stronger the nonlinearity of the stress-strain curve is stronger.