大量宏观震害经验和强震动观测数据表明,场地条件对地震动响应影响显著,尤其浅表覆盖土层对地表震动的放大作用十分显著。对一般工程和重大工程进行抗震设防是防震减灾的最主要途径之一,设计地震动参数确定的合理性和可靠性将直接影响到建设工程的安全性和经济性。土层地震反应分析作为地震区划和重大工程地震安全性评价的核心技术之一,是目前研究场地条件对地震动影响的最主要方法,目的就是为工程结构的抗震设防提供合理可靠的设计地震动参数。我国目前地震安全性评价所使用的主要是LSSRLI-1等效线性化程序,代表着上世纪80年代国际先进水平,程序提出至今已快30年,为我国地震区划和地震安全性评价事业做出了非常大的贡献。但是在不断的工程实践当中,LSSRLI-1也逐渐表现出了一些不足之处,尤其是在某些场地较软或输入地震动较大的情况下,LSSRLI-1计算结果不尽人意。SHAKE2000和DEEPSOIL分别代表了频域等效线性化和时域非线性计算方法的国际先进水平,对比分析表明,虽然此二者结果整体上优于LSSRLI-1,但依然存在着厚软场地放大效应体现不足的瓶颈。本论文立足我国工程建设急需,瞄准国际上软弱土层地震动计算结果“矮粗胖”及硬土中等效线性化缺少高频分量等尚未解决的难题,提出了新一代土层地震反应计算方法并编制相应的计算程序SOILQUAKE,主要完成了以下几方面的工作:(1)以经典工程波动理论为基础,推导出了土层地震反应分析的线性粘弹性精确解;四种类型场地126组工况分析表明,我国现行安评程序主要问题是软弱场地上计算剪应变偏大,导致地表响应水平偏低;通过改进剪应变计算方法,重新编制了等效线性化土层地震反应分析程序SHAKE-China,对比结果表明与SHAKE-2000具有同等精度。(2)采用新型高精度动三轴仪,就荷载频率对动剪模量和阻尼比影响开展了专门试验研究,提出了荷载频率对常规土类参考剪应变和最大阻尼比的影响模式,给出了修正系数曲线,并以此评估了考虑模量阻尼比的荷载频率相关性对地震动的影响;结果表明,荷载频率对无粘性土动剪模量和阻尼比影响很小,基本可以忽略;粘土随着荷载频率的增大,动剪模量和归一化模量比增大而阻尼比减小,影响十分显著;如不考虑模量阻尼比的荷载频率相关性,将必然会使含有粘土层的场地反应结果产生较为显著偏差。(3)提出了水平成层场地土体剪应变与震动速度关系的精确理论解答,对地震荷载作用下水平成层场地土体剪应变与震动速度之间的关系进行了解析,指出土体剪应变与震动速度的关系与波频具有强烈相关性,现有的考虑频率相关性的改进方法均是以剪应变与震动速度为恒定比例关系为基本出发点,存在明显定性错误。(4)提出了动剪模量阻尼比直接频率相关计算方法(简称“直频法”),研发了新一代土层地震反应分析方法和程序SOILQUAKE(“首克”),寓意为首先攻克现有软弱土层地震动计算结果“矮粗胖”和硬土中等效线性化缺少高频分量等求解难点。(5)实际记录检验结果表明,对硬场地和中硬场地,SOILQUAKE与SHAKE-2000和DEEPSOIL结果基本一致,与实际记录也比较接近,但SOILQUAKE相比SHAKE2000在高频部分的表现更加合理,与DEEPSOIL基本一致;对一般软场地和巨厚软场地上,SHAKE2000和DEEPSOIL严重低估了场地效应,结果基本不可靠,而SOILQUAKE与实际记录整体上最为接近,输出的加速度峰值相对偏差也都在±20%的可接受范围以内,在一般软场地上优势显著,在巨厚软场地上优势十分显著。不论从理论上还是从实际对比结果来看,本文提出的SOILQUAKE对传统方法的改进是成功的,可靠性和精度总体上全面超过了当今等效线性化和时域非线性计算方法的国际先进代表SHAKE2000和DEEPSOIL,克服了现有方法软场地震动响应普遍严重低估的缺陷,可以称为下一代土层地震反应分析方法。