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水下地基场地的地震动力响应研究已经成为海洋结构地震响应分析及水下工程开发的热点方向，它既可以为海洋场地地震小区划提供依据，也可以为水下管线、海底隧道等水下结构的地震反应分析奠定基础，更可以为保证该类地下结构的安全建设和运营提供科学支持。目前，水下地基场地动力响应的计算主要是将水下饱和土层假定为单相介质，这忽视了饱和土体固液两相间惯性、黏性及其耦合作用的特性，尽管有一些利用Biot饱和多孔介质波动理论分析饱和土体动力响应的研究成果，但多集中在土性参数本身对整体动力响应的影响上，而未考虑水深和水下软土层等不同情况的影响，且饱和土的研究多局限在线弹性的范围内，一系列实验和理论研究均表明土是一种强非线性的材料，即使在很小的地震力作用下也会表现出很强的非线性，因此有必要考虑饱和土层的非线性效应。另一方面，水下隧道的动力研究大多利用计算流体力学(CFD)的方法，在简化的有效应力法的基础上考虑了水层的影响，这并不能模拟出水与饱和土体和饱和土体自身的流固耦合作用。此外，相比于水下隧道横断面，纵向刚度较小跨度较大，其纵向更容易受到地震引起的地面空间非一致运动的影响，导致其内力和变形在纵向上有很大的差异，因此，水下隧道的纵向动力特性的研究值得引起重视。本文依托于国家重点基础研究发展计划(973计划)，主要针对水下地基场地地震动分析方法及应用展开研究，并取得了一些初步的研究成果：
(1)建立了水下单层饱和土地基场地模型，得到了平面波入射下水下单层饱和土地基场地动力响应的解析解。水下单层饱和土地基场地包含基岩、饱和土层和水层3种不同性质的介质，分别假定为不透水的单相弹性介质、水饱和多孔介质和理想可压缩流体。基于单相弹性介质、Biot饱和多孔介质和理想流体弹性波动理论，利用波动分析法，建立了平面P波和SV波斜入射时水下单层饱和土地基场地的波幅方程组，得到了水下地基场地波动问题的位移和应力频域解析表达式，并与现有的文献进行了动孔隙水压力结果的对比，验证了方程组的正确性。根据解析解，分析了在饱和土层参数和入射波角度及频率变化时，水深对场地位移和应力频域响应的影响规律。
(2)建立了水下成层饱和土地基场地模型，在水下单层饱和土地基场地动力响应解析解的基础上，得到了平面波入射下水下成层饱和土地基场地动力响应的解析解。基于Biot饱和多孔介质波动理论，根据成层饱和土层间位移和应力的边界条件，通过位移势函数表达式建立了成层土的波幅方程组；再将成层土的波幅系数矩阵及未知波幅列向量分别组装到水下单层饱和土的波幅系数矩阵及未知波幅列向量中，形成了水下成层饱和土地基场地的整体波幅系数方程组和未知波幅系数矩阵。通过与现有文献结果的对比，验证了计算方法的正确性。利用解析解，结合水深变化，研究了平面P波和SV波斜入射时软土层的厚度及埋深对位移频域响应的影响规律。
(3)基于成层饱和介质场地的一维化时域算法，建立了水下地基场地地震动一维化时域算法，分别考虑了阻尼的影响和扩展到了二维自由场地的计算中。通过与水下成层饱和土地基场地的解析解进行对比，验证了一维化方法的正确性。将Rayleigh阻尼引入到水下地基场地的一维化时域方法中，考虑了阻尼的影响，并与利用频域阻尼的对应原理和傅里叶变换得到时域的理论解进行对比，研究了Rayleigh阻尼应用于水下地基场地一维化方法的可行性；并利用行波传播的规律，将其扩展至二维自由场地的计算中，通过对比时域的理论解验证了合理性。
(4)基于等效线性化方法近似考虑了水下饱和土体的非线性效应，建立了平面波斜入射时水下成层饱和土地基场地的非线性分析方法。在本文建立的平面波斜入射时水下成层饱和土地基场地动力响应的解析解的基础上，利用等效线性化方法，建立了可以考虑饱和土非线性效应的计算方法，并将水下成层土场地退化为成层单相场地并选取了EERA软件说明手册的计算实例，通过土层表面的加速度时程曲线与EERA计算的结果进行了对比，验证了水下成层饱和土地基场地等效线性化迭代计算方法的正确性。利用该方法研究了地震动强度、水深以及软土层厚度对场地非线性加速度响应的影响规律。
(5)基于纵向整体式反应位移法，利用等效线性化方法近似考虑了水下饱和土体的非线性效应，建立了水下隧道纵向动力特性分析方法。首先采用水下成层饱和土地基场地的等效线性化方法，考虑了水下隧道围岩的非线性效应，得到了水下自由场地的非线性位移响应时程；然后利用隧道的纵向整体式反应位移法，确定最不利时刻的输入位移，结合ABAQUS有限元软件建立了自由场地模型，得到了等效地震荷载，作用于ABAQUS有限元软件建立的土层-隧道相互作用模型上；最后，计算和分析了天津波和唐山波入射下，水下地基场地中水深、饱和土的刚度、地震动强度与隧道的刚度对水下隧道纵向动力特性的影响规律。
(1)建立了水下单层饱和土地基场地模型，得到了平面波入射下水下单层饱和土地基场地动力响应的解析解。水下单层饱和土地基场地包含基岩、饱和土层和水层3种不同性质的介质，分别假定为不透水的单相弹性介质、水饱和多孔介质和理想可压缩流体。基于单相弹性介质、Biot饱和多孔介质和理想流体弹性波动理论，利用波动分析法，建立了平面P波和SV波斜入射时水下单层饱和土地基场地的波幅方程组，得到了水下地基场地波动问题的位移和应力频域解析表达式，并与现有的文献进行了动孔隙水压力结果的对比，验证了方程组的正确性。根据解析解，分析了在饱和土层参数和入射波角度及频率变化时，水深对场地位移和应力频域响应的影响规律。
(2)建立了水下成层饱和土地基场地模型，在水下单层饱和土地基场地动力响应解析解的基础上，得到了平面波入射下水下成层饱和土地基场地动力响应的解析解。基于Biot饱和多孔介质波动理论，根据成层饱和土层间位移和应力的边界条件，通过位移势函数表达式建立了成层土的波幅方程组；再将成层土的波幅系数矩阵及未知波幅列向量分别组装到水下单层饱和土的波幅系数矩阵及未知波幅列向量中，形成了水下成层饱和土地基场地的整体波幅系数方程组和未知波幅系数矩阵。通过与现有文献结果的对比，验证了计算方法的正确性。利用解析解，结合水深变化，研究了平面P波和SV波斜入射时软土层的厚度及埋深对位移频域响应的影响规律。
(3)基于成层饱和介质场地的一维化时域算法，建立了水下地基场地地震动一维化时域算法，分别考虑了阻尼的影响和扩展到了二维自由场地的计算中。通过与水下成层饱和土地基场地的解析解进行对比，验证了一维化方法的正确性。将Rayleigh阻尼引入到水下地基场地的一维化时域方法中，考虑了阻尼的影响，并与利用频域阻尼的对应原理和傅里叶变换得到时域的理论解进行对比，研究了Rayleigh阻尼应用于水下地基场地一维化方法的可行性；并利用行波传播的规律，将其扩展至二维自由场地的计算中，通过对比时域的理论解验证了合理性。
(4)基于等效线性化方法近似考虑了水下饱和土体的非线性效应，建立了平面波斜入射时水下成层饱和土地基场地的非线性分析方法。在本文建立的平面波斜入射时水下成层饱和土地基场地动力响应的解析解的基础上，利用等效线性化方法，建立了可以考虑饱和土非线性效应的计算方法，并将水下成层土场地退化为成层单相场地并选取了EERA软件说明手册的计算实例，通过土层表面的加速度时程曲线与EERA计算的结果进行了对比，验证了水下成层饱和土地基场地等效线性化迭代计算方法的正确性。利用该方法研究了地震动强度、水深以及软土层厚度对场地非线性加速度响应的影响规律。
(5)基于纵向整体式反应位移法，利用等效线性化方法近似考虑了水下饱和土体的非线性效应，建立了水下隧道纵向动力特性分析方法。首先采用水下成层饱和土地基场地的等效线性化方法，考虑了水下隧道围岩的非线性效应，得到了水下自由场地的非线性位移响应时程；然后利用隧道的纵向整体式反应位移法，确定最不利时刻的输入位移，结合ABAQUS有限元软件建立了自由场地模型，得到了等效地震荷载，作用于ABAQUS有限元软件建立的土层-隧道相互作用模型上；最后，计算和分析了天津波和唐山波入射下，水下地基场地中水深、饱和土的刚度、地震动强度与隧道的刚度对水下隧道纵向动力特性的影响规律。