王津津,張建民,郭婷婷,楊傳成,蔡文霞
(山東省地震工程研究院,山東濟(jì)南250021)
動(dòng)剪切模量和阻尼比作為土動(dòng)力特性的重要參數(shù),是土動(dòng)力計(jì)算和場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中不可或缺的內(nèi)容(蔡輝騰等,2009)。歷次地震的震害調(diào)查表明,土的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)震害有明顯的影響,土層的共振、濾波、放大效應(yīng)已受到巖土工程界的普遍重視(孫靜等,2004)。這兩個(gè)參數(shù)的選擇是否合理,將直接影響到工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
國內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,并取得了一些較為有價(jià)值的研究成果。祝龍根和吳曉峰(1988)用Dmevich共振柱儀提出了低幅剪應(yīng)變條件下福建飽和標(biāo)準(zhǔn)砂樣的G/Gmax-γd和λ-γd經(jīng)驗(yàn)公式;中國地震局1994年頒布的《中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作規(guī)范》(DB001-94)也給出了砂土G/Gmax-γd和λ-γd關(guān)系的推薦值;袁曉銘等(2000)利用改造后的共振柱儀,對(duì)來自全國中東部十幾個(gè)地區(qū)的常規(guī)土類進(jìn)行了大量試驗(yàn),給出2種固結(jié)壓力下典型土類G/Gmax-γd和λ-γd關(guān)系的推薦值(本文簡稱“推薦值”,見表3),分別適用于土體埋深小于10 m和10~20 m兩種情況。上述研究成果為合理計(jì)算土層的地震反應(yīng)提供了一定幫助。
山東省東營市地處黃河三角洲平原中北部,黃河故道及挑河以西。在微地貌類型上屬黃河三角洲平原的泛濫平原或決口扇,其覆蓋土層主要受冰期—間冰期所引起的海平面變化及黃河的影響,形成了一套以灰黃、灰黑色的粉土、粘質(zhì)砂土、粉質(zhì)粘土、粘土等為主海陸交互相沉積,沉積厚度約300 m。東營市區(qū)土層除表層土外,總體上可分為兩大類:一類為全新統(tǒng)的沉積土,為黃河多次泛濫而沉積的黃泛沖積土,主要土層為軟—流塑(局部可塑)的粘性土和稍密—中密的粉土組成,局部為粉土和粘土互層;另一類為上更新統(tǒng)的沉積土,主要土層由可塑—硬塑的粘土和中密—密實(shí)的粉土組成??紤]儀器性能及鉆探影響,本文選取土樣的取樣范圍在研究區(qū)全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)上部,以粉質(zhì)黏土、粘土、粉土為主。
根據(jù)工程需要和山東東營地區(qū)的巖土特點(diǎn),本文對(duì)所采集的該地區(qū)具有代表性的巖土動(dòng)三軸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,給出了東營地區(qū)典型土類的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨動(dòng)剪應(yīng)變的遞變關(guān)系值(本文簡稱“典型值”),并將推薦值與典型值做對(duì)比、討論,為該地區(qū)建設(shè)工程地震安全性評(píng)價(jià)等工作提供參考。
試驗(yàn)儀器采用DDS-70型動(dòng)三軸儀,測(cè)試1×10-4~1×10-2應(yīng)變范圍。試樣尺寸:Φ39.1 mm ×80 mm。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)中相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行試樣制備,成型后在等固結(jié)比應(yīng)力下固結(jié),圍壓大小根據(jù)試樣所處土層深度對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力確定。待固結(jié)完成后,在不排水的條件下施加動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)彈模試驗(yàn)。
本研究共取樣42組,試驗(yàn)樣品分別來自東營市河口區(qū)(6組)、東一路(7組)、北一路(6組)、登州路(6組)、濱州路(8組)、東營港區(qū)(9組)等地,在山東東營地區(qū)具有一定的代表性。取樣深度范圍介于3.0~57.3 m,土樣主要為粉質(zhì)粘土、粘土、粉土、粉質(zhì)粘土與粉砂互層(填土及砂土除外)。各試樣的描述、取樣深度、重度指標(biāo)見表1。
表1 試樣基本情況表Tab.1 Basic situation of the sample
(1)擬合公式
對(duì)動(dòng)剪切模量比和阻尼比常用擬合模型主要有雙曲線模型、分段雙曲線模型以及Davide-nkov模型等(謝定義,1988),本試驗(yàn)采用雙曲線模型。對(duì)各層土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合公式表示如下:
對(duì)應(yīng)不同應(yīng)變模量與最大模量的比值和應(yīng)變的關(guān)系為
根據(jù)Hardin-Drnevich模型,阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系可寫為
式中,λ為阻尼比;λmax是最大阻尼比;G/Gmax是最大動(dòng)剪切模量比;γd為剪應(yīng)變幅值,A和B為回歸常數(shù)。
(2)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合
將東營市區(qū)3.0~57.3 m鉆探資料進(jìn)行分層分類,按深度及土性共可分為8層代表性地層(其中①、②、④、⑦層為砂土層,本文不做詳細(xì)研究),各代表性地層按土性分為不同的亞層,只將G/Gmax-γd擬合曲線列出,結(jié)果見圖1。
由圖1可見,不論圍壓大小,各類土的 G/Gmax-γd曲線大致形狀都很相似,動(dòng)剪切模量比G/Gmax隨著剪應(yīng)變?chǔ)胐的增大而明顯減小,當(dāng)動(dòng)剪應(yīng)變超過10-4后,動(dòng)剪切模量減小的速度加快。動(dòng)剪切模量隨動(dòng)剪應(yīng)變的這種變化趨勢(shì),符合土的動(dòng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的滯后性的一般規(guī)律。
(3)動(dòng)剪切模量比及阻尼比最大值的比較
表2給出了7組典型剪應(yīng)變下的剪切模量比及阻尼比的最大值。從表2中可看出,對(duì)于同一種性質(zhì)的土,在應(yīng)變水平相同的情況下,動(dòng)剪切模量隨圍壓增大而增加;有效圍壓越大,動(dòng)剪切模量比G/Gmax隨剪應(yīng)變?chǔ)玫脑龃蠖陆档姆仍叫?。圍壓?duì)粘土、粉質(zhì)粘土的動(dòng)剪切模量的影響不明顯,對(duì)粉質(zhì)粘土、粉砂互層土和粉土的動(dòng)剪切模量的影響較明顯。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因是試樣的孔隙比隨圍壓增大而減小,相對(duì)密度增大,土顆粒接觸點(diǎn)增加,使得應(yīng)力波在土中的傳播更快,從而增大了動(dòng)剪切模量(陳國興,劉雪珠,2004)。所以圍壓對(duì)粉質(zhì)粘土與粉砂互層土和粉土動(dòng)剪切模量的影響比對(duì)粘性土的影響明顯。
圖1 各特征層G/Gmax-γd關(guān)系曲線(a)第②-1層;(b)第③層;(c)第④-1層;(d)第⑤層;(e)第⑥層;(f)第⑥-1層;(g)第⑧層Fig.1 G/Gmax-γdrelation curve of each feature level
表2 東營市區(qū)各地層土的G/Gmax和λmax典型值Tab.2 Representative value of G/Gmaxand λmaxof each stratigraphic soils in Dongying downtown area
(4)典型值與推薦值比較
從表3可見:(1)G/Gmax-γd關(guān)系中,第②-1層粉質(zhì)粘土、第⑤層粘土G/Gmax典型值比推薦值低,第③層粘土、第④-1層粉土、第⑥層粉質(zhì)粘土、第⑥-1層粉質(zhì)粘土與粉砂互層和第⑧層粉質(zhì)粘土G/Gmax典型值比推薦值高;(2)λ-γd關(guān)系中,除第②-1層粉質(zhì)粘土典型值比推薦值低外,其他各層典型值均比推薦值高;(3)G/Gmax-γd關(guān)系中,在大應(yīng)變時(shí),典型值比推薦值衰減更快。
綜上所述,對(duì)于表3中各層土的典型值與推薦值相比較有高有低,由于本次研究是根據(jù)山東省東營市本地區(qū)土樣的土性差異分層做的試驗(yàn),相較于推薦值更具有針對(duì)性。本次統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量較多、分布范圍較廣,具有一定的代表性和適用性,故更適用于東營地區(qū)的各類工程。
表3 東營市區(qū)各地層土的G/Gmax-γd和λ-γd典型值與推薦值Tab.3 Representative value and recommended value of G/Gmax-γdand λ - γdof each stratigraphic soil in Dongying downtown area
(1)本文以東營市區(qū)土層資料為根據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了東營地區(qū)3.0~57.3 m各層典型土類粘土、粉質(zhì)粘土和粉土動(dòng)剪切模量比G/Gmax以及阻尼比λ隨剪應(yīng)變?chǔ)胐的遞變關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,山東東營地區(qū)的土動(dòng)力特性符合滯后性的一般規(guī)律。動(dòng)剪切模量比G/Gmax隨剪應(yīng)變?chǔ)胐的增大而下降,其下降的幅度與有效圍壓的大小有關(guān)。在應(yīng)變水平相同的情況下,動(dòng)剪切模量比G/Gmax隨剪應(yīng)變?chǔ)胐的增大而下降的幅度越小。
(2)在相同應(yīng)變條件下,本次研究給出的典型值與袁曉明等(2000)給出的典型值具有一定的差異性。由于本次研究是根據(jù)山東省東營市本地區(qū)土樣的土性差異分層做的試驗(yàn),相較于推薦值更具有針對(duì)性。本次統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量較多、分布范圍較廣,避免了偶然性帶來的誤差,故統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有一定的代表性和適用性,更適用于東營地區(qū)的各類工程。
(3)本次試驗(yàn)采用動(dòng)三軸儀,在大應(yīng)變范圍內(nèi)給出土的動(dòng)剪切模量比及阻尼比值,對(duì)山東省東營地區(qū)動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍具有相當(dāng)重要的實(shí)踐意義。但是,由于山東東營地區(qū)土層的沉積條件相對(duì)復(fù)雜,試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性,因此,對(duì)該地區(qū)的重大工程建設(shè)地震安全性評(píng)價(jià),一般應(yīng)通過土的動(dòng)力特性試驗(yàn)給出該工程場(chǎng)地典型土的G/Gmax-γd和λ-γd曲線的代表值,以確保場(chǎng)地地震效應(yīng)分析結(jié)果的可靠性。
蔡輝騰,危福泉,蔡宗文.2009.重慶主城區(qū)粉質(zhì)粘土動(dòng)力特性研究[J].巖土力學(xué),28(3):410-414.
陳國興,劉雪珠.2004.南京及鄰近地區(qū)新近沉積土的動(dòng)剪切模量和阻尼比的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),23(8):1403-1410.
孫靜,袁曉銘,孫銳.2004.土動(dòng)剪切模量和阻尼比的推薦值和規(guī)范值的合理性比較[J].地震工程與工程振動(dòng),24(2):125-133.
謝定義.1988.土動(dòng)力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社.
袁曉銘,孫銳,孫靜.2000.常規(guī)土類動(dòng)剪切模量比和阻尼比試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),20(4):133 -139.
祝龍根,吳曉峰.1988.低幅剪應(yīng)變條件下砂土的動(dòng)力特性的研究[J].大壩觀測(cè)與土工測(cè)試,12(1):27 -33.
DB001-94,工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作規(guī)范[S].
SL237-1999,土工試驗(yàn)規(guī)程[S].