蔣其峰 彭艷菊 榮棉水 呂悅軍

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渤海海域粉質(zhì)粘土動力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計分析

蔣其峰 彭艷菊 榮棉水 呂悅軍

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

本文整理了26個渤海海域場地土動力學(xué)測試報告，并按埋深分段統(tǒng)計了0至115m深度范圍內(nèi)粉質(zhì)粘土的動力學(xué)參數(shù)，即動剪切模量比和阻尼比。然后，將本文統(tǒng)計值與袁曉銘推薦值和施春花統(tǒng)計過的北京地區(qū)粉質(zhì)粘土的動力學(xué)參數(shù)值進行了比較，發(fā)現(xiàn)海域場地土與陸地場地土的動力學(xué)參數(shù)值存在較大差異。之后，選擇渤海海域的兩個場地，建立了相應(yīng)的土動力學(xué)模型，分別選取實測值、本文統(tǒng)計值、施春花統(tǒng)計值進行場地地震反應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)本文統(tǒng)計值與實測值的結(jié)果符合的較好。在渤海海域場地地震反應(yīng)分析工作中，某些粉質(zhì)粘土層難以獲得動力學(xué)參數(shù)時，可以參考本文的統(tǒng)計值。

渤海 粉質(zhì)粘土 土動力學(xué)參數(shù) 土層地震反應(yīng)

引言

場地土層地震反應(yīng)分析是地震安全性評價工作中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，而進行土層地震反應(yīng)分析時需要用到場地土的動力學(xué)參數(shù)，包括土的動剪切模量比和阻尼比?！豆こ虉龅氐卣鸢踩栽u價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2005）指出，I級工作應(yīng)對各層土樣進行動三軸和共振柱試驗，II級工作和地震小區(qū)劃應(yīng)對有代表性的土樣進行動三軸或共振柱試驗。在20世紀(jì)70年代，國外眾多學(xué)者就對不同土的動剪切模量和阻尼比進行了廣泛的試驗研究，如：Hardin（1969）給出了粘土的最大剪切模量經(jīng)驗公式；Seed等（1970）給出了砂土的最大動剪切模量經(jīng)驗公式；Koutsoftas等（1980）對新澤西海岸的兩種海洋土進行了共振柱實驗測試；Kagawa（1992）根據(jù)38個未擾動海洋軟粘土試樣建立了動剪切模量的經(jīng)驗公式。國內(nèi)學(xué)者運用共振柱、動三軸儀等方法，研究了不同土類的動力學(xué)參數(shù)，如：謝君斐等（1973）研究了京、津、滬地區(qū)飽和粘土的動剪切模量與應(yīng)變之間的關(guān)系；祝龍根等（1988）對低幅剪應(yīng)變條件下砂土的動力特性進行了研究，提出了確定動剪切模量的經(jīng)驗公式；費涵昌等（1990）對黃浦江大橋橋址土層的動剪切模量和阻尼比與應(yīng)變的關(guān)系進行了研究。1994年，國家地震局以地震行業(yè)規(guī)范的形式，給出了常見土類的動力學(xué)參數(shù)的建議值。2000年，袁曉銘等（2000）對采自北京、上海、天津、南京、大連、太原、沈陽、哈爾濱等地區(qū)的土樣進行了試驗和統(tǒng)計，并給出了埋深分布在（0，10m］和（10m，20m］兩個深度段的常見土類的動力學(xué)參數(shù)值（文中簡稱袁氏值）。呂悅軍等（2003）對渤海海底土類動剪切模量比和阻尼比進行過統(tǒng)計分析，并給出了渤海海域常見土類的動力學(xué)參數(shù)。施春花等（2009）對北京地區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)粘土的動力學(xué)參數(shù)按深度進行過統(tǒng)計分析，并給出了分布在各深度區(qū)間的粉質(zhì)粘土的動力學(xué)參數(shù)。上述眾多研究表明，土的動力特性具有區(qū)域性，而且陸域土與海域土的動力學(xué)參數(shù)也存在較大差異。

隨著海域工程開發(fā)日益增多，需要深入研究海域土的動力學(xué)參數(shù)，以便在工程中作為參考。雖然前人對各土類的動力學(xué)參數(shù)進行過許多研究，但對海域土的研究還較少，而按埋深進行研究的則更少。作者所在工作組多年從事渤海、東海、南海等海域海洋平臺的設(shè)計地震動參數(shù)研究，積累了大量的海域常見土類的動力學(xué)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)，具備了開展海域場地土動力學(xué)參數(shù)研究的基礎(chǔ)。作為前期研究，本文選擇渤海海域廣泛分布的粉質(zhì)粘土為例，按深度分段統(tǒng)計其土力學(xué)參數(shù)，給出了不同深度區(qū)間的統(tǒng)計值。此外，為了比較海陸土動力學(xué)參數(shù)的差別，將本文統(tǒng)計值與施春花等（2009）的研究成果（簡稱施氏統(tǒng)計值）、袁曉銘等（2000）的研究成果（簡稱袁氏推薦值）進行了對比分析；為了對比論證統(tǒng)計結(jié)果的合理性和可靠性，選取位于渤中和遼東灣海域的兩個工程場地，建立相應(yīng)的土層分析模型，分別選取粉質(zhì)粘土動力學(xué)參數(shù)的場地實測值、本文統(tǒng)計值和施氏統(tǒng)計值進行一維土層地震反應(yīng)分析。

1 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)來自于渤海海域石油平臺地震安全性評價使用過的數(shù)據(jù)，作者整理了該區(qū)26個場地鉆孔的土動力學(xué)參數(shù)測試報告，統(tǒng)計了0至115m埋深范圍內(nèi)的116組粉質(zhì)粘土的土動力學(xué)參數(shù)。這些參數(shù)由天津大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土工程研究所測得，試驗為采用HX-100電氣伺服控制振動三軸試驗裝置的應(yīng)力控制振動三軸試驗。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

根據(jù)樣本隨深度的分布情況，把0至115m分成13個埋深區(qū)間，對土動力學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計。深度區(qū)間的劃分及各區(qū)間參與統(tǒng)計的樣本量見表1。作者首先剔除了個別的異常值，然后對同一深度區(qū)間內(nèi)的土動力參數(shù)值求取均值，并給出了每個參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的最大值，各深度區(qū)間的土動力學(xué)參數(shù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差，見表2。

表1　各深度區(qū)間樣本量

表2 各深度區(qū)間土動力學(xué)參數(shù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差

圖1給出了不同深度區(qū)間粉質(zhì)粘土的動剪切模量比和阻尼比的分布曲線?？梢钥闯觯S著埋深增加，動剪切模量比總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢，而其阻尼比呈現(xiàn)變小的趨勢，這種現(xiàn)象同時也說明，統(tǒng)計土動力學(xué)參數(shù)時需要考慮埋深。在小應(yīng)變階段，不同深度區(qū)間的粉質(zhì)粘土的動剪切模量比的差異較小，隨著應(yīng)變增大，動剪切模量比的差異先增大再減小，在應(yīng)變?yōu)?.005時，動剪切模量比的差異達到0.214，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.01時，差異為0.050；在小應(yīng)變階段，阻尼比的離散性較大，參數(shù)值差異顯著，達到0.034，隨應(yīng)變增大，參數(shù)值的差異表現(xiàn)出減小的趨勢，但不及動剪切模量比顯著，在應(yīng)變?yōu)?.01時，差異為0.029。但是，上述的變化趨勢不是簡單的和線性的，有些埋深層位樣本參數(shù)的變化出現(xiàn)跳躍，為了更清晰地查看渤海海域粉質(zhì)粘土的動力學(xué)參數(shù)隨深度的變化情況，選取應(yīng)變?yōu)?.001時不同埋深的粉質(zhì)粘土的動力學(xué)參數(shù)值，繪制了動剪切模量比和阻尼比隨深度變化的曲線（圖2）。從圖2可以看出，分布在埋深（25m，35m］、（75m，95m］的動剪切模量比明顯大于其下部相鄰段；分布在（15m，25m］、（55m，65m］的阻尼比明顯大于其上部相鄰段。

為了進行對比分析，圖3和圖4分別給出了0—10m、10—20m埋深內(nèi)本文統(tǒng)計值、施氏統(tǒng)計值、袁氏推薦值的動剪切模量比、阻尼比隨應(yīng)變的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，對于動剪切模量比，施氏統(tǒng)計值最大，袁氏推薦值居中，本文統(tǒng)計值最小，這可能意味著在埋深相同的情況下，海域的粉質(zhì)粘土的動剪切模量比小于陸域。對于阻尼比，總體上看袁氏推薦值小于渤海統(tǒng)計值和施氏統(tǒng)計值，渤海統(tǒng)計值與施氏統(tǒng)計值時有交叉，但在大應(yīng)變下，施氏統(tǒng)計值明顯偏大。圖5給出了40—50m、60—80m埋深內(nèi)本文統(tǒng)計值與施氏統(tǒng)計值的曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在埋深較深時本文統(tǒng)計值與施氏統(tǒng)計值仍存在較大差異。以上分析說明，相同埋深海域土的動力學(xué)參數(shù)與陸域存在較大差異，故在參考土動力學(xué)參數(shù)值時應(yīng)注意區(qū)分海域和陸域。

2 場地地震反應(yīng)分析

根據(jù)上述對比分析，本文統(tǒng)計值與袁氏推薦值和施氏統(tǒng)計值存在較大的差異。為了分析這種動力學(xué)參數(shù)差異對土層地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響，本文選取了渤海海域的兩個場地進行場地地震反應(yīng)分析，進而對比分析這幾種統(tǒng)計值在渤海海域的適用性。

輸入加速度時程的峰值按三種超越概率水準(zhǔn)選取，三種概率水準(zhǔn)分別為50a超越概率63%、10%、2%，依次對應(yīng)小震、中震、大震的地震環(huán)境，文中依次記為概率水準(zhǔn)1、概率水準(zhǔn)2、概率水準(zhǔn)3，根據(jù)此處的地震危險性，對應(yīng)的峰值加速度依次為38.5gal、184.7gal、352.6gal。三種輸入加速度時程見圖6。

2.1 土層分析模型

本文選取了位于渤中海域和遼東灣海域的兩個場地，分別記為場地1和場地2，場地的土層劃分情況見表3。場地1和場地2的土層分別包含10層粉質(zhì)粘土。為了對比不同土動力學(xué)參數(shù)對土層地震反應(yīng)結(jié)果的影響，在進行土層地震反應(yīng)分析時，土層的動剪切模量比和阻尼比分別采用實測值、統(tǒng)計值、施氏統(tǒng)計值（三種土動力學(xué)參數(shù)選取方案依次記為方案1、方案2、方案3），土層的層厚、剪切波速、密度則采用實際值?？紤]到袁氏推薦值的埋深最大只達到20m，本文沒有采用該值進行對比。

表3 場地土層模型

續(xù)表

續(xù)表

2.2 計算結(jié)果與分析

本文采用等效線性法進行一維土層地震反應(yīng)計算，試驗方法是計算每個場地在小、中、大震的輸入下，分別按三種土動力學(xué)參數(shù)選取方案選擇參數(shù)后的場地地表地震反應(yīng)。計算結(jié)果包括：加速度反應(yīng)譜、峰值加速度、峰值速度、地震影響系數(shù)最大值、特征周期。其中，反應(yīng)譜的阻尼比取0.05，加速度反應(yīng)譜的特征周期采用雙參數(shù)標(biāo)定法得到（廖振鵬等，1989）。加速度反應(yīng)譜的計算結(jié)果見圖7和圖8，峰值加速度、峰值速度、最大地震影響系數(shù)和特征周期的計算結(jié)果見表4。為了比較方案2與方案3所計算的地震動參數(shù)與實測值的差異，作者將兩者的結(jié)果分別與方案1求取了偏差，結(jié)果見表5。

求取偏差的公式為：

偏差=（方案的結(jié)果-方案1的結(jié)果）/方案1的結(jié)果

計算最大地震影響系數(shù)（）和特征周期（）的公式為：

=2.25×/980

=4.44×/

表4 地震動參數(shù)

表5 地震動參數(shù)的偏差

通過對比反應(yīng)譜的計算結(jié)果，可以看出多數(shù)情況下方案2的結(jié)果與方案1差別不大。在小震作用下，方案3的結(jié)果與方案1差異較小，但隨著輸入地震動的增大，方案3的結(jié)果與方案1之間差異增大。方案2的計算結(jié)果與方案1的最大差異為6%，方案3計算結(jié)果的偏差最大達到36%，因此方案2的統(tǒng)計參數(shù)更能體現(xiàn)實際場地土的動力學(xué)特征。

3 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計渤海海域粉質(zhì)粘土的土動力學(xué)參數(shù)，給出了渤海海域不同埋深的粉質(zhì)粘土的土動力學(xué)參數(shù)的平均值。此外，選取了兩個典型的場地，分別利用實測值、統(tǒng)計值、施氏統(tǒng)計值進行了場地地震反應(yīng)分析。其結(jié)論為：

（1）隨著粉質(zhì)粘土埋深的增加，其動剪切模量比有增大的趨勢，而其阻尼比有變小的趨勢。這種變化趨勢說明，統(tǒng)計和選取土動力學(xué)參數(shù)時要考慮埋深。

（2）在埋深相同時海域土的動力學(xué)參數(shù)與陸域土存在較大差異，并且利用陸域的土動力學(xué)參數(shù)進行海域土層地震反應(yīng)分析與實際值存在較大差異，故在參考土動力學(xué)參數(shù)值時應(yīng)注意區(qū)分海域和陸域。

（3）利用本文統(tǒng)計的渤海海域粉質(zhì)粘土的土動力學(xué)參數(shù)值進行土層地震反應(yīng)分析與利用實測值進行計算的結(jié)果差別不大。在對渤海海域的場地進行地震反應(yīng)分析時，在某些粉質(zhì)粘土層難以獲得土動力學(xué)參數(shù)的情況下，可以參考本文的統(tǒng)計值。

費涵昌，吳一偉，1990．黃浦江大橋橋址土層的動力特性研究．見：第三屆全國土動力學(xué)學(xué)術(shù)會議．上海：同濟大學(xué)出版社，303—308．

廖振鵬，李大華，1989．設(shè)計地震反應(yīng)譜的雙參數(shù)標(biāo)定模型．見：地震小區(qū)劃（理論與實踐）．北京：地震出版社，196—206．

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Statistical Analysis of Dynamic Parameters of Silty Clay in the Bohai Sea

Jiang Qifeng, Peng Yanju, Rong Mianshui and Lu Yuejun

(Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China)

After reviewing 26 soil dynamic reports of the site soil in Bohai Sea, we conduct a statistical study of silty clay’s dynamic parameters, including dynamic shear modulus ratio and damping ratio. Then we compare the statistical values with the values proposed by Yuan Xiaoming and by Shi Chunhua respectively, and find that great differences of soil dynamic parameters exist in between ocean site and land site. Finally, we choose two sites in Bohai Sea, and compare the influence of the statistical values and Shi Chunhua’s values on site seismic response for each site. Our result show that the statistical values fit better than Shi Chunhua’s values. In the case of that silty clay’s dynamic parameters are not available within the Bohai sea, it is reasonable to use the statistical values as the reference for sites.

Bohai Sea; Silty clay; Soil dynamic parameters; Soil seismic response

1基金項目國家科技重大專項2011ZX05056-001-02，國家自然科學(xué)基金（項目批準(zhǔn)號：51208474）與中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項（ZDJ2014-07）共同資助

2013-07-23

蔣其峰，男，生于1989年。中國地震局地殼應(yīng)力研究所碩士研究生。主要從事工程地震方面的研究。E-mail：hdjqf@163.com

蔣其峰，彭艷菊，榮棉水，呂悅軍，2014．渤海海域粉質(zhì)粘土動力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計分析. 震災(zāi)防御技術(shù)，9（2）：252—262.