雄安新區(qū)黏性土非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析
2024-01-01 00:00:00劉紅帥陳佩云孫強(qiáng)強(qiáng)宋東松
地震研究 2024年2期
摘要：以雄安新區(qū)起步區(qū)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目的黏性土動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，整理分析199組黏性土的動(dòng)剪切模量和阻尼比數(shù)據(jù)，以埋深10 m為統(tǒng)計(jì)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)給出雄安新區(qū)黏性土不同埋深區(qū)間的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變變化的平均值和變異系數(shù)，并與已有的同類成果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：雄安新區(qū)黏性土非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)符合土動(dòng)力學(xué)的基本認(rèn)識(shí)；雄安新區(qū)黏性土體的動(dòng)剪切模量比略高于天津地區(qū)，隨埋深的增加逐漸趨近于全國的上限值，而阻尼比在淺表時(shí)明顯低于天津和全國的推薦平均值，隨埋深的增加逐漸趨向于全國的下限值。
關(guān)鍵詞：雄安新區(qū)；黏性土；動(dòng)剪切模量比；阻尼比
中圖分類號(hào)：P315.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2024）02-0273-07
doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0012
0 引言
河北雄安新區(qū)是推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展的重要一環(huán)，該區(qū)處于華北平原地震帶，帶內(nèi)曾發(fā)生過1679年三河—平谷8級(jí)地震和1976年唐山7.8級(jí)地震，因此雄安新區(qū)的抗震設(shè)防研究非常重要。
動(dòng)剪切模量和阻尼比是重大工程、區(qū)域性地震安評(píng)場地地震反應(yīng)分析必要的動(dòng)力非線性參數(shù)。自Hardin和Richart（1963）采用動(dòng)三軸開展土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變的變化關(guān)系研究以來，國內(nèi)外已積累了豐富的研究成果，共振柱和動(dòng)三軸試驗(yàn)是測試土體非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)最常用的方法。在區(qū)域性研究中，采用共振柱試驗(yàn)的地區(qū)有：南京地區(qū)（陳國興，劉雪珠，2004）、蘇南地區(qū)（劉雪珠等，2006）、廣西地區(qū)（羅丹鵬，張忠利，2016）、湛江地區(qū)（Zang et al，2020）、美國卡羅來納州和阿拉巴馬州（Zhang et al，2008）、意大利中北部（Facciorusso，2021）等。采用動(dòng)三軸試驗(yàn)的地區(qū)有：北京地區(qū)（施春花等，2009）、渤海海域土（蘭景巖等，2012）、西安地區(qū)（陳黨民等，2012）、成都地區(qū)（史丙新等，2015）、天津地區(qū)（夏峰等，2015；董亮，夏峰，2017）、蘇州地區(qū)（陳國興等，2017）、濟(jì)南地區(qū)（商金華等，2018）、江蘇海洋土（Li et al，2021）等。另外，張亞軍等（2010）和Feng等（2014）同時(shí)采用共振柱和動(dòng)三軸進(jìn)行試驗(yàn)，分別得到了上海地區(qū)和武漢地區(qū)土體的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。以上研究給出了不同地區(qū)土體非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值，少部分研究給出了標(biāo)準(zhǔn)差，但對土體動(dòng)力學(xué)非線性參數(shù)的不確定性研究較少，如孫銳等（2010）針對全國588組常規(guī)土樣的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的不確定性分析，研究了不同概率水準(zhǔn)下動(dòng)剪切模量比和阻尼比的變化規(guī)律。
已有研究成果表明，不同地區(qū)間同類土存在顯著的差異，其對工程抗震設(shè)防有重要影響。由于雄安新區(qū)建設(shè)晚，尚無相關(guān)成果供抗震設(shè)防使用。因此，開展雄安新區(qū)黏性土動(dòng)剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計(jì)分析具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文整理分析了雄安新區(qū)199組黏性土的動(dòng)剪切模量和阻尼比數(shù)據(jù)，以埋深10 m為統(tǒng)計(jì)區(qū)間，給出該地區(qū)黏性土不同埋深區(qū)間的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變變化的平均值和變異系數(shù)，并與已有的同類成果進(jìn)行對比分析。
1 數(shù)據(jù)來源
雄安新區(qū)位于太行山東麓沖洪積平原前緣地帶，為沖積平原，地勢西高東低，地面坡降小于2‰。第四系地層以沖洪積、沖湖積、沖積為主，土體類型有：砂類土、粉土、黏性土，巖性以粉質(zhì)黏土、粉土和粉細(xì)砂為主，典型柱狀圖如圖1所示。
筆者收集整理河北大學(xué)完成的雄安新區(qū)起步區(qū)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目動(dòng)三軸試驗(yàn)測試成果，共計(jì)原狀黏性土樣199組，絕大多數(shù)為粉質(zhì)黏土，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），部分鉆孔位置如圖2所示。試驗(yàn)所采用的儀器為西安康拓力有限公司研制生產(chǎn)的動(dòng)三軸儀（KTL）。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版），粉質(zhì)黏土的泊松比經(jīng)驗(yàn)值取0.38，用于動(dòng)彈性模量與剪切模量的轉(zhuǎn)換計(jì)算。動(dòng)剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ的計(jì)算均采用Hardin模型。
同一種類型土體的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨埋深的變化而變化，因此以不同埋深范圍作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間，剔除過大或過小的異常值，減小誤差影響。以10 m為間隔，共確定10個(gè)埋深統(tǒng)計(jì)區(qū)間，每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的樣本數(shù)量如圖3所示。針對8個(gè)典型應(yīng)變5×10-6、1×10-5、5×10-5、1×10-4、5×10-4、1×10-3、5×10-3、1×10-2，計(jì)算給出動(dòng)剪切模量比和阻尼比的平均值。
2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
綜合分析表1和圖4可以看出：①各埋深區(qū)間的動(dòng)剪切模量比隨剪應(yīng)變增大而減小，阻尼比隨剪應(yīng)變增大而增大；②隨著埋深的增大，相同剪應(yīng)變所對應(yīng)的動(dòng)剪切模量比不斷增大，阻尼比則有減小的趨勢。表1和圖4給出的平均結(jié)果可以較直觀地反映該地區(qū)土體非線性動(dòng)力學(xué)性能的實(shí)際狀況，符合土動(dòng)力學(xué)的基本認(rèn)識(shí)，可直接應(yīng)用于雄安地區(qū)實(shí)際工程。按照統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的異常值檢驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，圖4中各曲線滿足68%的試驗(yàn)結(jié)果均在一倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，說明數(shù)據(jù)是可靠的。
采用均值和變異系數(shù)等參考值范圍對動(dòng)剪切模量比和阻尼比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中均值公式為：
標(biāo)準(zhǔn)差公式為：
變異系數(shù)為：
式中：X為樣本取值；X為樣本平均值；n為樣本數(shù)量；S為標(biāo)準(zhǔn)差；Cv為變異系數(shù)。
從圖5可以看出：動(dòng)剪切模量比變異系數(shù)隨埋深增大而減小；相同埋深下，動(dòng)剪切模量比變異系數(shù)隨動(dòng)剪應(yīng)變增大而顯著升高。阻尼比的變異系數(shù)隨著埋深增大，總體明顯減小；相同埋深下，阻尼比變異系數(shù)隨剪應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)剪應(yīng)變達(dá)到10-4時(shí)，變異系數(shù)達(dá)到最大值后一直減??；阻尼比的變異性明顯高于動(dòng)剪切模量比的變異性。
3 結(jié)果對比分析
為檢驗(yàn)本文結(jié)果的可靠性，將雄安新區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與孫銳等（2010）的全國統(tǒng)計(jì)值、董亮和夏峰（2017）的天津地區(qū)粉質(zhì)黏土統(tǒng)計(jì)值（埋深：0～120 m）和袁曉銘等（2000）的全國常規(guī)土類推薦值（埋深：0～20 m）進(jìn)行了比較，如圖6所示。本文得出的雄安新區(qū)黏性土動(dòng)剪切模量比統(tǒng)計(jì)結(jié)果均位于孫銳等（2010）的統(tǒng)計(jì)值上下限范圍內(nèi)；埋深為0～20 m時(shí)，本文得出的雄安新區(qū)的動(dòng)剪切模量比稍大于董亮和夏峰（2017）和袁曉銘等（2000）的結(jié)果（圖6a-1）；埋深為20～100 m時(shí)，隨埋深的增加，本文得出的雄安新區(qū)動(dòng)剪切模量比逐漸增大，逐漸趨近于孫銳等（2010）給出的全國上限值（圖6a-2）。本文阻尼比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本位于孫銳等（2010）的統(tǒng)計(jì)值上下限范圍內(nèi)；埋深為0～20 m時(shí)，本文結(jié)果明顯低于董亮和夏峰（2017）和袁曉銘等（2017）的結(jié)果（圖6b-1）；埋深為20～100 m時(shí)，本文雄安新區(qū)阻尼比統(tǒng)計(jì)結(jié)果趨近于孫銳等（2010）給出的全國下限值（圖6b-2）。由此可見，本文所給出的雄安新區(qū)黏性土的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)是合理可靠的，能較客觀地反映出該區(qū)的動(dòng)力特性。
4 結(jié)論
本文對雄安新區(qū)199個(gè)原狀黏性土樣動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：
（1）本文所給出的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計(jì)值，能較客觀地反映雄安新區(qū)的黏性土的非線性動(dòng)力特性，可為雄安新區(qū)的抗震設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定提供一定依據(jù)。
（2）各埋深區(qū)間的動(dòng)剪切模量比隨剪應(yīng)變增大而減小，阻尼比隨剪應(yīng)變增大而增大。總體而言，隨著埋深的增大，相同剪應(yīng)變所對應(yīng)的動(dòng)剪切模量比不斷增大，阻尼比則有減小的趨勢。這符合土動(dòng)力學(xué)的基本認(rèn)識(shí)。
（3）動(dòng)剪切模量比和阻尼比的變異性隨埋深的增大逐漸變小。相同埋深下，動(dòng)剪切模量比的變異性隨剪應(yīng)變增加而不斷增大，而阻尼比的變異性隨剪應(yīng)變增加呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢。
（4）雄安新區(qū)黏性土的動(dòng)剪切模量比在淺表時(shí)略高于天津地區(qū)和全國的推薦平均值，隨埋深的增加逐漸趨近于全國的上限值，而阻尼比在淺表時(shí)明顯低于天津和全國的推薦平均值，隨埋深的增加逐漸趨向于全國的下限值。
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Analysis of Non-linear Dynamic Parameters of the Cohesive Soil
in the Xiong’an New District
LIU Hongshuai1，2，3，CHEN Peiyun1，2，SUN Qiangqiang1，2，SONG Dongsong3
（1.Institute of Geotechnical Engineering，Hebei University，Baoding 071002，Hebei，China）
（2.College of Civil Engineering and Architecture，Hebei University，Baoding 071002，Hebei，China）
（3.Hebei Excellent Earthquake Prevention Service Co.，Ltd.，Baoding 071028，Hebei，China）
Abstract
Based on the dynamic triaxial test results of the cohesive soil from the Regional Earthquake Safety Evaluation Project in the starting area of the Xiong’an New District，the dynamic shear modulus and damping ratio data of 199 groups of cohesive soils were sorted and analyzed.The burial depth interval was 10 m，and the average values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio with shear strain in different burial depth intervals of the cohesive soil in Xiong’an New District are given，and the variability and dispersion of nonlinear dynamic parameters with burial depth are given too.The results show that compared with the results in other regions，the nonlinear dynamic parameters of the cohesive soil in the Xiong’an New District are in line with the basic understanding of soil dynamics；the dynamic shear modulus of the cohesive soil in the Xiong’an New District is slightly higher than that in the Tianjin area，and tends to the upper limit value of the whole country with the increase of burial depth，while the damping ratio is obviously lower than the recommended average value in Tianjin and the average value of the whole country at the shallow surface and，with the increase of burial depth，approaches to the upper-limit value of the whole country.The obtained statistical results basically reflect the nonlinear dynamic characteristics of the clayey soil in the Xiong’an New District，and can provide scientific basis for the determination of the design ground motion parameters in the Xiong’an New District.
Keywords：the Xiong’an New District；cohesive soil；dynamic shear modulus ratio；damping ratio
