福建漳州地區(qū)典型土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究①

連玉平，張 穎，蔡輝騰，張錦福，鄭師春，趙志偉，危福泉

（福建省地震局，福建福州 350003）

福建漳州地區(qū)典型土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究①

連玉平，張 穎，蔡輝騰，張錦福，鄭師春，趙志偉，危福泉

（福建省地震局，福建福州 350003）

通過(guò)對(duì)福建漳州地區(qū)淤泥、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土與粉砂互層土、殘積土等4類典型土的共振柱試驗(yàn)，探討了圍壓大小、土的性質(zhì)對(duì)這4類典型土的動(dòng)剪切模量G及阻尼比γ的影響，給出了在不同圍壓下的G／Gmax和λ／λmax隨γ變化的平均曲線及其參數(shù)的推薦值，并定量的給出圍壓對(duì)參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有一定的借鑒作用。

福建漳州地區(qū)；土動(dòng)力特性；動(dòng)剪切模量；阻尼比；共振柱試驗(yàn)；圍壓

Abstract：Through the resonant column test on 4typical soils as mud，silty clay，silty clay and silty sand interbedded strata，residual soil，the influence of confining pressure and soil property on dynamic shear modulus Gand damping ratioγof the 4typical soils is explored in detail.The average curves of G／Gmaxandλ／λmaxwith the change ofγunder different confining pressures as well as their recommended values of parameters for the 4typical soils in Zhangzhou are presented.Besides，the influence patterns of confining pressure on the average curve parameters are also quantified.The result could be used as reference for practical projects.

Key words：Zhangzhou area in Fujian province；Dynamic property of soil；Dynamic shear modulus；Damping ratio；Resonant column test；Confining pressure

0 引言

漳州地區(qū)是福建省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口最稠密的地區(qū)之一。位于長(zhǎng)樂(lè)－詔安斷裂帶中南段弧形最大、地震較活躍的部位，區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷史上曾遭受多次破壞性地震的影響，尤以1185年漳州級(jí)地震和1445年漳州級(jí)地震最為嚴(yán)重，最大地震影響烈度達(dá)到Ⅷ度［1］。

漳州為典型的第四紀(jì)斷陷盆地地貌，地層復(fù)雜，起伏較大，軟硬相間。數(shù)次地震震害表明，建在復(fù)雜地形上的軟土地基具有長(zhǎng)周期特征的建筑物在遭遇地震時(shí)，與基巖和硬土場(chǎng)地上相比破壞的程度要嚴(yán)重的多［2］。然而，迄今有關(guān)漳州各類土的動(dòng)力特性的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。因此對(duì)漳州典型土的動(dòng)剪切模量和阻尼比進(jìn)行研究具有實(shí)際意義。影響土動(dòng)剪切模量與阻尼比的因素眾多［3－5］，假如在一次試驗(yàn)中要全面考慮不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是比較困難的。為此本文利用共振柱試驗(yàn)儀進(jìn)行一系列不同圍壓下動(dòng)力試驗(yàn)，研究漳州地區(qū)典型土在動(dòng)荷載作用下的剪切模量、阻尼比，通過(guò)理論分析給出典型土的動(dòng)力變形G／Gmax－γ和λ／λmax－γ曲線；分析圍壓對(duì)不同土類試驗(yàn)結(jié)果的影響，并定量給出其影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)儀器采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的GZ－1型共振柱試驗(yàn)儀，試樣尺寸：Φ39.1mm× 80mm。在試驗(yàn)中，按文獻(xiàn)［6］、［7］對(duì)試樣進(jìn)行成型，成型后在共振柱試驗(yàn)儀上對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)排水，對(duì)所有試樣都采用各向等壓固結(jié)，固結(jié)壓力為100、 200和300kPa。全部試驗(yàn)過(guò)程均用微機(jī)控制。試樣取自市區(qū)、詔安、漳浦、南靖和龍巖等地，取樣深度范圍從1.90～18.10m不等。土樣主要為漳州地區(qū)分布最多的淤泥、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土與粉砂互層土、殘積土。各試樣的取樣地點(diǎn)、取樣深度、容重指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各試樣取樣地點(diǎn)、取樣深度、容重指標(biāo)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

假定在動(dòng)載作用下土的動(dòng)剪應(yīng)力τ和剪應(yīng)變幅值γ之間的關(guān)系符合雙曲線關(guān)系

式中a和b為試驗(yàn)參數(shù)，則土的動(dòng)剪切模量可定義為

則可得到如下關(guān)系式：

式中，Gmax＝1／a為土的最大動(dòng)剪切模量；γr＝a／b為參考應(yīng)變。

土的阻尼比λ隨剪應(yīng)變幅值而變化，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可表示為

式中，λmax為γ趨于無(wú)窮大時(shí)的阻尼比；M為試驗(yàn)參數(shù)。

由試驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)剪切模量及阻尼比與剪應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系，利用式（1）～式（4）和最小二乘法進(jìn)行回歸分析，對(duì)不同試驗(yàn)回歸得到的結(jié)果進(jìn)行平均化處理［6］，結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 平均化處理后的試驗(yàn)結(jié)果

需要說(shuō)明的是，這里雖然給出了淤泥的試驗(yàn)結(jié)果，但從目前儀器功能來(lái)看，并不適于做這類軟土試驗(yàn)［8］。也就是說(shuō)目前給出的軟土結(jié)果可靠性還有待驗(yàn)證和修正，只能作為初步結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可知圍壓對(duì)G和λ有顯著的影響。據(jù)圖1，G和λ經(jīng)Gmax和λmax歸一化后，不同初始圍壓下的試驗(yàn)回歸結(jié)果較接近。

圖1 漳州地區(qū)4類典型土G／Gmax－γ和λ／λmax－γ試驗(yàn)曲線Fig.1 Testing curves of G／Gmax－γandλ／λmax－γfor 4typical soils in Zhangzhou area.

3.1 γr的變化規(guī)律

由圖2可見(jiàn)，4類典型土的γr在相同的圍壓下，以粉質(zhì)粘土最大，淤泥最?。黄渲稻S著圍壓的增加而增大，二者除淤泥外均具有較良好的線性關(guān)系。其表達(dá)式為

式中：σ為圍壓，單位kPa；A為直線的截距；B為直線的斜率。A、B的值列于表3。

圖2 γr與圍壓的關(guān)系Fig.2 Relation curves ofγrand confining pressure.

表3 式（5）中A和B的取值

3.2 Gmax的變化規(guī)律

由圖3可見(jiàn)，4類典型土Gmax在相同的圍壓下，以粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土與粉砂互層土最大，淤泥最小；其值均隨著圍壓的增加而增大，二者均具有良好的線性關(guān)系。其表達(dá)式為

式中：Gmax單位取100kPa；其余同上。A、B的值列于表4。

表4 式（6）中A和B的取值

3.3 λmax的變化規(guī)律

由圖4可見(jiàn)，4類典型土λmax在相同的圍壓下，由大到小，依次為淤泥、粉質(zhì)粘土與粉砂互層土、粉質(zhì)粘土、殘積土；其值均隨著圍壓的增加而減小，二者均具有線性關(guān)系。表達(dá)式為

圖3 Gmax與圍壓的關(guān)系Fig.3 Relation curves of Gmaxand confining pressure.

式中λmax單位取10－2；其余同上。A、B的值列于表5。

表5 式（7）中A和B的取值

3.4 M的變化規(guī)律

由圖5可見(jiàn)，4類典型土M在相同的圍壓下，以淤泥最大，粉質(zhì)粘土與粉砂互層土最??；其值均隨著圍壓的增加而減小，二者均具有較良好的線性關(guān)系。其表達(dá)式為

式中參數(shù)同上。A、B的值列于表6。

表6 式（8）中A和B的取值

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，定量的給出了漳州地區(qū)4類典型土在不同圍壓下的G／Gmax和λ／λmax隨γ變化的平均曲線及其參數(shù)的推薦值。由于不同的地區(qū)土性不盡相同，且影響土的動(dòng)模量和阻尼比的因素很多，因此，所給出的推薦值對(duì)實(shí)際工程只起借鑒作用。

圖4 λmax與圍壓的關(guān)系Fig.4 Relation curves ofλmaxand confining pressure.

圖5 M與圍壓的關(guān)系Fig.5 Relation curves of Mand confining pressure.

［1］ 朱金芳，謝志招，曲國(guó)勝，等.閩南地區(qū)城市活動(dòng)構(gòu)造與地震［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［2］ 胡聿賢.地震工程學(xué)［M］.北京：地震出版社，2006.

［3］ 陳國(guó)興.巖土地震工程學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］ 王蘭民，孫軍杰.特殊土動(dòng)力學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略與展望［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2007，29（1）：88－93.

［5］ 吳志堅(jiān)，王蘭民，馬巍，等.地震荷載作用下凍土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2003，25（3）：210－214.

［6］ 南京水利科學(xué)研究院.GB／T50123－1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

［7］ 南京水利科學(xué)研究院.SL237－1999土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

［8］ 袁曉銘，孫銳，孫靜，等.常規(guī)土類動(dòng)剪切模量和阻尼比試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2000，20（4）：133－139.

Testing Study on the Dynamic Properties of Typical Soils in Zhangzhou Area，F(xiàn)ujian Province

LIAN Yu－ping，ZHANG Ying，CAI Hui－teng，ZHANG Jin－fu，ZHENG Shi－chun，ZHAO Zhi－wei，WEI Fu－quan
（Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003，China）

TU411.8

A

1000－0844（2010）04－0363－04

2009－08－12

地震科學(xué)聯(lián)合基金（105087）

連玉平（1967－），男（漢族），工程師，主要從事地震工程方面的工作.