多遇地震下古建筑地基土體振陷特性實驗

湯永凈，趙文深

（同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092）

我國是歷史悠久的文明古國，擁有令世人矚目的古建筑文化遺產(chǎn).但由于古代建筑技術(shù)的限制以及幾千年使用過程中的靜力和動力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，地基逐漸產(chǎn)生變形承受不均勻應(yīng)力作用.這些累積變形及應(yīng)力會對其后來的整體結(jié)構(gòu)變形發(fā)展產(chǎn)生重要影響，特別是對古建筑地基土在多次多遇地震作用下，對不均勻應(yīng)力條件下產(chǎn)生的附加變形，導(dǎo)致其整體穩(wěn)定性降低.

多次多遇地震作用下土體的變形累計主要是土體流變性質(zhì)所致.土體流變研究，目前主要集中在振動剪切強度與沉降變形兩個方面.在影響地基土不均勻沉降方面，土層不均勻、結(jié)構(gòu)物荷載不均勻、地震荷載不對稱三個主要因素中結(jié)構(gòu)物荷載的不均勻是導(dǎo)致古建筑土體穩(wěn)定性破壞的主要原因[1].此類振陷研究就顯得尤為迫切和重要.

振陷是地震引起的土工構(gòu)筑物或地基的殘余變形，也是導(dǎo)致其基礎(chǔ)發(fā)生傾斜的主要原因，大多數(shù)來自砂土液化和新近沉積淤泥質(zhì)粘土軟化.目前對于振陷的研究主要集中在土體殘余應(yīng)變與孔隙水壓力的實驗分析和計算模型的建立與預(yù)測[2].Seed等[3]早在20世紀(jì)70年代就開始了土體殘余應(yīng)變與孔壓增長模型研究，并得到廣泛應(yīng)用.1974年，Lee[4]曾對循環(huán)荷載三軸試樣的殘余應(yīng)變作了比較系統(tǒng)的試驗研究，建立了一個預(yù)測作用若干次動應(yīng)力后土試件產(chǎn)生的殘余應(yīng)變的經(jīng)驗公式.郁壽松、石兆吉等在國內(nèi)率先開展了軟粘土和飽和砂土的殘余應(yīng)變和孔壓試驗研究以及模型建立，在諸多實際工程中發(fā)揮了較好的參照作用[4－6].但針對承受復(fù)雜應(yīng)力作用下已有傾斜的古建筑地基土體，以及有間隔小幅振動對古建筑穩(wěn)定性的影響的相關(guān)研究卻略顯匱乏.

目前我國對古塔等古建筑的保護大多集中于如何扶正以及在非傾斜狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性能的分析上，如西安大雁塔的抗震能力評價及杭州舒公塔的糾偏扶正等，對于在多遇地震作用下塔體地基的安全性與穩(wěn)定性的研究卻明顯不足.本文土樣取自上海及安慶兩個古塔分部較集中且土性差別較大地區(qū)的持力層土體.上海和安慶處于地震帶邊緣上，小幅地震活動頻繁，對當(dāng)?shù)毓沤ㄖ斐闪藫p傷累積.本文利用動三軸試驗研究這兩處多遇地震條件中不同應(yīng)力水平下古塔地基土體的流變特性，討論土體在不同應(yīng)力水平、與多遇地震作用等價的不同動應(yīng)力比、多次地震作用條件下土體累計變形的規(guī)律，為此類古塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定評估提供參考依據(jù).

1 試驗介紹

1.1 試驗儀器

試驗在同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室進行，采用英國 GDS（Geotechnical Digital Systems）室內(nèi)動三軸實驗儀，配有GDSLAB自動數(shù)控與采集系統(tǒng)，儀器最大圍壓2 MPa，頻率范圍為0～5 Hz，試樣直徑高度分別為39.1，80.0 mm.

1.2 土樣制備

試驗所用上海地區(qū)淤泥質(zhì)軟粘土取自古塔下部約20 m深的上海④1層土，灰色，軟塑，夾粉土或粉砂薄層（以下簡稱軟土），安慶地區(qū)沉積型老粘土取自安慶市中心下部約4～7 m深的老粘土層，紅褐色，硬塑，夾細石粒（以下簡稱硬土）.將現(xiàn)場鉆孔挖掘所取土樣經(jīng)臘封后送至實驗室進行土工試驗，采用標(biāo)準(zhǔn)方法，將原狀土放入切土器中切削為相應(yīng)直徑及高度的試樣，裝入半開模稱重、記錄、裝樣、貼標(biāo)簽，將切削下的余土裝入試樣盒稱重、記錄、烘干并測含水率及重度.試樣含水率分別為51.7%～52.3%和23.6%～24.1%，重度分別為17.6～17.2 k N·m－3和19.0～19.3 k N·m－3.將制好的試樣立即安裝上機，按試驗參數(shù)設(shè)計好的試驗程序進行調(diào)試后即可進行反壓飽和，待試樣飽和度B值達到0.85后（由于實驗方案不是針對土樣破壞以及土質(zhì)的因素，土樣不需要也很難達到完全飽和）進行排水固結(jié)，分為等壓固結(jié)約12 h，偏壓固結(jié)約12 h，且每級偏應(yīng)力增量為20 kPa，以避免在加壓過程中發(fā)生強度破壞.當(dāng)孔隙水壓力隨時間趨于穩(wěn)定時，即可認為固結(jié)完成[7].

1.3 試驗方案

由于地震作用下所產(chǎn)生的沉降大體分為兩部分：一是動力荷載作用下土體中的不排水殘余應(yīng)變引起的瞬時變形；二是地震后土體中超孔隙水壓力消散所引起的再固結(jié)變形.所以本試驗采用有時間間隔的5次小幅振動模擬古塔地基土體在長時間內(nèi)承受的多次振陷瞬時影響，利用4次間隔模擬試樣再固結(jié)變形，以觀察土體繼續(xù)流變情況.結(jié)合其他小幅振動試驗的經(jīng)驗以及實測地震頻譜特性[8－10]，本次試驗中每次振動頻率為1 Hz（從實測地震頻譜分析中得到基頻為1 Hz左右），時間20 s.在小幅地震下，動應(yīng)力中的拉壓應(yīng)力作用差異不明顯，因此用規(guī)則的正弦波模擬振動，考慮到小振幅要求以及實際地區(qū)地震烈度（常遇烈度按7度），取試驗動應(yīng)力幅值σd范圍5～35 kPa（動應(yīng)力比范圍0.04～0.15，一組對比試樣取0）.經(jīng)過多次準(zhǔn)備實驗以及相關(guān)分析選定間隔時間4～6 h，分為排水2～3 h和不排水2～3 h分別進行穩(wěn)定觀察，即認為再固結(jié)結(jié)束.

試樣固結(jié)條件是根據(jù)現(xiàn)場土單元的實際應(yīng)力狀態(tài)和固結(jié)排水條件決定的，考慮到古塔地基存在不均勻應(yīng)力的作用以及上海和安慶地區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)的差別，對軟土樣取試驗固結(jié)應(yīng)力比Kc1為1.2，1.4，1.6，對硬土樣取Kc2為1.2～2.5，均取實驗有效圍壓σ3c為100 k Pa，共做了27件動三軸試驗，見表1.

1.4 累積殘余應(yīng)變選定

殘余應(yīng)變是指動應(yīng)力卸除后土體殘留的應(yīng)變值，在動三軸試驗中表現(xiàn)為動應(yīng)力作用前后試樣的高度差與動應(yīng)力作用前試件的高度之比.在本實驗中選取5次振動中試樣高度變化差值與第一次振動前試樣的高度之比為累積殘余應(yīng)變，作為反映古建筑地基土體在多遇振動后的位移表現(xiàn).

2 數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 軟土

圖1給出了軟土土樣在不同固結(jié)比下累積殘余應(yīng)變與動應(yīng)力比的關(guān)系，可以看出，殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力比的增大而增大，相同動應(yīng)力比下，固結(jié)比越大，殘余應(yīng)變越大，相近固結(jié)比之間殘余應(yīng)變差值約為0.2%～0.6%，按此比例換算到具體工況、具體建筑時此傾斜位移不可忽視.

圖1 累積殘余應(yīng)變與動應(yīng)力比關(guān)系圖Fig.1 Relationship between residual strain and stress ratio

圖2為動應(yīng)力比0.05、固結(jié)比為1.4的某一試樣在一次振動及之后再固結(jié)過程里的軸向位移變化情況，圖3反映了期間孔隙水壓力的變化（本試樣設(shè)定儀器反壓值＝500 KPa），可以發(fā)現(xiàn)在20次的小幅振動下試樣未發(fā)生顯著變形，孔壓也基本保持不變；在振動后不排水固結(jié)過程中試樣變形緩慢增加，內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)調(diào)整，而由于上海淤泥質(zhì)軟黏土具有低滲透性，孔壓的發(fā)展具有明顯的滯后性，導(dǎo)致孔壓在此階段上升，但幅度一般不超過5 KPa；在振后排水固結(jié)過程中，由于先前超孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為粒間有效應(yīng)力，孔隙水被排出，加速土體的壓縮變形，使此段變形速率略大，而孔壓值回到壓力室反壓數(shù)值并保持穩(wěn)定.

圖2 軟土某試樣振動—再固結(jié)位移變化曲線Fig.2 Curve of displacement in vibration－reconsolidation of a soft soil sample

圖3 軟土某試樣振動—再固結(jié)孔壓變化曲線Fig.3 Curve of pore pressure in vibration－reconsolidation of a soft soil sample

圖4給出了振動、不排水、排水再固結(jié)5次循環(huán)過程中土樣的累積應(yīng)變值（圖中Zn、Gn、Kn分別對應(yīng)第n次振動結(jié)束、第n次不排水再固結(jié)結(jié)束、第n次排水再固結(jié)結(jié)束試驗階段，下同），從圖中可以看出，軟粘土振陷呈現(xiàn)出塑性流動性狀，且在低應(yīng)力水平下土體塑性應(yīng)變累積很小.但動應(yīng)力比越大、固結(jié)應(yīng)力比越大，累積變形的趨勢就越大，這主要是由于飽和軟土的軟化現(xiàn)象即變形模量的下降所致[6]，因此多次振動對土體穩(wěn)定性的影響也就越明顯，土體在結(jié)構(gòu)未破壞前可發(fā)生的沉降值就越大，不同固結(jié)比下的應(yīng)變差就越大，例如當(dāng)動應(yīng)力為0.08時固結(jié)比1.6的土樣與1.2的土樣最終的累積變形差達到了0.6%之多.

圖4 隨試驗階段軟土試樣累積殘余應(yīng)變變化圖Fig.4 Variation chart of accumulated residual strain with different test stages of soft soil samples

2.2 硬土

由于硬土土樣具有類似黃土不連續(xù)、非均質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)性，振動中位移主要為土體顆粒垂直位移.如圖5所取動應(yīng)力比為0.15時的不同固結(jié)比圖樣在各階段累積殘余應(yīng)變數(shù)據(jù)所示，在多次小幅值振動后累積殘余應(yīng)變較小，所有試樣均不超過0.15%，且離散性較大；而且由于此類老粘土是一種超固結(jié)土，試驗固結(jié)應(yīng)力比越小可知其超固結(jié)比越大，在實驗的固結(jié)階段產(chǎn)生的變形也相應(yīng)較小，振動過程土體中松散程度相對大，振動后累積殘余應(yīng)變也相應(yīng)偏高.這與軟土的規(guī)律是相反的.當(dāng)然圖中也顯示有部分數(shù)據(jù)略有偏差，這是原狀土結(jié)構(gòu)性擾動和實驗過程中操作誤差所不可避免的.圖6顯示動應(yīng)力比為0.2的兩組試樣的殘余應(yīng)變較動應(yīng)力比0.15及0.08下的試樣的變形略有提高，約0.2%.可以說，在小幅多次振動下，影響此類老粘土殘余應(yīng)變的因素并不是單一的，而是包括固結(jié)壓力、動應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)以及土體本身的物理特征和結(jié)構(gòu)性等諸多條件綜合作用的結(jié)果[11].

圖5 隨試驗階段硬土試樣累積殘余應(yīng)變圖（動應(yīng)力比0.15）Fig.5 Variation chart of accumulated residual strain with different test stages of hard soil samples

圖6 累積殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力比變化點圖Fig.6 Relationship point－graph between residual strain and stress ratios

圖7—8為硬土某試樣在一次振動及再固結(jié)過程中軸向位移變化以及孔壓變化，由于此類硬土高密實度和強度的影響，試樣只有在振動開始時才有極小的塑性變形壓縮，再固結(jié)階段時土體趨于穩(wěn)定可視為無變化；孔壓方面，由于老粘土滲透性差、應(yīng)力較小，孔隙水壓力一直極小波動保持穩(wěn)定，其他試樣實驗結(jié)果也基本相似.圖8試樣設(shè)定儀器反壓值為100 KPa.

圖7 硬土某試樣振動—再固結(jié)位移變化曲線Fig.7 Curve of displacement in vibration－reconsolidation of a hard soil sample

圖8 硬土某試樣振動—再固結(jié)孔壓變化曲線Fig.8 Curve of pore pressure in vibration－reconsolidation of a hard soil sample

總體來講，硬質(zhì)老粘土的沉降變形及孔壓變化在本實驗方案下表現(xiàn)的離散性較大，規(guī)律不強，這與土體自身、試驗方案、儀器精度以及操作誤差等都有一定聯(lián)系，數(shù)據(jù)量級偏小是一個主要因素.

3 結(jié)論及建議

（1）上海地區(qū)軟黏土振陷變形隨振動幅值、固結(jié)比的增大而增大.在多次小幅振動過程中，瞬時振陷并不明顯、數(shù)值較低，在振后再固結(jié)中振陷變形顯著增大，因此對地震發(fā)生后的古建筑地基進行及時的加固措施尤為重要.

（2）安慶地區(qū)老粘土由于特殊的結(jié)構(gòu)性，在本實驗所模擬的條件下，殘余應(yīng)變以及孔壓值總體上受到的影響不明顯，數(shù)值變化很小.

殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力比增大而小幅增大，在此類硬土的相關(guān)研究中也表明，在其所受動應(yīng)力達到使其結(jié)構(gòu)破壞的臨界動應(yīng)力之前，動應(yīng)力所引起的殘余應(yīng)變量處在很小的量級，且規(guī)律性較差.本實驗基本在0.15%以內(nèi)，屬于土體正常變形反映.

（3）安慶地區(qū)古建筑地基土體在本實驗中抗震性能表現(xiàn)很好，固結(jié)比即軸向偏應(yīng)力越大，振動后變形越小，即地基土上部負重越大，在經(jīng)歷多遇地震后古建筑更偏安全，與軟粘土地基情況相反.控制其振陷發(fā)展的根本還在于保持結(jié)構(gòu)性完整即提高硬土結(jié)構(gòu)性破壞時的臨界動應(yīng)力.

（4）針對古建筑土體小幅、多次振動的實驗研究，由于儀器靈敏度、精度限制、操作誤差以及原狀土擾動等諸多因素影響，實驗所得數(shù)據(jù)離散性較大，規(guī)律性不強，加之目前對粘土振陷相關(guān)微觀機理的認識尚有不足，此類研究有待深入.

致謝：本實驗在同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室進行，吳曉峰老師、盧燕怡老師、周健老師以及邵振東高工給予本試驗諸多指導(dǎo)和幫助，對他們謹致謝意.

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