現(xiàn)場和室內(nèi)測試最大動剪切模量的對比研究

孫 靜，金曉鷗，孫殿民，姜彥新，王福彤，付偉慶，宋 冰

（黑龍江大學(xué)a．建筑工程學(xué)院；b．東北寒區(qū)土木工程重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引 言

土的動剪切模量是土層和地基地震反應(yīng)分析中必備的非線性動力參數(shù)，也是場地安評、土工構(gòu)筑物和重大工程結(jié)構(gòu)抗震驗算中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最大動剪切模量的測試方法一般有兩種：①現(xiàn)場測試；②實驗室測試。兩者相互補充，各有所長，有時可以相互驗證，但二者的關(guān)系還存在令人困惑的問題。

現(xiàn)場測試的主要方法是通過測試剪切波速，換算得到不同深度處土層的最大動剪切模量。工程上剪切波速測試目前通常采用單孔測井法，該法具有速度快，可逆偏振，能發(fā)現(xiàn)低速層，能滿足一定的精度要求，只需單孔就可進行測試等優(yōu)點。測井中，一般在地面多次激震，逐步將拾振器沿深度下移，逐點測試，根據(jù)剪切波傳播的路徑，得到各測點間的剪切波速。對波速實測結(jié)果進行分析計算，求得鉆孔每一層的剪切波速，已知土的質(zhì)量密度，即可得到最大動剪切模量。

就實驗室測試來說，室內(nèi)研究土動力特性的重要設(shè)備是共振柱。由于共振柱具有原理簡單、操作方便、邊界條件清晰及結(jié)果離散小和可重復(fù)性等優(yōu)點，已成為目前中小應(yīng)變范圍內(nèi)測定土的動剪切模量最好的儀器設(shè)備。

本文選取西安、杭州和山東3個不同區(qū)域，不同地區(qū)有完整現(xiàn)場波速資料的實際工程場地，分別采用現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法求出最大動剪切模量，研究對比現(xiàn)場和室內(nèi)測得最大動剪切模量的差異程度，并探討兩者差異的影響因素。

1 實際場地試驗結(jié)果對比

1．1 第一個場地

第一個場地為西安市閻良區(qū)，選取3個典型的鉆孔，進行現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)果對比［1］。第1個鉆孔編號為ZK1，共取5個土樣，測試深度為86m；第2個鉆孔編號為ZK10，共取6個土樣，測試深度為82m；第3個鉆孔編號為ZK19，共取6個土樣，測試深度為86m。把3個鉆孔共17個土樣的試驗參數(shù)和剪切波速列于表1。

根據(jù)3個鉆孔的現(xiàn)場剪切波速vs資料，已知土的質(zhì)量密度ρ，由公式Gmax＝ρv2s，換算得到不同深度處土的最大動剪切模量的現(xiàn)場測試值Gmax。

室內(nèi)所有試驗都是在中國地震局工程力學(xué)研究所研制的GZ－1型共振柱試驗機上進行。利用共振柱試驗機能夠測定微小應(yīng)變下土的動剪切模量，對西安市閻良區(qū)場地17個土樣分別進行室內(nèi)均等固結(jié)試驗。根據(jù)土樣的埋深給試樣施加不同的固結(jié)壓力并使其固結(jié)，逐級施加振動應(yīng)力，測取試樣扭轉(zhuǎn)方向的自振頻率和相應(yīng)的剪應(yīng)變及阻尼衰減曲線，計算得到室內(nèi)均等固結(jié)條件下最大動剪切模量的室內(nèi)試驗值Gmax。把現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值列于表1，兩者對比見圖1。

表1 西安市閻良區(qū)現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Table 1 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Xian site

續(xù)表1Continoues table 1

圖1 西安市閻良區(qū)現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Fig．1 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Xian site

由表1可見，現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法測得的最大動剪切模量有差異，現(xiàn)場波速法要比室內(nèi)試驗法測得的結(jié)果大，增大范圍為17．7%～191．6%，平均增大為30．5%。從總的趨勢來看，增大的程度和土層埋深也有一定的關(guān)系，土層埋深越大，波速逐漸增加，而現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法的結(jié)果差值也越大，甚至達到191．6%。

1．2 第二個場地

第二個場地為杭州灣大橋，根據(jù)杭州灣大橋工程的9個鉆孔資料，取其中2個典型鉆孔，進行現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)果對比［2］。為確定土層地震反應(yīng)分析中土的動剪切模量，對2個鉆孔的9個土樣進行了土的室內(nèi)共振柱試驗，該試驗是在中國地震局工程力學(xué)研究所新研制的DGZ－1型多功能共振柱試驗機上進行。1＃鉆孔編號為CZK4，共取5個土樣；2＃鉆孔編號為CZK20，共取4個土樣，測試深度均為150m；每隔5m測一個剪切波速，土樣試驗參數(shù)和剪切波速見表2。把現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值列于表2，兩者對比見圖2。

由表2可見，現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法測得的最大動剪切模量有差異，現(xiàn)場波速法要比室內(nèi)試驗法測得的結(jié)果大，增大范圍為7．3%～68．3%，平均增大33．1%。從總的趨勢來看，隨著土層埋深越大，波速逐漸增加，現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)果差值也有所增加。

表2 杭州灣大橋現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Table 2 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Hangzhou site

圖2 杭州灣大橋現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Fig．2 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Hangzhou site

1．3 第三個場地

第三個場地為山東淄博，受大眾日報淄博分社委托，中國地震局工程力學(xué)研究所承擔(dān)了晨報華源大廈工程場地地震安全性評價工作［3］。為確定土層地震反應(yīng)分析中土的動剪切模量，對1個鉆孔6個土樣進行室內(nèi)共振柱試驗，該試驗是在中國地震局工程力學(xué)研究所新研制的DGZ－1型多功能共振柱試驗機上進行。山東巖土工程勘察總公司工程物探研究所進行波速測試，測試1個鉆孔，完成45個測點，自下而上1m測1個點，測試深度為45m，土樣試驗參數(shù)和剪切波速見表3。把現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值列于表3，兩者對比見圖3。

由表3可見，現(xiàn)場波速法要比室內(nèi)試驗法測得的結(jié)果大，增大的范圍為8．2%～189．9%，平均增大86．2%。從總的趨勢來看，土層埋深越大，現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)果相差也有所增加。

表3 山東淄博場地現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Table 3 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Shandong site

圖3 山東淄博現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Fig．3 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Shandong site

2 結(jié)果分析

根據(jù)3個場地的試驗結(jié)果，給出3個場地現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值的對比，見圖4。結(jié)果表明，現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法測得的最大動剪切模量確實有差異，現(xiàn)場波速法測得的結(jié)果總是要比室內(nèi)試驗法測得的結(jié)果大，增大7%～192%，最大相差約2倍。

圖4 3個場地現(xiàn)場測試值和室內(nèi)試驗值對比Fig．4 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of three engineering sites

俞培基等［4］通過兩個現(xiàn)場試驗與室內(nèi)試驗的對比，證實了現(xiàn)場與實驗室測定的動剪模量的差別，現(xiàn)場原位測定值大于室內(nèi)側(cè)定值；蔣壽田等［5］研究了鄭州地區(qū)地基原狀土動模量及阻尼比，通過對現(xiàn)場波速和室內(nèi)共振柱儀測試的實際數(shù)據(jù)比較，指出現(xiàn)場測得的最大動剪切模量比實驗室的結(jié)果要大80%～170%。并推測是由于室內(nèi)試驗所用的土樣在取樣和試驗過程中，會受到不同程度的擾動，而且原狀土從鉆孔中取出以后產(chǎn)生應(yīng)力釋放，室內(nèi)試驗再加壓時又沒有考慮時間效應(yīng)的影響，所測得的最大動剪切模量就可能偏低；Pitilakis［6］研究結(jié)果表明，現(xiàn)場測得的最大動剪切模量總是要比實驗室測得的最大動剪切模量大很多，并推測是由于實驗室沒有考慮時間效應(yīng)或試樣的擾動，還可能是由于十字板提供的應(yīng)變比實驗室測定的要小，或由于實際土的不均勻性和土的各向異性的影響；張立［7］和王建華［8］等從不同角度也對此進行了研究。

以往現(xiàn)場和實驗室測試最大動剪切模量的研究和試驗結(jié)果表明，同樣的土在相同密度和固結(jié)壓力條件下，現(xiàn)場測得的最大動剪切模量總是要比實驗室測得的最大動剪切模量大很多。本文3個場地對比結(jié)果表明，現(xiàn)場波速法比室內(nèi)試驗法測得的結(jié)果增大7%～192%，與目前的研究結(jié)果有可比性。

3 影響因素分析

影響現(xiàn)場與實驗室測定土的最大動剪切模量的因素雖然有很多，包括：土樣的擾動、室內(nèi)人工制備土樣與原位結(jié)構(gòu)的差異、實際土的不均勻性、土的各向異性、時間效應(yīng)以及次固結(jié)效應(yīng)，差別的原因可能是上述諸因素的綜合反映，也可能是其中一部分因素的反映。擾動和時間等因素肯定對最大動剪切模量有重要影響，但此解釋還缺乏足夠的證據(jù)，對如此大的差別來說并不充分［9］。

實驗室內(nèi)研究土的最大動剪切模量的重要缺陷之一是未重視不同固結(jié)比對土的動剪切模量的影響。以往雖認(rèn)識到非均等固結(jié)下土的動剪切模量及其對地震動影響的重要性，但是受儀器設(shè)備的限制，不能施加偏壓，測出土的動剪切模量主要適用于均等固結(jié)的狀況。而實際土層、工程場地和土工構(gòu)筑物中，由于側(cè)壓力系數(shù)和泊松比的存在，固結(jié)比kc＝1．0這種狀態(tài)基本不存在，土體大多為非均等固結(jié)，如自由場地中固結(jié)比一般為1．4～2．7，而結(jié)構(gòu)下和土工構(gòu)筑物中固結(jié)比可能達到3［9］。

文獻 ［10－12］曾對非均等固結(jié)下固結(jié)比對砂土和原狀黏土最大動剪切模量的影響進行了研究，提出了非均等固結(jié)下土最大動剪切模量的增長模式并給出了建議公式，試驗結(jié)果表明，對比實驗室內(nèi)均等固結(jié)結(jié)果，考慮實際固結(jié)比條件下土的最大動剪切模量會有很大的增加，增量最大可達到185%。因此，以往研究中沒有很好地考慮實際固結(jié)比的作用，也應(yīng)該是造成現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法測定最大動剪切模量之間顯著差異的重要原因之一。

4 結(jié) 論

1）3個場地的結(jié)果均表明，現(xiàn)場波速法和室內(nèi)共振柱試驗法測得的最大動剪切模量確實有明顯差異。

2）現(xiàn)場波速法測得的最大動剪切模量要比室內(nèi)試驗法大，增大約7%～192%，最大相差約2倍。

3）從總的趨勢來看，增大的程度和土層埋深也有一定的關(guān)系，隨著土層埋深越大，鉆孔波速逐漸增加，而現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法測得的結(jié)果差值也有所增加。

4）以往研究中沒有很好地考慮實際固結(jié)比的作用，也應(yīng)該是造成現(xiàn)場波速法和室內(nèi)試驗法測定最大動剪切模量之間顯著差異的重要原因之一。

［1］劉德東，劉紅帥．西安市閻良區(qū)地震小區(qū)劃工作報告［R］．哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所，2007．

［2］袁曉銘．杭州灣大橋初勘報告 ［R］．哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所，2005．

［3］袁曉銘，孫 靜．晨報華源大廈工程場地地震安全性評價 ［R］．哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所，2002．

［4］俞培基，郭錫榮．現(xiàn)場和室內(nèi)測定黏性土的動剪模量［C］／／全國土工建筑物及地基抗震學(xué)術(shù)討論會論文匯編，1986．

［5］蔣壽田，王幸辛．鄭州地區(qū)地基原狀土動模量和阻尼比 ［C］／／第三屆全國土動力學(xué)學(xué)術(shù)會議，1990：151－155．

［6］Pitilakis K．D．，Anastassiadis A．，Rapatakis D．Field and laboratory determination of dynamic properties of natural soil deposits ［C］／／10th WCEE．Balkema，Rotterdam．1992：1 275－1 280．

［7］張 立，王建華，程國勇．土樣現(xiàn)場和室內(nèi)剪切波速的試驗研究 ［J］．勘察科學(xué)技術(shù)，2003，（5）：15－19．

［8］王建華，程國勇，張 立．取樣擾動引起土層剪切波速變化的試驗研究 ［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（15）：2 604－2 609．

［9］孫 靜，袁曉銘，陶夏新．室內(nèi)和現(xiàn)場測試最大動剪切模量差別的試驗研究 ［J］．土木工程學(xué)報，2012，45（S1）：258－262．

［10］Jing Sun and Xiaoming Yuan．The effect of the consolidation ratio of sands on dynamic shear modulus and response spectrum of soil layer［J］．Geotechnical Special Publication，ASCE．2006，n （150）：437－443．

［11］袁曉銘，孫 靜．非均等固結(jié)下砂土最大動剪切模量的增長模式及Hardin公式的修正 ［J］．巖土工程學(xué)報，2005，27 （3）：264－269．

［12］孫 靜，袁曉銘．固結(jié)比對黏性土動剪切模量影響的研究 ［J］．巖土力學(xué)，2010，31 （5）：1 457－1 462．