軟弱土層自由場(chǎng)動(dòng)力離心模型試驗(yàn)

曹 杰，韓黎明，馮昌明，黃茂松

(1.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司機(jī)場(chǎng)工程科研基地，北京 100621;2.同濟(jì)大學(xué)a.交通運(yùn)輸工程學(xué)院道路與機(jī)場(chǎng)工程系;b.地下建筑與工程系，上海 200092)

1 研究背景

動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)是一種以相似定律為基礎(chǔ)的縮尺模型試驗(yàn)技術(shù)。自20世紀(jì)80年代初期以來(lái)，土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量、容量都增加了，其技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域也都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為巖土工程學(xué)科的前沿和焦點(diǎn)。用離心機(jī)模擬地震問(wèn)題已經(jīng)在世界范圍迅速發(fā)展起來(lái)，自由場(chǎng)的地震響應(yīng)是動(dòng)力離心模擬與研究的課題之一。

Taboada和Dobry［1］進(jìn)行了飽和松砂水平地基的動(dòng)力離心模型試驗(yàn)，試驗(yàn)表明地基淺土部分液化發(fā)生較快，多數(shù)的沉降位移在振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生，并且由于液化的產(chǎn)生，加速度向地表傳播時(shí)明顯衰減;Kawasaki等［2］通過(guò)滲透試驗(yàn)及離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)軟土地基上的地震沉降進(jìn)行了研究，采用硅油模擬孔隙流體，試驗(yàn)表明基礎(chǔ)沉降主要發(fā)生在振動(dòng)之后，而不是振動(dòng)過(guò)程中。章為民［3］對(duì)砂土自由場(chǎng)地震響應(yīng)進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)，由于在離心加速狀態(tài)下，砂土滲透系數(shù)增加而同時(shí)滲流路徑減小，使得試驗(yàn)過(guò)程中超靜孔壓的消散比現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的要快，土層的沉降也大部分發(fā)生在振動(dòng)過(guò)程中;Hausler和Sitar［4］采用Nevada砂作為模型地基，模擬了地震作用下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降與傾斜，試驗(yàn)表明只有當(dāng)液化土層在其深度范圍內(nèi)得到徹底的改善才會(huì)有效減小基礎(chǔ)沉降，當(dāng)液化土層只在局部深度范圍內(nèi)進(jìn)行加固時(shí)基礎(chǔ)仍有可能發(fā)生顯著沉降;Su和Li［5］采用正十二邊形的層狀剪切箱，分別進(jìn)行了一維與二維的飽和砂土自由場(chǎng)響應(yīng)模擬試驗(yàn)，建立了一維與二維情況下超孔隙水壓力的變化關(guān)系，研究表明砂土地基在二維地震荷載作用下抵抗液化的能力與一維地震情況相比會(huì)明顯減弱。Lai等［6］采用層狀剪切箱，以Nevada砂為試驗(yàn)材料進(jìn)行一系列試驗(yàn)，模擬飽和密砂在一維地震下的響應(yīng)，試驗(yàn)?zāi)M了從弱震到強(qiáng)震(地面加速度從0.03～1.73 g)過(guò)程中，土體從線性到高度非線性的響應(yīng)過(guò)程，并且以試驗(yàn)所得參數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

本文選用軟弱粉質(zhì)黏土，就自由場(chǎng)地震響應(yīng)進(jìn)行了離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M，研究了不同強(qiáng)度地震荷載作用下，不同深度處的土體加速度、位移和地表沉降等響應(yīng)情況。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1 層狀剪切箱Fig.1 Laminar box

試驗(yàn)使用同濟(jì)大學(xué)的TLJ-150復(fù)合型巖土離心試驗(yàn)機(jī)，可在50 g離心狀態(tài)下提供高精度的單向水平振動(dòng)，可施加任意波形的地震波，振動(dòng)最大加速度為20 g，最大持時(shí)1 s，上限振動(dòng)頻率和下限振動(dòng)頻率分別為200 Hz和20 Hz(50 g狀態(tài)下)，設(shè)計(jì)振動(dòng)負(fù)載300 kg。

試驗(yàn)所用模型箱為日本進(jìn)口的疊環(huán)式層狀剪切模型箱(圖1)，內(nèi)部尺寸為:500mm×440mm×550mm(長(zhǎng)×寬×高)。剪切箱由22層中空鋁環(huán)組成，相鄰兩環(huán)最大相對(duì)位移可達(dá)5mm，箱內(nèi)布置1mm厚高強(qiáng)度橡膠膜可用于高含水率土樣試驗(yàn)。

膨潤(rùn)土的膨脹性能以膨脹容表示，同一屬型的膨潤(rùn)土，含蒙脫石愈多，膨脹容愈高。膠質(zhì)價(jià)、膨脹容是鑒定膨潤(rùn)土礦石屬型和估價(jià)膨潤(rùn)土質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)之一。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土采用粉質(zhì)黏土，級(jí)配曲線如圖2所示，粉質(zhì)黏土則按照35%的含水量配置(接近原狀土36.2%)。

圖2 試驗(yàn)用土級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of soil used in the test

2.3 傳感器布置

黏土地層底層密度2 025 kg/m3，地表密度1 886 kg/m3，土層厚22.5 m，地層平均劃分為10層，各層密度進(jìn)行線性插值，剪切波速取90～150m/s線性插值。采用SHAKE91進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算并繪制放大系數(shù)曲線。圖11表明:軟土地層中，地表加速度呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，同一地震波作用下(SSE)，入射峰值加速度越大，地表加速度衰減越明顯，這一結(jié)論與黏土自由場(chǎng)離心試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖3 離心模型試驗(yàn)儀器布置圖Fig.3 Layout of instruments of centrifuge model

2.4 離心試驗(yàn)方案

(1)地震荷載作用下，地層側(cè)向位移隨著地層深度的減小逐漸呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，越靠近地表位移量越大;而且側(cè)向位移量與地震強(qiáng)度相關(guān)，地震波峰值越大，地層側(cè)向位移量越大。

圖4 上海人工小波加速度時(shí)程曲線(SSE)Fig.4 Time history of acceleration for Artificial Small Shanghai Earthquake (SSE)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于篇幅所限，本文僅列出部分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

由于本文常規(guī)試驗(yàn)中僅對(duì)離心模型土樣進(jìn)行了共振柱試驗(yàn)，動(dòng)力剪應(yīng)變范圍偏小，因此借鑒其它文獻(xiàn)資料，參考相同土質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行延長(zhǎng)。雖然擬合所得動(dòng)剪切模量和阻尼比與真實(shí)模型土樣有出入，但是由于土質(zhì)相同，對(duì)于一般的規(guī)律性研究是可以接受的。土層密度從離心模型箱內(nèi)取樣直接測(cè)定，剪切波速可借鑒已有資料或規(guī)范根據(jù)土質(zhì)條件取值，然后由土層密度和剪切波速求得初始剪切模量。室內(nèi)共振柱試驗(yàn)表明離心試驗(yàn)所用飽和粉質(zhì)黏土動(dòng)力參數(shù)曲線具有良好的歸一性，模量比G/Gmax、阻尼比λ與剪應(yīng)變?chǔ)玫年P(guān)系曲線如圖9和圖10所示。

3.1 地層加速度響應(yīng)

圖5 試驗(yàn)2中土體加速度響應(yīng)(SSE)Fig.5 Acceleration responses of soil in Test 2(SSE)

圖5為上海人工小波(SSE)作用下土層各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線，可以看出振動(dòng)臺(tái)輸入地震波與反饋波(A0)整體吻合較為理想，地震波由基底向地表傳播呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。可以看出軟黏土具有很強(qiáng)的濾波作用，地震波傳播過(guò)程中高頻部分被土體過(guò)濾，更為明顯地表現(xiàn)為低頻特性，因此靠近表層的地震波時(shí)程曲線變得稀疏，波動(dòng)周期增大，波動(dòng)頻率降低。試驗(yàn)結(jié)果表明:基底入射地震波峰值加速度越大，相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)加速度絕對(duì)數(shù)值也會(huì)較大(與低峰值入射結(jié)果相比而言)，但是地震強(qiáng)度衰減也會(huì)變得越明顯，為了說(shuō)明這一現(xiàn)象，分別用各層地震波峰值加速度與基礎(chǔ)底面地震加速度峰值相比，繪制出隨深度變化的加速度放大曲線(圖6)。圖中，加州波(LPE)輸入加速度峰值0.1 g，地表放大系數(shù)0.77;上海人工小波(SSE)輸入地震波峰值加速度0.15 g，地表放大系數(shù)0.55;上海人工中波(MSE)入射地震波峰值加速度0.4 g，但是地表地震加速度放大系數(shù)僅為0.31。由此可見(jiàn)，在飽和軟土地層中，場(chǎng)地地表地震加速度放大系數(shù)隨著基巖輸入地震波峰值加速度的增大而減小，地震強(qiáng)度越大，地表加速度衰減越明顯。這可能是由于地震強(qiáng)度增大使得土層剪應(yīng)變水平增大，剪切模量降低更加迅速，阻尼比增大所導(dǎo)致，這與陳國(guó)興［7］和陳繼華［8］的研究結(jié)論是一致的。

圖6 不同強(qiáng)度下地震加速度放大效應(yīng)對(duì)比Fig.6 Comparison of acceleration amplification effects under different intensities

3.2 土層側(cè)向位移

云計(jì)算可以在短時(shí)間內(nèi)高速處理數(shù)以?xún)|計(jì)的數(shù)據(jù)信息，它是透過(guò)網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動(dòng)分拆成無(wú)數(shù)個(gè)子程序，交由多部服務(wù)器所組成大型系統(tǒng)進(jìn)行搜索和數(shù)據(jù)處理后，再將處理結(jié)果回傳給用戶(hù)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)運(yùn)用這種高速數(shù)據(jù)分析計(jì)算服務(wù)自動(dòng)地分析出每個(gè)學(xué)生觀看視頻等學(xué)習(xí)情況的數(shù)據(jù)圖表，也將閱讀量和答題正確度等數(shù)據(jù)自動(dòng)量化成分?jǐn)?shù)，給老師的教學(xué)提供了非常準(zhǔn)確的教學(xué)反饋和教學(xué)評(píng)價(jià)資料。

圖7為L(zhǎng)PE波作用下不同土層深度處的側(cè)向水平位移曲線，最大位移發(fā)生之后，位移曲線變化趨于平穩(wěn)，只會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，越接近地表、地層側(cè)向位移越明顯，隨著埋深的減小，場(chǎng)地側(cè)向水平位移呈增大趨勢(shì);與其它2組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明在同一土層深處，輸入地震波強(qiáng)度越高，相應(yīng)的側(cè)向位移量也會(huì)越大。

3.3 地表沉降

圖8為3組試驗(yàn)的地表沉降曲線，試驗(yàn)1至3分別對(duì)應(yīng)LPE、SSE、MSE 3條地震波，試驗(yàn)結(jié)果表明:地表沉降值的穩(wěn)定需要一個(gè)過(guò)程，對(duì)比圖5和圖8時(shí)間軸，峰值沉降值的出現(xiàn)一般要晚于峰值加速度的出現(xiàn)時(shí)間，并且在最大沉降值出現(xiàn)之后地表沉降曲線基本保持水平發(fā)展趨勢(shì)，只會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng);地表沉降值與自由場(chǎng)底部入射地震波強(qiáng)度有關(guān)，輸入地震波峰值加速度越大，場(chǎng)地響應(yīng)越強(qiáng)烈，而且沉降曲線波動(dòng)越劇烈，地表沉降越大。

圖7 試驗(yàn)1中地層水平側(cè)向位移(LPE)Fig.7 Recorded lateral displacements of ground in Test 1(LPE)

圖8 不同地震強(qiáng)度下地表沉降曲線對(duì)比(試驗(yàn)1～3)Fig.8 Comparison of surface settlements under different earthquake intensities(Test 1～Test 3)

如果說(shuō)《香魂女》是一次突圍，是一次戲劇觀念突圍的話，那么，《常香玉》就是一次植入，一次戲劇理念的植入。這個(gè)理念就是戲劇的心理現(xiàn)實(shí)主義對(duì)戲曲現(xiàn)代戲時(shí)空的拓展?！赌档ねぁ肥侨斯砬槲戳?，《常香玉》是自我與自我的精神對(duì)話，人與靈魂的對(duì)話，靈魂在現(xiàn)實(shí)和精神疆域間的自由活動(dòng)。

4 數(shù)值驗(yàn)證

HCM以非對(duì)稱(chēng)性心肌肥厚，左室容積減小為主要特征。心電圖檢查簡(jiǎn)單易行且價(jià)格低廉，是目前篩查、診斷和評(píng)估心臟病首選的輔助檢查。目前認(rèn)為HCM患者非對(duì)稱(chēng)性心肌肥厚，心肌細(xì)胞排列紊亂、變形，引起左心室除極、復(fù)極向量改變，導(dǎo)致心電活動(dòng)在室間隔和左心室傳導(dǎo)異常[16-18]。

圖9 軟黏土G/G max-γ試驗(yàn)曲線Fig.9 G/G max-γ curve for soft soil

圖10 軟黏土λ-γ試驗(yàn)曲線Fig.10 λ-γ curve for soft soil

本次試驗(yàn)所用微型土加速度傳感器和差動(dòng)式位移傳感器，分別用于記錄土體地震加速度和地層位移。具體的布置方式如圖3所示。其中A0用于接收振動(dòng)臺(tái)反饋地震信號(hào)，以便于與輸入地震波進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)地震波的輸入精度。在模型的固結(jié)過(guò)程中(靜力狀態(tài))，所有傳感器采樣頻率均設(shè)為1 Hz，正式動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)時(shí)間僅為0.4 s，采樣頻率改為5 000 Hz，以確保取得足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖11 軟土地層加速度放大曲線Fig.11 Curves of acceleration amplification effects under different intensities in soft soil

上述計(jì)算中所涉及的地層動(dòng)力參數(shù)借鑒于同類(lèi)土層參考資料，對(duì)實(shí)測(cè)曲線在大應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行了延長(zhǎng)，因此與真實(shí)的土層性質(zhì)有一定出入，SHAKE91中等效線性化應(yīng)變?nèi)樽畲笳穹?.65倍，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，所以計(jì)算出的時(shí)程曲線不一定是真正的反應(yīng)曲線。盡管如此，當(dāng)土層計(jì)算厚度與離心試驗(yàn)取值相同時(shí)(22.5 m)，數(shù)值計(jì)算所得的地震加速度放大系數(shù)曲線和離心試驗(yàn)結(jié)果仍舊具有相同的發(fā)展規(guī)律:地震荷載作用下，地層各埋深處的加速度響應(yīng)與入射地震波的強(qiáng)度有著密切聯(lián)系。就加速度具體數(shù)值而言，輸入地震波峰值加速度越大，地表的加速度峰值也會(huì)相應(yīng)較大;但是就放大效應(yīng)而言(以加速度放大系數(shù)表示)，場(chǎng)地地表加速度放大系數(shù)均隨著入射地震強(qiáng)度的增大而減小。

5 結(jié)論

本文離心模型試驗(yàn)所用地震波有3條，分別為L(zhǎng)oma Prieta波(LPE)，上海人工小波(SSE)和上海人工中波(MSE)，調(diào)整之后峰值加速度分別為0.1，0.15，0.4 g，由于振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率限制，在對(duì)原始地震波峰值縮放的同時(shí)，還需進(jìn)行濾波處理。篇幅所限，這里只給出上海人工小波加速度時(shí)程曲線，如圖4所示。試驗(yàn)順序由小能量級(jí)地震波開(kāi)始，逐次增大。兩次地震試驗(yàn)之間需要安置剪切箱擋板，進(jìn)行土體重新固結(jié)，地表沉降穩(wěn)定后，拆除剪切箱兩側(cè)擋板，進(jìn)行自由邊界條件下的地震離心模擬試驗(yàn)。

試驗(yàn)完成之后，取土樣測(cè)定含水量，測(cè)得模型箱內(nèi)上、中、下3個(gè)部位的平均含水率分別為33%，30.6%，27.5%;在模型箱上、中、下3個(gè)部位分別取樣進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明越靠近模型箱底部，壓縮曲線越平緩，土體壓縮性越小。因此，測(cè)定結(jié)果表明，隨著深度的增大，土體密度逐漸增大，抵抗變形能力增強(qiáng)。但是，需要注意的是，靠近地表的含水量仍然較為接近固結(jié)前36%的土樣含水量。因此，作者認(rèn)為，黏土的固結(jié)效果不是很理想，這與黏土自身的滲透特性和模型制作過(guò)程中的排水條件相關(guān)。

(2)地震荷載作用下，地表沉降量與地震強(qiáng)度相關(guān)，入射地震峰值越大，地表沉降越明顯。

(3)地震荷載作用下，地層各埋深處的加速度響應(yīng)與入射地震波的強(qiáng)度有著密切聯(lián)系。就加速度具體數(shù)值而言，輸入地震波峰值加速度越大，地表的加速度峰值也會(huì)相應(yīng)較大;但是就放大效應(yīng)而言(以加速度放大系數(shù)表示)，場(chǎng)地地表加速度放大系數(shù)隨著入射地震強(qiáng)度的增大而減小。

居民對(duì)屋頂綠化生態(tài)效益了解較少，大部分居民能認(rèn)識(shí)到屋頂綠化有美化環(huán)境、調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量的作用，但對(duì)調(diào)節(jié)建筑周?chē)鷾囟取⒔档驮胍艏把娱L(zhǎng)樓頂防護(hù)層使用壽命等了解很少.群眾對(duì)屋頂綠化的認(rèn)識(shí)是推動(dòng)屋頂綠化發(fā)展的隱形力量，很多居民對(duì)屋頂?shù)摹八槠G地”估值不高，認(rèn)為屋頂?shù)哪屈c(diǎn)綠化面積起不到多大作用，更多是滿(mǎn)足建設(shè)者的興趣愛(ài)好[9].

(4)場(chǎng)地地表加速度放大系數(shù)隨著輸入地震峰值加速度的增大而減小，這可能是輸入地震動(dòng)強(qiáng)度增大使土體剪應(yīng)變水平增大、剪切模量降低、阻尼比增大所引起。尤其對(duì)于含水量較高的飽和軟弱地層而言，承受地震剪切荷載能力較差，地震波難于向地面?zhèn)鞑ィ卣饛?qiáng)度衰減較為明顯。

人才是企業(yè)發(fā)展的基石。人才戰(zhàn)略是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)工程，高素質(zhì)的員工隊(duì)伍，強(qiáng)有力的人才支撐，是企業(yè)高速、高效發(fā)展的有力保障。20余年來(lái)，八師天業(yè)集團(tuán)在工程項(xiàng)目建設(shè)、科技創(chuàng)新、經(jīng)營(yíng)管理等領(lǐng)域聚集了一批具有較高理論素養(yǎng)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人才團(tuán)隊(duì)。

綜上所述，地基土的地震響應(yīng)與地震強(qiáng)度密切相關(guān)，對(duì)于周?chē)翆拥募铀俣?、?cè)向位移、地表沉降等均有影響。以上結(jié)論是通過(guò)均質(zhì)軟弱地層的離心試驗(yàn)獲得，對(duì)于非均質(zhì)地層未必成立，另外，試驗(yàn)在整箱軟土的飽和制樣方面存在缺陷，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定誤差，需要進(jìn)一步研究。

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