地震荷載下天津?yàn)I海吹填土震陷試驗(yàn)研究

劉芳++呂麗君++高武平++付占嶺

摘 要：通過(guò)對(duì)天津?yàn)I海吹填土的室內(nèi)動(dòng)三軸循環(huán)試驗(yàn)，研究了地震荷載下吹填軟土動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)，分析了動(dòng)應(yīng)力比、圍壓、頻率、靜偏應(yīng)力等因素對(duì)動(dòng)應(yīng)變的影響。研究顯示，天津?yàn)I海吹填土的臨界動(dòng)應(yīng)力比在0.17左右，對(duì)應(yīng)的地震峰值加速度為0.13g，可作為地震震陷初判的條件；隨振動(dòng)頻率減小，動(dòng)應(yīng)變明顯增大，隨著靜偏應(yīng)力的增加，殘余應(yīng)變的積累速度明顯加快，這表明低頻地震動(dòng)更易對(duì)吹填軟土造成破壞，而靜偏應(yīng)力的存在將誘發(fā)土體結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步降低土的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：地震荷載 震陷 動(dòng)三軸試驗(yàn) 殘余應(yīng)變

中圖分類(lèi)號(hào)：TU435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（c）-0036-04

Abstract：The characteristic trend of soft soil dynamic strain under seismic load were researched by dynamic triaxial test of dredger fill in Tianjin. The influence of dynamic stress ratio， confining pressure， frequency and static deviator stress to dynamic strain were analyzed in the research. The results show that the critical dynamic stress ratio of dredger fill in Tianjin is about 0.17， the corresponding peak acceleration is 0.13g， which can be used as conditions for the preliminary identification of seismic settlement. The dynamic strain is evidently increased with the shake frequency decreased and the residual strain will accumulate sharply with the increase of static stress. Therefore， this indicates the hydraulic fill in Tianjin would lose load capacity more easily when the seismic ground motion contain more lower-frequency components and the static deviator stress will induce the break of soil structure which will further reduce the capacity of soil.

Key Words：Seismic Load；Seismic settlement；Dynamic triaxial test；Residual strain

圍海造陸是城市開(kāi)發(fā)獲取土地資源的重要措施，“天津?yàn)I海新區(qū)”被納入國(guó)家總體戰(zhàn)略后，加大了通過(guò)圍海吹填造陸獲取土地資源的力度，2010年累計(jì)填海面積312.78km2，到2020年，濱海新區(qū)的總填海面積為425.94km2。天津?yàn)I海吹填造陸的吹填物質(zhì)有別于我國(guó)其它沿海地區(qū)吹填土，具有壓縮性強(qiáng)、含水量大、顆粒細(xì)、靈敏度高、強(qiáng)度低等特性，屬于典型的軟土，在地震作用下易發(fā)生地基失效，從而對(duì)工程建構(gòu)筑物產(chǎn)生十分不利的影響[1]。國(guó)內(nèi)外的震害情況表明吹填造陸場(chǎng)地較其他軟土場(chǎng)地地震災(zāi)害更為嚴(yán)重，天津?yàn)I海吹填場(chǎng)地主要的地震破壞類(lèi)型為軟土震陷[2]。

目前對(duì)于吹填土的研究主要在吹填技術(shù)及地基加固等方面，對(duì)地震災(zāi)害理論研究較少，存在理論落后于實(shí)際的現(xiàn)狀。地震荷載振動(dòng)復(fù)雜，缺乏規(guī)律性，幅值大，頻率范圍比較廣，歷時(shí)短，變化大，關(guān)于吹填軟土地基在地震荷載作用下力學(xué)性狀的研究成果相對(duì)較少。如何能準(zhǔn)確地模擬地震荷載作用、研究吹填土在地震荷載下的震陷特性、評(píng)價(jià)地震作用下產(chǎn)生的震陷破壞等，對(duì)于解決設(shè)計(jì)濱海新區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)中抗震設(shè)防問(wèn)題，提高綜合防災(zāi)能力，科學(xué)合理利用土地資源，具有重要的實(shí)際工程意義。

影響吹填土震陷的因素有很多，主要有振動(dòng)頻率、圍壓、動(dòng)應(yīng)力幅值、靜偏應(yīng)力、循環(huán)振次及土體本身的力學(xué)性質(zhì)等?；谝陨弦蛩氐目紤]，本文開(kāi)展飽和吹填土在地震荷載下的震陷特性研究，探討分析吹填土在不同影響因素下的殘余應(yīng)變的變化情況，為吹填場(chǎng)地震陷判別提供理論依據(jù)。

1 吹填土震陷特性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪儀，儀器采用先進(jìn)的伺服加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)力和位移的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載。軸向加載可達(dá)到50kN，圍壓可達(dá)到2MPa，反壓可達(dá)到2MPa，軸向位移最大至100mm，徑向位移最大至75mm，頻率最大為20Hz。

試樣取自天津?yàn)I海旅游區(qū)、南港工業(yè)區(qū)和臨港工業(yè)區(qū)3個(gè)場(chǎng)地，取土深度在1～5m之間，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

震陷（殘余應(yīng)變）的定義是指動(dòng)荷載卸除土體產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形量，在動(dòng)三軸試驗(yàn)中則表現(xiàn)為動(dòng)應(yīng)力作用前后試件的高度差與動(dòng)應(yīng)力作用前試件高度之比，亦即應(yīng)把動(dòng)應(yīng)力卸除后土試件的不可恢復(fù)應(yīng)變，定義為殘余應(yīng)變[3]。本試驗(yàn)近似取時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變作為殘余應(yīng)變?chǔ)興。

為準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，需要對(duì)包括土性條件、初始受力條件、實(shí)際振動(dòng)荷載、排水條件等方面進(jìn)行模擬。據(jù)取土深度和濱海地區(qū)吹填土在靜力作用下的屈服強(qiáng)度，確定采用固結(jié)壓力分別為50kPa、75kPa、100kPa。本試驗(yàn)中按照Seed提出的轉(zhuǎn)化方法[4]，即將實(shí)際地震應(yīng)力峰值的0.65倍作為等幅應(yīng)力幅值，等幅荷載的循環(huán)次數(shù)依地震烈度大小而定。由基本地震加速度值進(jìn)行換算為相對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力幅值σd1、σd2、σd3。動(dòng)荷載采用正弦波模擬，動(dòng)應(yīng)力比用Rf（Rf=σd/2σ3）表示[5]，取值范圍為0.1～0.37。3個(gè)場(chǎng)地的卓越周期在1s左右，動(dòng)荷載加載頻率設(shè)定為1Hz；地震荷載頻率分布范圍廣以及地震荷載的脈沖效應(yīng)，試驗(yàn)考慮了頻率及靜偏應(yīng)力對(duì)殘余應(yīng)變的影響，振動(dòng)頻率選取0.5Hz、1Hz、2Hz和5Hz模擬不同頻率的地震荷載，涵蓋了天津地區(qū)的地震波卓越頻段。靜偏應(yīng)力取6Hz和12Hz考慮地震荷載的脈沖效應(yīng)。endprint

在地震荷載下飽和軟粘土幾乎不排水，因此試驗(yàn)采用固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)?zāi)M。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力比的影響

土體的殘余變形發(fā)展模式隨動(dòng)應(yīng)力比不同而存在很大的差異，但在相同的固結(jié)條件和圍壓的作用下，存在一個(gè)臨界動(dòng)應(yīng)力比[6]。對(duì)于不同土體以及相同土體不同的受力環(huán)境來(lái)講，臨界動(dòng)應(yīng)力比并非一個(gè)定值。在試驗(yàn)過(guò)程中，改變施加在土樣上的動(dòng)荷載，并結(jié)合動(dòng)應(yīng)變隨振次變化的曲線，給出臨界動(dòng)應(yīng)力比的取值范圍。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比小于臨界動(dòng)應(yīng)力比時(shí)，土體產(chǎn)生一定的塑性變形之后趨于穩(wěn)定，變形量隨著振次的增加基本不變，屬于穩(wěn)定型發(fā)展；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比大于臨界循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，土體變形發(fā)展為破壞型，在振次較小下變形增長(zhǎng)迅速。

圖1為相同有效圍壓下固結(jié)，不同動(dòng)應(yīng)力水平作用下殘余應(yīng)變?chǔ)興與循環(huán)振次的關(guān)系曲線。其中圖1（a）～圖1（c）為濱海旅游區(qū)土樣試驗(yàn)曲線；圖1（d）～圖1（f）為臨港工業(yè)區(qū)土樣試驗(yàn)曲線；圖1（g）～圖1（i）為南港工業(yè)區(qū)土樣試驗(yàn)曲線。圖1表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律性基本一致，土樣的殘余應(yīng)變都是隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸增大；在相同的振次下，動(dòng)應(yīng)力越大，土樣所發(fā)生的殘余應(yīng)變就越大。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平較低時(shí)，在循環(huán)振動(dòng)的初期應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)比較快，但是當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，累積的殘余應(yīng)變就緩慢增長(zhǎng)。當(dāng)循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比超過(guò)臨界循環(huán)應(yīng)力比，殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的很快，土樣在較小的循環(huán)振次下就達(dá)到了破壞。由試驗(yàn)結(jié)果得出天津?yàn)I海吹填土的臨界循環(huán)應(yīng)力比在0.17左右。

在實(shí)際工程中，可通過(guò)臨界循環(huán)應(yīng)力比初步估計(jì)可能產(chǎn)生震陷的最小地震加速度峰值。依據(jù)公式（1）[4]：

（1）

當(dāng)臨界循環(huán)應(yīng)力比為0.17時(shí)，αmax約為0.13g?？烧J(rèn)為當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣刃∮?.13g時(shí)可不考慮震陷影響。

2.2 圍壓的影響

圖2為相同動(dòng)應(yīng)力比，不同有效圍壓下固結(jié)土樣的動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興與循環(huán)振動(dòng)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線。從圖2中可以看出，這3個(gè)曲線表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律性都與不同循環(huán)應(yīng)力比下的曲線相似，動(dòng)應(yīng)變都隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸增大。圍壓的作用會(huì)引起軟土結(jié)構(gòu)的變化，抑制土裂隙的增長(zhǎng)，進(jìn)而會(huì)影響土的強(qiáng)度。隨著圍壓的逐漸增大，這種作用表現(xiàn)得越強(qiáng)烈，然而土的動(dòng)應(yīng)變發(fā)展得卻是越來(lái)越快，這是因?yàn)檠h(huán)應(yīng)力比是所受動(dòng)荷載與2倍圍壓的比值，由于土體所承受動(dòng)荷載的增幅小于2倍圍壓的增幅，所以才有這種隨著圍壓增大，土體越容易破壞的錯(cuò)覺(jué)。實(shí)際土體在受到動(dòng)荷載時(shí)表現(xiàn)為隨著圍壓增大，土體所能承受的動(dòng)荷載增大，即受到相同的動(dòng)荷載，土體圍壓愈大動(dòng)變形越小。

2.3 頻率的影響

為研究振動(dòng)頻率對(duì)原狀土動(dòng)力特性的影響，做了一組不同頻率下土體的動(dòng)力試驗(yàn)。土樣飽和后在50kPa有效圍壓下固結(jié)，試驗(yàn)中的動(dòng)應(yīng)力比一定，振動(dòng)頻率分別為0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz，涵蓋了天津地區(qū)的地震波卓越頻段。

圖3表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，動(dòng)應(yīng)變隨之增加，且在相同的循環(huán)荷載作用次數(shù)下，隨著頻率的增加，殘余變形逐漸減小。當(dāng)頻率為0.2Hz時(shí)，應(yīng)變曲線表現(xiàn)為破壞型，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)很快，在很小的振次下就會(huì)破壞。當(dāng)頻率大于0.5Hz時(shí)，土體應(yīng)變曲線表現(xiàn)為發(fā)展型，即初始階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，應(yīng)變繼續(xù)增加，但是增加的幅度變緩。當(dāng)振動(dòng)頻率為5Hz時(shí)，應(yīng)變曲線振動(dòng)初期，土樣在較小循環(huán)振次下，變形增長(zhǎng)比較快，但是很快就趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這說(shuō)明頻率越小，土樣變形增大越快。出現(xiàn)這種情況的原因主要是振動(dòng)頻率越小，動(dòng)孔隙水壓力有足夠的時(shí)間上升，導(dǎo)致土體的不排水抗剪強(qiáng)度降低，同時(shí)隨著孔壓的上升飽和軟粘土在地震荷載作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變軟化效應(yīng)，從而導(dǎo)致土樣在較少的循環(huán)次數(shù)下就發(fā)生破壞。

由此可以推斷，當(dāng)天津?yàn)I海吹填場(chǎng)地遭遇地震時(shí)，低頻地震波比高頻地震波更易造成震陷破壞。天津?yàn)I海軟土場(chǎng)地的地震波譜型較寬，峰值點(diǎn)多，特征周期長(zhǎng)，寧河6.9級(jí)地震天津醫(yī)院強(qiáng)震數(shù)據(jù)分析表明反應(yīng)譜的優(yōu)勢(shì)周期也在1s左右，對(duì)應(yīng)的地震波頻率為1Hz[7]。在圖3中1Hz的曲線在比較高的位置，動(dòng)應(yīng)變隨著振動(dòng)次數(shù)的增加上升較快。天津?yàn)I海地區(qū)特有的地震頻譜特征決定了在地震產(chǎn)生的震陷影響較大。

2.4 靜偏應(yīng)力的影響

地震荷載本身的特殊性與不規(guī)律性，常常將不規(guī)則的地震荷載等效成對(duì)稱(chēng)的循環(huán)荷載施加在試驗(yàn)土樣上。為了探究地震荷載的不規(guī)則性對(duì)土體的殘余應(yīng)變的影響，在土體固結(jié)完成后施加預(yù)設(shè)的靜偏應(yīng)力，然后再施加動(dòng)應(yīng)力，進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。

圖4是一定循環(huán)應(yīng)力比下不同靜偏應(yīng)力作用下試樣的曲線，由圖可知，在靜偏應(yīng)力作用下吹填土的累積應(yīng)變的發(fā)展速率比靜偏應(yīng)力為零時(shí)快。在其他相同條件下，隨著靜偏應(yīng)力的增加，累積應(yīng)變逐漸增大，變化速率也加快，而且累積應(yīng)變達(dá)到應(yīng)變穩(wěn)定的時(shí)間變長(zhǎng)。這表明地震荷載的不規(guī)則性促使了殘余應(yīng)變加速累積。等效方法有待改進(jìn)，應(yīng)考慮相應(yīng)的不均勻系數(shù)。靜偏應(yīng)力的增加會(huì)引起更大的累積應(yīng)變，會(huì)誘發(fā)土體的結(jié)構(gòu)破壞，從而降低土的強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)天津?yàn)I海吹填土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，分別探討了動(dòng)應(yīng)力比、振動(dòng)頻率、靜偏應(yīng)力對(duì)原狀土動(dòng)應(yīng)變的影響，得到的結(jié)論如下。

（1）在相同固結(jié)條件和圍壓作用下，存在一個(gè)臨界循環(huán)應(yīng)力比。動(dòng)應(yīng)力小于臨界動(dòng)應(yīng)力比時(shí)，天津吹填土動(dòng)變形屬于穩(wěn)定型發(fā)展，不發(fā)生脆性破壞，當(dāng)大于臨界循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，動(dòng)變形屬于破壞型，變形在較小的振次下急劇增加。天津?yàn)I海吹填土的臨界循環(huán)應(yīng)力比在0.17左右，所以，在實(shí)際工程中，如果循環(huán)應(yīng)力比小于臨界循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，即地震地表加速度小于0.13g時(shí)，可以認(rèn)為地基是偏安全的。

（2）振動(dòng)頻率對(duì)于飽和原狀土的動(dòng)變形發(fā)展影響較大，相同的振次下，隨著頻率的增大，動(dòng)應(yīng)變不斷減小；當(dāng)頻率小于0.2Hz時(shí)，應(yīng)變曲線表現(xiàn)為破壞型；當(dāng)頻率大于0.5Hz時(shí)，土體應(yīng)變曲線表現(xiàn)為發(fā)展型；當(dāng)振動(dòng)頻率為5Hz時(shí)，應(yīng)變曲線振動(dòng)初期，土樣在較小循環(huán)振次下變形增長(zhǎng)比較快，但是很快就趨于穩(wěn)定。天津?yàn)I海軟土場(chǎng)地的地震波譜型較寬，峰值點(diǎn)多，特征周期長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)周期也在1s左右，1Hz的曲線在比較高的位置，動(dòng)應(yīng)變隨著振動(dòng)次數(shù)的增加上升較快。天津?yàn)I海地區(qū)特有的地震頻譜特征決定了有遭受較大震陷的可能。

（3）動(dòng)應(yīng)力相同時(shí)，靜偏應(yīng)力大小對(duì)土體的變形影響較大。靜偏應(yīng)力加速了殘余應(yīng)變的累積，建議將地震荷載進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化時(shí)，考慮地震荷載的脈沖效應(yīng)的影響，采用一定的不均勻系數(shù)。

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