卵石土場地地震反應(yīng)特征振動臺試驗研究

阮志環(huán),王天成,栗書亞,梅國雄

(1.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室,廣西 南寧 530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全實驗室,廣西 南寧 530004;3.廣西大學(xué)土木工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

0 引言

四川成都盆地卵石土分布廣泛,而該地區(qū)地震多發(fā),作為建筑物地基持力層的一部分,卵石土形態(tài)差異大、粗顆粒間易突變滑移,其動力力學(xué)特性顯著差別于其他場地土[1]。在汶川MS8.0地震中,離震中距離較近的成都主城區(qū)震害較輕,使得卵石土場地地震反應(yīng)受到眾多學(xué)者的關(guān)注。汶川MS8.0地震[2-3]及新西蘭MW6.3地震[4]中均出現(xiàn)了卵石土場地液化,部分Ⅵ 度區(qū)液化點的液化現(xiàn)象十分明顯,周圍房屋實際震害情況與Ⅵ度區(qū)場地劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致,這暴露出了卵石土場地地震反應(yīng)研究的不足。我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]中,主要依據(jù)場地等效剪切波速及覆蓋土層厚度將場地分類進(jìn)行抗震設(shè)計,卵石土場地抗震設(shè)計較為模糊。因此開展卵石土場地地震反應(yīng)特征研究十分必要。

卵石土力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,其動力學(xué)性質(zhì)研究是學(xué)術(shù)界及工程界關(guān)注的熱點。Hardin等[6]結(jié)合砂土室內(nèi)試驗,建立了卵石土動剪切模量和阻尼比之間的關(guān)系式。王汝恒等[7]通過室內(nèi)動三軸試驗研究了卵石土的固結(jié)壓力、固結(jié)應(yīng)力比及震動頻率對動本構(gòu)關(guān)系、動彈性模量和動阻尼比的影響規(guī)律。祝林[8]基于ABAQUS有限元軟件模擬了飽和卵石土動三軸試驗,研究了震動頻率、固結(jié)壓力和固結(jié)應(yīng)力比等因素對動應(yīng)力-動應(yīng)關(guān)變系的影響。何建平等[9]基于GDS動三軸試驗對卵石土的動力特性進(jìn)行了研究。關(guān)于卵石土場地地震反應(yīng),蘭景巖等[10]運用ABAQUS軟件,采用二維等價線性時程分析方法對卵石土邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬,指出卵石土邊坡場地對地震波具有高頻放大、低頻濾波的規(guī)律,其地震反應(yīng)隨邊坡高度的增大而增強。王志杰等[11]利用ANSYS數(shù)值模擬對地震區(qū)卵石土場地中地鐵車站的內(nèi)力進(jìn)行了分析,指出在地震區(qū)卵石地層內(nèi)地下結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。張建毅等[12]運用土層等效線性化計算程序?qū)︺氪ǖ卣饛娬饏^(qū)典型場地剖面進(jìn)行了計算,指出卵石土層厚度的有限改變對建筑物地震影響系數(shù)改變不大。王志華等[13]設(shè)計并完成了重型設(shè)備-箱型基礎(chǔ)-砂卵石土地基體系振動臺模型試驗,指出在強震作用下,卵石地基振動孔壓的積累和消散可引起基礎(chǔ)附加沉降。

綜上可知,以往的研究重點關(guān)注了卵石土的動力特性,卵石土場地地震反應(yīng)研究較少且大多基于數(shù)值模擬或主要針對結(jié)構(gòu)物的地震響應(yīng)展開。針對卵石土場地地震反應(yīng)加速度放大效應(yīng)、地震波頻譜變化及土體動土壓力反應(yīng)等的研究鮮見發(fā)表。場地地震反應(yīng)是地震工程、巖土工程和地球物理等領(lǐng)域中的重要研究課題,而高烈度區(qū)典型卵石土場地地震反應(yīng)研究不足,因而開展本研究有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

基于以上,開展高烈度區(qū)典型卵石土場地地震反應(yīng)振動臺試驗研究,探究不同地震波、不同激勵強度下卵石土場地地震反應(yīng)一般規(guī)律,分析各土層地震響應(yīng)分布規(guī)律及卵石土動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系等。研究結(jié)果可為相關(guān)工程抗震設(shè)計及震害分析提供依據(jù)和參考。

1 振動臺試驗

1.1 試驗概況

試驗采用MTS振動臺完成,振動臺加載方式為液壓式,可模擬水平向地震激勵,臺面尺寸為3 m×3 m,最大載重8 t,最大加速度為1g,最大允許水平位移為±20 cm,工作頻率范圍為0.1～50 Hz。模型箱選用尺寸為1.7 m×1.1 m×1.45 m(長×寬×高)的層狀剪切箱,箱體由13層可相對滑移的剛性框架組成,內(nèi)壁襯以厚度為5 mm的橡膠墊減輕邊界效應(yīng)。試驗前采用白噪音對空箱及箱-土體系進(jìn)行測試,測定兩者的特征頻率分別為1.56 Hz和11.65 Hz,特征頻率相差較大,模型箱與土體作用不產(chǎn)生共振問題。數(shù)據(jù)采集使用32通道動態(tài)信號采集系統(tǒng),采集時間間隔為0.01 s。振動臺試驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 振動臺試驗設(shè)備Fig.1 Equipment of shaking table test

1.2 模型場地制備

模型場地以四川成都某卵石土場地為原型,主要地層自上而下依次為黏土、卵石土、泥晶灰?guī)r。場地土層信息列于表1。原型場地覆蓋層厚度為25 m,其中黏土層厚度為4.6 m,其余土層為中密卵石土,場地等效剪切波速為389 m/s,屬于Ⅱ類場地。將原型場地上覆黏土層簡化成卵石土層,原型場地概化成單一卵石土場地。試驗采用忽略重力模型[14],選取加速度相似比ar=1∶1、幾何尺寸相似比Lr=1∶25、密度相似比ρr=1∶1作為基本控制參數(shù)進(jìn)行相似關(guān)系設(shè)計。試驗土樣采用真實土體材料,在保證基本控制參數(shù)滿足相似關(guān)系的情況下,盡可能多的使其他參數(shù)滿足相似關(guān)系。試驗涉及的物理量相似關(guān)系列于表2。

表1 原型場地土層資料Table 1 Soil data of prototype site

表2 振動臺試驗相似關(guān)系Table 2 Similarity relation of shaking table test

振動臺試驗土體取自四川成都某卵石土場地,試驗土樣顆粒級配曲線見圖2。試驗所用土樣物理特性參數(shù)列于表3。

表3 卵石土物理特性參數(shù)Table 3 Physical parameters of pebble soil

圖2 卵石土級配曲線Fig.2 Gradation curve of pebble soil

模型場地按相似關(guān)系設(shè)計后土層厚度為100 cm,采用分層填筑的方式進(jìn)行場地制備,每層填筑厚度為10 cm。通過控制每層填入的重量并將土樣夯實到設(shè)計高度,確保模型場地各層土體密度與設(shè)計值一致。模型場地填筑完畢后,匯總填入土體質(zhì)量,并由模型場地體積計算出土體平均密度,模型密度與設(shè)計值一致。土樣裝填完成后,配置配重塊進(jìn)行靜壓,并用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋,防止水分揮發(fā)。

1.3 傳感器布設(shè)

試驗使用的傳感器包括加速度傳感器、土壓力傳感器和拉線位移傳感器。在模型場地內(nèi)沿豎直方向設(shè)置兩列加速度傳感器A2、A3、A4、A5、A6和A7、A8、A9、A10、A11,一列土壓力傳感器S1、S2、S3和S4,各傳感器豎向間距均為20 cm。臺面設(shè)置1個加速度傳感器A1拾取臺面實際輸入地震波。層狀剪切模型箱外壁上沿高度設(shè)置5個位移傳感器D1、D2、D3、D4、D5,監(jiān)測地震激勵下場地不同高度位置的水平位移,該位移是相對于振動臺臺面的相對位移。在模型場地表面設(shè)置2個位移傳感器D6、D7,監(jiān)測試驗過程中模型場地地表沉降。傳感器具體布設(shè)見圖3。

圖3 試驗布置示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of test layout (Unit:mm)

1.4 加載工況

加載地震波選用El-Centro波、Kobe波和汶川波。將地震波調(diào)制成3組不同強度的加載工況,各組工況加速度峰值分別為0.10g、0.15g和0.30g。為了消除震動持時的影響,地震波持續(xù)時間統(tǒng)一調(diào)制為25 s。各組工況加載前均進(jìn)行幅值0.05g、持時20 s的白噪音測試。在第1組工況中設(shè)置頻率為5 Hz、強度0.1g的正弦波。模型試驗加載工況列于表4,按表中順序逐級加載。激勵強度為0.30g時,輸入地震波加速度時程曲線及其傅里葉譜如圖4所示。

表4 振動臺試驗加載工況Table 4 Loading conditions of shaking table test

圖4 輸入地震波加速度時程及傅里葉譜Fig.4 Acceleration time histories and Fourier spectra of input seismic waves

2 試驗結(jié)果及分析

定義各測點加速度峰值與臺面加速度峰值的比值為加速度峰值(PGA)放大系數(shù)。本文選取傳感器A1、A7、A8、A9、A10、A11的加速度信號進(jìn)行分析研究。

2.1 加速度峰值放大系數(shù)

圖5分別為各工況激勵下場地各高度加速度峰值放大系數(shù)。由圖5可知,加速度峰值放大系數(shù)隨激勵強度的增大逐漸減小,呈現(xiàn)出明顯的地震反應(yīng)非線性特征。場地地表土層對地震波表現(xiàn)出明顯放大效應(yīng),地表加速度峰值放大系數(shù)介于1～1.4之間。場地高度小于80 cm的土層,加速度峰值放大系數(shù)介于0.9～1.2之間,卵石土場地表層土層地震反應(yīng)明顯大于下部土層。

圖5 不同高度上PGA放大系數(shù)反應(yīng)Fig.5 PGA amplification coefficient at different heights

2.2 加速度頻譜分析

為了研究地震波在卵石土場地內(nèi)由下至上傳播的頻譜變化,圖6給出了El-Centro波激勵下場地各高度位置加速度傅里葉譜差值曲線,圖中“A9-A7”表示傳感器A9高度位置的加速度傅里葉譜幅值減去A7高度位置的加速度傅里葉譜幅值,“A11-A9”含義相同。由圖6可知,卵石土場地下部土層對地震波具有低頻放大、高頻濾波的作用,上部土層在激勵強度增大到0.3g時才開始表現(xiàn)出濾波作用,濾波作用不明顯。這與場地地震反應(yīng)非線性效應(yīng)有關(guān),場地卓越頻率隨著激勵強度的增大逐漸減小,使得場地對地震波放大、濾波頻段向低頻方向移動,下部土層在對30 Hz附近的地震波分量開始表現(xiàn)出放大作用,而上部土層對其地震波分量放大效應(yīng)減小,使得上部土層對其地震波出現(xiàn)濾波作用。傅里葉譜幅值差值曲線隨激勵強度的增大整體向低頻方向移動,傅里葉譜幅值放大的頻段范圍逐漸減小,濾波頻段范圍逐漸增大,A9高度位置以下土層的濾波頻率上、下限分別由32 Hz移動到28 Hz和由18.5 Hz移動到12 Hz。表明卵石土場地的放大、濾波頻段隨土體地震反應(yīng)不斷進(jìn)入塑性階段向低頻方向移動,濾波頻段頻率下限逐漸靠近場地特征頻率。

圖6 El-Centro波傅里葉譜反應(yīng)Fig.6 Fourier spectrum response of El-Centro seismic wave

圖7是將0.3gEl-Centro波作用下加速度傳感器A7、A9和A11的加速度進(jìn)行短時傅里葉變換得到的時頻圖。圖7中地震波各頻段分量變化情況與圖6一致,各頻段分量幅值的變化主要發(fā)生在0～15 s時段,這與地震波的時程特性有關(guān),所選地震波加速度時程曲線在0～15 s時段內(nèi)的幅值占主導(dǎo)地位。

圖7 0.3g El-Centro波短時傅里葉變換時頻譜Fig.7 Short-time Fourier spectra of 0.3g El-Centro seismic wave

2.3 動土壓力反應(yīng)

圖8和圖9分別為0.1g、0.3gEl-Centro波激勵下模型場地各高度位置的動土壓力增量。從圖中可知,土層深度越大,動土壓力變化幅度越大。在激勵強度為0.1g時,S1、S2及S3位置處土壓力先在零值附近波動,然后有逐漸增大的趨勢,這與砂卵石土的剪脹有關(guān),S4所在土層土壓力變化較小。說明EL1工況下,場地土體未發(fā)生明顯破壞,結(jié)合圖5可知,此時場地對地震波有明顯的放大效應(yīng)。當(dāng)激勵強度增大到0.3g時,場地動土壓力反應(yīng)顯著增大,土壓力在某些時刻出現(xiàn)驟減,隨后逐漸增大,動土壓力在地震中可能會發(fā)生多次驟減后增大的現(xiàn)象。說明卵石土場地在0.3g激勵強度下,土體內(nèi)部應(yīng)力變化劇烈,結(jié)合圖5可知,此時場地地震反應(yīng)明顯減小。

圖8 EL1工況激勵下場地動土壓力反應(yīng)Fig.8 Dynamic soil pressure response under EL1 condition

圖9 EL3工況激勵下場地動土壓力反應(yīng)Fig.9 Dynamic soil pressure response under EL3 condition

2.4 場地地震反應(yīng)非線性效應(yīng)

結(jié)合文獻(xiàn)[15]給出的中密卵石土樣的動三軸結(jié)果,對卵石土場地地震反應(yīng)非線性效應(yīng)進(jìn)行分析。將模型場地由下至上等分成5層,由位移傳感器監(jiān)測的位移反應(yīng)計算得到各土層不同時刻的平均應(yīng)變值,各土層的平均剪應(yīng)變峰值如圖10所示。

圖10 卵石土動三軸結(jié)果Fig.10 Dynamic triaxial tests result of the pebble soil

綜合圖5、圖10和圖11可知,激勵強度為0.1g時,模型場地各土層最大剪應(yīng)變處于2×10-4量級,土體動剪切模量比和阻尼比分別為0.8和0.05左右;當(dāng)激勵強度增大到0.3g時,模型場地土層最大剪應(yīng)變超過10-3量級,土體動剪切模量比和阻尼比分別達(dá)到0.7和0.1左右。場地地震反應(yīng)隨激勵強度的增大表現(xiàn)出明顯的非線性效應(yīng),即隨著激勵強度增大,動剪切模量降低,動阻尼比升高,場地地震反應(yīng)減小。上部土層剪應(yīng)變較下部土層的大,地震反應(yīng)非線性效應(yīng)更顯著。

圖11 卵石土層剪應(yīng)變峰值Fig.11 Peak shear strain of pebble soil

選取傳感器A1、A11監(jiān)測的加速度,采用譜比法獲取模型場地卓越頻率。各工況激勵下場地卓越頻率列于表5,模型場地卓越頻率隨激勵強度的增大逐漸變小。這是因為激勵強度越大,土體剪切模量減小,引起場地卓越頻率向低頻方向移動。

表5 模型場地卓越頻率(單位:Hz)Table 5 Predominant frequencies of model site (Unit:Hz)

2.5 土體動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系

為了獲取卵石土在地震作用下的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系發(fā)展規(guī)律,根據(jù)土體加速度、位移通過Zeghal等[16]提出的線性反演方法獲取土體動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系。土體動剪應(yīng)力由式(1)計算得到,動剪應(yīng)變由式(2)計算。為消除信號零點漂移帶來的誤差,計算前對加速度信號、位移信號均進(jìn)行濾波、基線較正處理。

(1)

式中:i表示自地表從上到下的第i個測點;τi是測點i處的剪應(yīng)力;ρ表示土體密度;zk為測點k-1到測點k的距離;ak、ak-1為測點k和測點k-1在時刻t的加速度幅值。

(2)

式中:γi(t)為剪應(yīng)變;ui為測點i處的位移。

圖12(a)、(b)分別為0.05g正弦波和0.3gEl-Centro波激勵下,不同高度土體動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖12(a)可知,在0.05g正弦波激勵下,不同高度土體動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變曲線對稱性較好,此時土體未表現(xiàn)出明顯的剛度退化。中部土體的動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系曲線面積較底層和頂層土體大,呈現(xiàn)出明顯的橢圓形特征,表明中部土體較底層和頂層土體更早進(jìn)入非線性狀態(tài),此時,地震波能量在中部土體損耗較大。圖5中加速度放大系數(shù)在中部土層放大較底層和頂層土層小,這也說明了中部土層對地震波的能量損耗較大。由圖12(b)可知,在0.3gEl-Centro波激勵下,各高度土體動剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)出明顯的非線性特征,土體動剪應(yīng)變由下至上逐漸增大,地表土層動剪應(yīng)變最大,達(dá)到1.7%,此時全部土體均發(fā)生了較大變形。圖5中0.3gEl-Centro波激勵下卵石土場地對地震波的放大作用明顯減小,表明卵石土發(fā)生大變形后對地震波的放大作用減弱。

圖12 不同高度土體動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.12 Dynamic shear stress-strain curves of soil at different heights

3 結(jié)論

本文設(shè)計并開展了卵石土場地振動臺試驗,研究了卵石土場地在不同地震波、不同激勵強度下的反應(yīng)特征,包括加速度峰值放大系數(shù)、加速度時頻變化以及動土壓力反應(yīng),并且對卵石土場地地震反應(yīng)非線性效應(yīng)及土體動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了分析,得出結(jié)論如下:

(1) 卵石土場地表層土層加速度放大效應(yīng)與下部土層存在明顯差異,表層土層對地震波具有明顯的放大效應(yīng),放大系數(shù)介于1～1.4之間,下部土層對地震波的放大效應(yīng)較小,放大系數(shù)介于0.9～1.2之間。

(2) 卵石土場地對地震波具有低頻放大、高頻濾波的作用,下部土層最先表現(xiàn)出濾波作用,并且濾波作用更強。隨著激勵強度的增大,場地放大、濾波頻段逐漸向低頻方向移動,濾波頻率下限逐漸向場地卓越頻率靠近。

(3) 激勵強度較小時,卵石土未發(fā)生破壞,動土壓力在地震過程中逐漸增大;隨著激勵強度的增大,場地動土壓力反應(yīng)明顯增大,動土壓力表現(xiàn)出驟減后逐漸增大的現(xiàn)象,此時場地放大效應(yīng)明顯減小。

(4) 卵石土場地地震反應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的非線性效應(yīng),上部土層地震反應(yīng)非線性效應(yīng)較下部土層顯著。卵石土場地卓越頻率隨激勵強度的增大逐漸減小。

(5) 卵石土場地在地震波激勵強度較小時(SN1),中部土體最先進(jìn)入非線性反應(yīng)階段,中部土體耗能較大。在較大強度地震波激勵下(EL3),土體動剪應(yīng)力-動剪應(yīng)變關(guān)系均呈現(xiàn)出明顯的非線性特征,卵石土場地對地震波放大效應(yīng)明顯減弱。