福建漳州地區典型土動力特性的試驗研究①

連玉平，張 穎，蔡輝騰，張錦福，鄭師春，趙志偉，危福泉

（福建省地震局，福建福州 350003）

福建漳州地區典型土動力特性的試驗研究①

連玉平，張 穎，蔡輝騰，張錦福，鄭師春，趙志偉，危福泉

（福建省地震局，福建福州 350003）

通過對福建漳州地區淤泥、粉質粘土、粉質粘土與粉砂互層土、殘積土等4類典型土的共振柱試驗，探討了圍壓大小、土的性質對這4類典型土的動剪切模量G及阻尼比γ的影響，給出了在不同圍壓下的G／Gmax和λ／λmax隨γ變化的平均曲線及其參數的推薦值，并定量的給出圍壓對參數的影響規律。結果對實際工程具有一定的借鑒作用。

福建漳州地區；土動力特性；動剪切模量；阻尼比；共振柱試驗；圍壓

Abstract：Through the resonant column test on 4typical soils as mud，silty clay，silty clay and silty sand interbedded strata，residual soil，the influence of confining pressure and soil property on dynamic shear modulus Gand damping ratioγof the 4typical soils is explored in detail.The average curves of G／Gmaxandλ／λmaxwith the change ofγunder different confining pressures as well as their recommended values of parameters for the 4typical soils in Zhangzhou are presented.Besides，the influence patterns of confining pressure on the average curve parameters are also quantified.The result could be used as reference for practical projects.

Key words：Zhangzhou area in Fujian province；Dynamic property of soil；Dynamic shear modulus；Damping ratio；Resonant column test；Confining pressure

0 引言

漳州地區是福建省經濟最發達、人口最稠密的地區之一。位于長樂－詔安斷裂帶中南段弧形最大、地震較活躍的部位，區內地震地質構造復雜，歷史上曾遭受多次破壞性地震的影響，尤以1185年漳州級地震和1445年漳州級地震最為嚴重，最大地震影響烈度達到Ⅷ度［1］。

漳州為典型的第四紀斷陷盆地地貌，地層復雜，起伏較大，軟硬相間。數次地震震害表明，建在復雜地形上的軟土地基具有長周期特征的建筑物在遭遇地震時，與基巖和硬土場地上相比破壞的程度要嚴重的多［2］。然而，迄今有關漳州各類土的動力特性的研究尚鮮見報道。因此對漳州典型土的動剪切模量和阻尼比進行研究具有實際意義。影響土動剪切模量與阻尼比的因素眾多［3－5］，假如在一次試驗中要全面考慮不同因素對試驗結果的影響是比較困難的。為此本文利用共振柱試驗儀進行一系列不同圍壓下動力試驗，研究漳州地區典型土在動荷載作用下的剪切模量、阻尼比，通過理論分析給出典型土的動力變形G／Gmax－γ和λ／λmax－γ曲線；分析圍壓對不同土類試驗結果的影響，并定量給出其影響規律。

1 試驗概況

試驗儀器采用中國地震局工程力學研究所研制的GZ－1型共振柱試驗儀，試樣尺寸：Φ39.1mm× 80mm。在試驗中，按文獻［6］、［7］對試樣進行成型，成型后在共振柱試驗儀上對試樣進行固結排水，對所有試樣都采用各向等壓固結，固結壓力為100、 200和300kPa。全部試驗過程均用微機控制。試樣取自市區、詔安、漳浦、南靖和龍巖等地，取樣深度范圍從1.90～18.10m不等。土樣主要為漳州地區分布最多的淤泥、粉質粘土、粉質粘土與粉砂互層土、殘積土。各試樣的取樣地點、取樣深度、容重指標見表1。

表1 各試樣取樣地點、取樣深度、容重指標

2 試驗數據處理

假定在動載作用下土的動剪應力τ和剪應變幅值γ之間的關系符合雙曲線關系

式中a和b為試驗參數，則土的動剪切模量可定義為

則可得到如下關系式：

式中，Gmax＝1／a為土的最大動剪切模量；γr＝a／b為參考應變。

土的阻尼比λ隨剪應變幅值而變化，其經驗關系可表示為

式中，λmax為γ趨于無窮大時的阻尼比；M為試驗參數。

由試驗測得的動剪切模量及阻尼比與剪應變的試驗數據關系，利用式（1）～式（4）和最小二乘法進行回歸分析，對不同試驗回歸得到的結果進行平均化處理［6］，結果如表2和圖1所示。

表2 平均化處理后的試驗結果

需要說明的是，這里雖然給出了淤泥的試驗結果，但從目前儀器功能來看，并不適于做這類軟土試驗［8］。也就是說目前給出的軟土結果可靠性還有待驗證和修正，只能作為初步結果。

3 試驗結果分析

由表2可知圍壓對G和λ有顯著的影響。據圖1，G和λ經Gmax和λmax歸一化后，不同初始圍壓下的試驗回歸結果較接近。

圖1 漳州地區4類典型土G／Gmax－γ和λ／λmax－γ試驗曲線Fig.1 Testing curves of G／Gmax－γandλ／λmax－γfor 4typical soils in Zhangzhou area.

3.1 γr的變化規律

由圖2可見，4類典型土的γr在相同的圍壓下，以粉質粘土最大，淤泥最小；其值均隨著圍壓的增加而增大，二者除淤泥外均具有較良好的線性關系。其表達式為

式中：σ為圍壓，單位kPa；A為直線的截距；B為直線的斜率。A、B的值列于表3。

圖2 γr與圍壓的關系Fig.2 Relation curves ofγrand confining pressure.

表3 式（5）中A和B的取值

3.2 Gmax的變化規律

由圖3可見，4類典型土Gmax在相同的圍壓下，以粉質粘土、粉質粘土與粉砂互層土最大，淤泥最小；其值均隨著圍壓的增加而增大，二者均具有良好的線性關系。其表達式為

式中：Gmax單位取100kPa；其余同上。A、B的值列于表4。

表4 式（6）中A和B的取值

3.3 λmax的變化規律

由圖4可見，4類典型土λmax在相同的圍壓下，由大到小，依次為淤泥、粉質粘土與粉砂互層土、粉質粘土、殘積土；其值均隨著圍壓的增加而減小，二者均具有線性關系。表達式為

圖3 Gmax與圍壓的關系Fig.3 Relation curves of Gmaxand confining pressure.

式中λmax單位取10－2；其余同上。A、B的值列于表5。

表5 式（7）中A和B的取值

3.4 M的變化規律

由圖5可見，4類典型土M在相同的圍壓下，以淤泥最大，粉質粘土與粉砂互層土最小；其值均隨著圍壓的增加而減小，二者均具有較良好的線性關系。其表達式為

式中參數同上。A、B的值列于表6。

表6 式（8）中A和B的取值

4 結語

通過試驗和理論分析，定量的給出了漳州地區4類典型土在不同圍壓下的G／Gmax和λ／λmax隨γ變化的平均曲線及其參數的推薦值。由于不同的地區土性不盡相同，且影響土的動模量和阻尼比的因素很多，因此，所給出的推薦值對實際工程只起借鑒作用。

圖4 λmax與圍壓的關系Fig.4 Relation curves ofλmaxand confining pressure.

圖5 M與圍壓的關系Fig.5 Relation curves of Mand confining pressure.

［1］ 朱金芳，謝志招，曲國勝，等.閩南地區城市活動構造與地震［M］.北京：科學出版社，2008.

［2］ 胡聿賢.地震工程學［M］.北京：地震出版社，2006.

［3］ 陳國興.巖土地震工程學［M］.北京：科學出版社，2007.

［4］ 王蘭民，孫軍杰.特殊土動力學的發展戰略與展望［J］.西北地震學報，2007，29（1）：88－93.

［5］ 吳志堅，王蘭民，馬巍，等.地震荷載作用下凍土的動力學參數試驗研究［J］.西北地震學報，2003，25（3）：210－214.

［6］ 南京水利科學研究院.GB／T50123－1999土工試驗方法標準［S］.北京：中國計劃出版社，1999.

［7］ 南京水利科學研究院.SL237－1999土工試驗規程［S］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［8］ 袁曉銘，孫銳，孫靜，等.常規土類動剪切模量和阻尼比試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2000，20（4）：133－139.

Testing Study on the Dynamic Properties of Typical Soils in Zhangzhou Area，Fujian Province

LIAN Yu－ping，ZHANG Ying，CAI Hui－teng，ZHANG Jin－fu，ZHENG Shi－chun，ZHAO Zhi－wei，WEI Fu－quan
（Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003，China）

TU411.8

A

1000－0844（2010）04－0363－04

2009－08－12

地震科學聯合基金（105087）

連玉平（1967－），男（漢族），工程師，主要從事地震工程方面的工作.