超深厚覆蓋層中深埋細粒土地震殘余變形特性振動三軸試驗研究

超深厚覆蓋層中深埋細粒土地震殘余變形特性振動三軸試驗研究

劉啟旺1，2， 楊正權1，2， 劉小生1，2， 楊玉生1，2， 陳寧1，2

(1.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038； 2.中國水利水電科學研究院，北京10004)

摘要：土石壩(超)深厚覆蓋層地基中的深埋細粒土抗地震殘余變形能力較差，尤其是在土層厚度較大時，覆蓋層地基連同壩體在強震作用下可能會產生較大的地震沉陷。針對我國西部某大型土石壩工程，對超深厚覆蓋層地基中深埋粉砂層土的地震殘余變形特性進行三軸試驗研究。研究表明：試驗土料級配曲線與相應土層各鉆孔平均級配曲線很接近，試驗土料的顆粒級配對實際土層的顆粒組成特性具有代表性；試驗土料的地震殘余變形特性主要受土體密度、固結條件和圍壓力條件等控制，尤其是固結比對土體地震殘余變形特性影響較大；各因素對土體殘余體積變形特性和軸向變形特性的影響規律有所差異。

關鍵詞：超深厚覆蓋層； 振動三軸試驗； 顆粒組成特性； 地震殘余變形特性； 固結

收稿日期：*2014-05-12

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃，No.2013CB036404)；中國水利水電科學研究院科研專項(巖集1467)

作者簡介：(1962-)，男，北京市人，高級工程師，主要從事土動力學及土工結構抗震研究.E-mail:liuqw@iwhr.com

中圖分類號:TU411文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0021

Dynamic Triaxial Tests on Seismic Residual Deformation Characteristics

of the Fine-Grained Soil in Super-deep Overburden Layer

LIU Qi-wang1，2， YANG Zheng-quan1，2， LIU Xiao-sheng1，2， YANG Yu-sheng1，2， CHEN Ning1，2

(1.StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin，Beijing100038；

2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100048)

Abstract：The seismic capacity of residual deformation of the fine-grained soils which are buried deeply in super-deep overburden layer is poor，and a great seismic settlement of dam-foundation system may be produced by the earthquake when the thickness of soil layer is large.So it is significant for the anti-seismic design of dam to study the seismic residual deformation characteristics of soil and determine the corresponding characteristic parameters.In the paper，a series of dynamic triaxial tests on silty sands buried deeply in the super-deep overburden layer foundation of an earth-rock fill dam in China are carried out，and the seismic residual deformation characteristics of soils in earthquake are analyzed.The results show that：(1)the grading curve of testing soil is consistent with the mean grading curve of corresponding drill on field soils，and the grain composition properties of field soils can be represented by the testing soil；(2) the seismic residual deformation characteristics of testing soil is influenced by the density of soil and the stress condition，and the consolidation ratio is a significant influencing factor；(3) the influencing laws of factors on axial deformation characteristics and those on residual volumetric deformation of soils are different.

Key words： super-deep overburden layer； dynamic triaxial test； grain composition properties； seismic residual deformation characteristics； consolidation ratio

0引言

隨著我國水利水電事業深入開展，強震和深厚覆蓋層問題成為了我國水電工程建設面臨的雙重挑戰，且難以規避。深厚覆蓋層地基在土石壩建設中已經相當普遍[1]。土石壩超深厚覆蓋層地基中深埋細粒土的動力特性，對覆蓋層自身地震動力反應特性和其上土石壩動力反應特性及抗震性能具有較大影響[2-3]。尤其是在其厚度較大時，由于其抗地震殘余變形能力相對較差，在強震的作用下覆蓋層地基連同壩體可能會產生較大的地震沉陷，危及大壩安全，影響樞紐的正常使用。

我國西部某大型水電工程的攔河大壩為心墻堆石壩，大壩地基主體為河谷超深厚覆蓋層，鉆孔揭露覆蓋層最大深度超過500 m，且區域地震危險性很高，壩址區100年超越概率2%基巖水平向加速度峰值超過0.5 g。壩址區整個河谷超深厚覆蓋層地基主要由6個地層構成，從自由地表到基巖表面分別為：④層，現代河床沖積砂卵礫石層；③-3層，河湖相沉積含礫砂層(夾粉質砂)；③-2層，河湖相沉積粉質黏土層；③-1層，河湖相沉積含礫砂層(夾粉質砂)；②層，沖洪積、堆積含碎(卵)砂層；①層，冰磧及冰水堆積塊碎石土層。其中，③-1層不僅埋深大(80 m左右)，而且土層很厚(150～170 m)，土層中粉質細砂土的基本物理性質指標較差，具有天然密度小、承載力低和抗變形能力差等特點。因此，研究該類土的地震殘余變形特性，確定相應特征參數，對合理預測大壩連同地基在強震作用下的地震沉陷具有重要意義。

本文針對超深厚覆蓋層地基中的深埋細粒土(③-1層粉質砂土)進行振動三軸試驗，研究土的地震殘余變形特性，并為大壩-地基系統動力分析和抗震設計提供基礎資料。主要包括：進行土的基本物理特性試驗，驗證試驗土料對現場土層特性的代表性，并結合現場試驗資料和靜力計算成果，綜合確定本次試驗的控制條件，包括試驗控制密度和應力條件等；進行土的固結、排水振動三軸試驗，研究試驗土料的地震殘余變形特性，分析相關因素對土的地震殘余變形特性影響規律；確定試驗土料的地震殘余變形特性參數，為大壩動力分析和抗震設計提供基本資料。

1試驗設備與試驗控制條件

1.1試驗設備

由于試驗土料屬細粒土，三軸試樣尺寸統一為Φ50 mm×100 mm。試驗在日本產S-3-D電液伺服中型振動三軸儀上進行，整個試驗設備由試驗主機、軸向和側向加載系統、水氣控制面板和測試與采集系統等組成(圖1)。該設備可提供的最大周圍壓力為2.5 MPa，最大軸向荷載為20 kN，可進行軸向上多種波形的周期性加載。

圖1　S-3-D電液伺服中型振動三軸儀 Fig.1　S-3-D electro-hydraulic servo medium-sized dynamic apparatns

1.2試驗條件的確定

由于實際覆蓋層中，研究對象土料的分布較廣，不同位置土料的基本物理性質指標有一定差異。因此，現場取回試驗土料的顆粒級配特性以及試驗控制土料密度是否對整個土層具有代表性，是試驗成果是否可靠、能否代表實際土層相應特性的重要影響因素。

為了驗證試驗土料對整個土層顆粒組成特性具有代表性，對現場來料進行了顆粒分析試驗，并與現場鉆孔取料的級配曲線進行對比。現場各鉆孔取土級配曲線及其平均級配曲線和試驗土料級配曲線的對比，如圖2所示。從圖2可以看出，各鉆孔取得土料的級配曲線在一定范圍內變動，試驗土料級配曲線與各孔平均級配曲線很接近，試驗土料級配特性對實際土層的總體顆粒組成特性具有代表性。

圖2　試驗土料級配曲線及其和現場典型鉆孔取料級配曲線的對比 Fig.2　Contrast of the granding curves of testing soil and field soil

試驗控制干密度根據來料的室內相對密度試驗成果，并結合現場各鉆孔相對密度測試成果聯合確定。室內試驗表明，試驗土料的最大干密度和最小干密度分別為1.92 g/cm3和1.35 g/cm3，而現場各鉆孔取土的平均相對密度為78%，因此根據公式(1)[4]，綜合確定試驗裝料控制干密度為1.78 g/cm3。

式中，ρd為試驗控制干密度；ρdmax和ρdmin分別代表土的最大干密度和最小干密度；Dr為一定狀態土的相對密度。

根據大壩-地基系統靜力分析得到土層中土體的受力狀態，并結合試驗設備的具體性能，確定試驗的應力控制條件：有效圍壓力范圍為800～2 500kPa，固結比為1.5和2.0。試驗在固結排水條件下進行，激振波形為規范正弦波，激振頻率1Hz。

2土料的地震殘余變形特性

2.1試驗數據處理方法

土體的地震殘余變形特性包括土體在地震荷載作用下的殘余體積變形特性和殘余軸向變形特性。

已有研究表明，在一定固結應力條件和一定動應力水平作用下，土體單元殘余變形的大小與規則周期振動的振動周次有關。因此，分析土體在不規則地震動荷載作用下的動力殘余變形特性時，需將隨機變化的地震荷載轉化為與之等價的等效振次規則周期荷載，而規則周期荷載的等效振次則取決于地震震級的大小。通過考察一定振次規則周期荷載作用下土體的地震殘余變形特性，來研究相應隨機地震荷載作用下土體的地震殘余變形特性[5]。本次試驗采用規范正弦波激振，分別按12、20和30次對試驗結果進行整理，相應的地震震級分別為7、7.5和8級。

本次試驗中土體殘余變形與動剪應力比間的關系用中國水科院提出的冪函數形式表達[6]，認為土在一定固結應力條件下，其地震殘余變形(包括殘余體變和殘余軸變)和動剪應力比之間滿足冪函數關系，即：

式中，殘余體應變εv和殘余軸向應變εp用百分數表示；Kv、nv、Kp、np分別為與土料類別、應力狀態和振動周次等相關的參數，表征土體的抗地震殘余變形能力，Kv、nv為殘余體變系數和指數，Kp、np為殘余軸向應變系數和指數。

2.2基本試驗結果及影響因素分析

2.2.1殘余體積變形

從圖3可以看出：隨著振次的增加，土體殘余體應變逐漸增加，在線性-對數坐標系中，兩者近似為直線關系；對同樣固結應力條件的試樣，隨著激振動剪應力比的增加相同振次下對應的殘余體變值也較大；水平相當的動剪應力作用下，隨著試樣周圍壓力的提高振動產生的土體殘余體變也逐漸提高；水平相當的動剪應力作用下，隨著固結比的提升土體殘余體應變變小，這一點在高圍壓時體現的更加明顯。

從圖4并結合表1可知：冪函數擬合曲線和原始試驗點的對比表明，土體殘余體變和動剪應力比間體現出較好的冪函數關系；固結比為1.5時，隨著圍壓力的增加，殘余體變系數變化不大且數值變化無規律，而體變指數小幅降低；固結比為2.0時，隨著圍壓力的增加，殘余體變系數大幅提升，體變指數也小幅增加。同等圍壓力條件下，固結比較大時，土體的地震殘余體變系數較固結比小時大得多。不同振次(地震震級)對應的土體地震殘余體變特征參數基本相當。

2.2.2地震殘余軸向變形

圖3　試驗土料殘余體變隨等效振次發展的增長關系 Fig.3　Growth curves of the residual volumetric changes of testing soil with equivalent vibration cycles

圖4　特定振次(震級)對應的土體殘余體應變與動剪應力比關系曲線及模型參數擬合 Fig.4　Relationship curves of soil residual volumetric strain corresponding to specific vibration cycles (magnitude) and dynamic shear stress ratio and model parameters fitting

平均有效應力/kPa固結比N0=12次N0=20次N0=30次KvnvKvnvKvnv8001.58.9551.55210.1101.5318.9011.39813001.59.1631.45510.7601.44610.6961.37019001.58.8071.3489.1001.2709.2641.20125001.59.6671.3409.4581.2279.5271.1528002.010.5721.67311.3921.62711.3621.55213002.018.2781.85817.0421.71715.3961.57719002.027.2061.95526.0311.83526.0951.76325002.030.9651.95433.1621.88330.1021.758

從圖5可以看出：和殘余體變與振次間關系基本一致，隨著振次增加，土體殘余軸向應變也在增加，在線性-對數坐標系中，兩者基本呈直線關系；振動剪應力比越高，相同振次所產生的殘余軸向應變也越大；水平相當的動剪應力作用下，隨著試樣周圍壓力的提高，振動產生的土體殘余軸向應變也在提高；相當水平動剪應力的作用下，隨著固結比的提升，土體殘余軸向應變變小，低圍壓時這一關系體現的更明顯。

從圖6并結合表2可知：擬合曲線和原始試驗點的對比表明，土體殘余軸向應變和動剪應力比間呈較好的冪函數關系；隨著圍壓力的增加，殘余軸向應變系數逐漸增加，固結比較大時，這一增加的幅度也較大，隨著圍壓力的增加，殘余軸向應變指數在固結比為1.5時基本不變，而在固結比為2時小幅提升；同等圍壓力條件下，固結比較大時，土體的地震殘余軸向應變系數較固結比小時大得多，殘余軸向應變指數也較高；不同振次(地震震級)對應的土體地震殘余軸向應變特征參數，在固結比為1.5時基本相當，在固結比為2.0時則有一定差異，隨著地震震級的提升，兩個殘余軸變特征參數均小幅降低。

圖5　試驗土料殘余軸向應變隨等效振次發展的增長關系 Fig.5　Growth curves of the residual axial strains of testing soil with equivailent vibration cycles

圖6　特定振次(震級)對應的土體殘余軸向應變與動剪應力比關系曲線及模型參數擬合 Fig.6　Relationship curves of soil residual axial strain corresponding to specific vibration cycles (magnitude) with dynamic shear stress ratio and model parameters fitting

平均有效應力/kPa固結比N0=12次N0=20次N0=30次KpnpKpnpKpnp8001.59.6701.5209.4611.4279.1081.35313001.510.9581.47111.9261.43811.8481.37719001.511.6841.42612.0801.37112.3201.32725001.517.1041.55316.3311.45516.2581.3998002.018.1661.71317.1201.61217.1191.56113002.033.9981.92529.5151.77626.8151.66819002.050.0421.99744.0811.86642.6461.79925002.067.2582.06159.0061.93052.5111.821

4結論

針對某土石壩工程超深厚覆蓋層地基中的深埋細粒土進行土的地震殘余變形特性振動三軸試驗，研究土的地震殘余變形特性，并為大壩-地基系統動力分析和抗震設計提供基礎資料。主要的研究結論為：

(1) 各鉆孔取得土料的級配曲線在一定范圍內變動，試驗土料級配曲線與各孔平均級配曲線很接近，試驗土料級配特性對實際土層的總體顆粒組成特性具有代表性；

(2) 采用試驗土料室內相對密度試驗成果和現場各鉆孔相對密度測試成果相結合的方法確定試驗控制干密度，可以相對合理地反映現場土的天然密度狀態；

(3) 土的地震殘余體積應變和軸向應變同地震作用動剪應力比間呈良好的冪函數關系，用冪函數的模式表征土體的地震殘余變形同地震作用動剪應力間的關系具有良好的適用性；

(4) 土的地震殘余變形特性主要受圍壓力條件、固結條件和密度的控制，尤其是固結比對土體地震殘余變形特性影響較大，各因素對土體殘余體積變形特性和軸向變形特性特征參數的影響規律有所差異。

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