湯永凈，趙文深

（同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092）

我國(guó)是歷史悠久的文明古國(guó)，擁有令世人矚目的古建筑文化遺產(chǎn).但由于古代建筑技術(shù)的限制以及幾千年使用過程中的靜力和動(dòng)力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，地基逐漸產(chǎn)生變形承受不均勻應(yīng)力作用.這些累積變形及應(yīng)力會(huì)對(duì)其后來的整體結(jié)構(gòu)變形發(fā)展產(chǎn)生重要影響，特別是對(duì)古建筑地基土在多次多遇地震作用下，對(duì)不均勻應(yīng)力條件下產(chǎn)生的附加變形，導(dǎo)致其整體穩(wěn)定性降低.

多次多遇地震作用下土體的變形累計(jì)主要是土體流變性質(zhì)所致.土體流變研究，目前主要集中在振動(dòng)剪切強(qiáng)度與沉降變形兩個(gè)方面.在影響地基土不均勻沉降方面，土層不均勻、結(jié)構(gòu)物荷載不均勻、地震荷載不對(duì)稱三個(gè)主要因素中結(jié)構(gòu)物荷載的不均勻是導(dǎo)致古建筑土體穩(wěn)定性破壞的主要原因[1].此類振陷研究就顯得尤為迫切和重要.

振陷是地震引起的土工構(gòu)筑物或地基的殘余變形，也是導(dǎo)致其基礎(chǔ)發(fā)生傾斜的主要原因，大多數(shù)來自砂土液化和新近沉積淤泥質(zhì)粘土軟化.目前對(duì)于振陷的研究主要集中在土體殘余應(yīng)變與孔隙水壓力的實(shí)驗(yàn)分析和計(jì)算模型的建立與預(yù)測(cè)[2].Seed等[3]早在20世紀(jì)70年代就開始了土體殘余應(yīng)變與孔壓增長(zhǎng)模型研究，并得到廣泛應(yīng)用.1974年，Lee[4]曾對(duì)循環(huán)荷載三軸試樣的殘余應(yīng)變作了比較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，建立了一個(gè)預(yù)測(cè)作用若干次動(dòng)應(yīng)力后土試件產(chǎn)生的殘余應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)公式.郁壽松、石兆吉等在國(guó)內(nèi)率先開展了軟粘土和飽和砂土的殘余應(yīng)變和孔壓試驗(yàn)研究以及模型建立，在諸多實(shí)際工程中發(fā)揮了較好的參照作用[4－6].但針對(duì)承受復(fù)雜應(yīng)力作用下已有傾斜的古建筑地基土體，以及有間隔小幅振動(dòng)對(duì)古建筑穩(wěn)定性的影響的相關(guān)研究卻略顯匱乏.

目前我國(guó)對(duì)古塔等古建筑的保護(hù)大多集中于如何扶正以及在非傾斜狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性能的分析上，如西安大雁塔的抗震能力評(píng)價(jià)及杭州舒公塔的糾偏扶正等，對(duì)于在多遇地震作用下塔體地基的安全性與穩(wěn)定性的研究卻明顯不足.本文土樣取自上海及安慶兩個(gè)古塔分部較集中且土性差別較大地區(qū)的持力層土體.上海和安慶處于地震帶邊緣上，小幅地震活動(dòng)頻繁，對(duì)當(dāng)?shù)毓沤ㄖ斐闪藫p傷累積.本文利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究這兩處多遇地震條件中不同應(yīng)力水平下古塔地基土體的流變特性，討論土體在不同應(yīng)力水平、與多遇地震作用等價(jià)的不同動(dòng)應(yīng)力比、多次地震作用條件下土體累計(jì)變形的規(guī)律，為此類古塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定評(píng)估提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用英國(guó) GDS（Geotechnical Digital Systems）室內(nèi)動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)儀，配有GDSLAB自動(dòng)數(shù)控與采集系統(tǒng)，儀器最大圍壓2 MPa，頻率范圍為0～5 Hz，試樣直徑高度分別為39.1，80.0 mm.

1.2 土樣制備

試驗(yàn)所用上海地區(qū)淤泥質(zhì)軟粘土取自古塔下部約20 m深的上海④1層土，灰色，軟塑，夾粉土或粉砂薄層（以下簡(jiǎn)稱軟土），安慶地區(qū)沉積型老粘土取自安慶市中心下部約4～7 m深的老粘土層，紅褐色，硬塑，夾細(xì)石粒（以下簡(jiǎn)稱硬土）.將現(xiàn)場(chǎng)鉆孔挖掘所取土樣經(jīng)臘封后送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土工試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)方法，將原狀土放入切土器中切削為相應(yīng)直徑及高度的試樣，裝入半開模稱重、記錄、裝樣、貼標(biāo)簽，將切削下的余土裝入試樣盒稱重、記錄、烘干并測(cè)含水率及重度.試樣含水率分別為51.7%～52.3%和23.6%～24.1%，重度分別為17.6～17.2 k N·m－3和19.0～19.3 k N·m－3.將制好的試樣立即安裝上機(jī)，按試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)程序進(jìn)行調(diào)試后即可進(jìn)行反壓飽和，待試樣飽和度B值達(dá)到0.85后（由于實(shí)驗(yàn)方案不是針對(duì)土樣破壞以及土質(zhì)的因素，土樣不需要也很難達(dá)到完全飽和）進(jìn)行排水固結(jié)，分為等壓固結(jié)約12 h，偏壓固結(jié)約12 h，且每級(jí)偏應(yīng)力增量為20 kPa，以避免在加壓過程中發(fā)生強(qiáng)度破壞.當(dāng)孔隙水壓力隨時(shí)間趨于穩(wěn)定時(shí)，即可認(rèn)為固結(jié)完成[7].

1.3 試驗(yàn)方案

由于地震作用下所產(chǎn)生的沉降大體分為兩部分：一是動(dòng)力荷載作用下土體中的不排水殘余應(yīng)變引起的瞬時(shí)變形；二是地震后土體中超孔隙水壓力消散所引起的再固結(jié)變形.所以本試驗(yàn)采用有時(shí)間間隔的5次小幅振動(dòng)模擬古塔地基土體在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受的多次振陷瞬時(shí)影響，利用4次間隔模擬試樣再固結(jié)變形，以觀察土體繼續(xù)流變情況.結(jié)合其他小幅振動(dòng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)測(cè)地震頻譜特性[8－10]，本次試驗(yàn)中每次振動(dòng)頻率為1 Hz（從實(shí)測(cè)地震頻譜分析中得到基頻為1 Hz左右），時(shí)間20 s.在小幅地震下，動(dòng)應(yīng)力中的拉壓應(yīng)力作用差異不明顯，因此用規(guī)則的正弦波模擬振動(dòng)，考慮到小振幅要求以及實(shí)際地區(qū)地震烈度（常遇烈度按7度），取試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力幅值σd范圍5～35 kPa（動(dòng)應(yīng)力比范圍0.04～0.15，一組對(duì)比試樣取0）.經(jīng)過多次準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)分析選定間隔時(shí)間4～6 h，分為排水2～3 h和不排水2～3 h分別進(jìn)行穩(wěn)定觀察，即認(rèn)為再固結(jié)結(jié)束.

試樣固結(jié)條件是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土單元的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)和固結(jié)排水條件決定的，考慮到古塔地基存在不均勻應(yīng)力的作用以及上海和安慶地區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)的差別，對(duì)軟土樣取試驗(yàn)固結(jié)應(yīng)力比Kc1為1.2，1.4，1.6，對(duì)硬土樣取Kc2為1.2～2.5，均取實(shí)驗(yàn)有效圍壓σ3c為100 k Pa，共做了27件動(dòng)三軸試驗(yàn)，見表1.

1.4 累積殘余應(yīng)變選定

殘余應(yīng)變是指動(dòng)應(yīng)力卸除后土體殘留的應(yīng)變值，在動(dòng)三軸試驗(yàn)中表現(xiàn)為動(dòng)應(yīng)力作用前后試樣的高度差與動(dòng)應(yīng)力作用前試件的高度之比.在本實(shí)驗(yàn)中選取5次振動(dòng)中試樣高度變化差值與第一次振動(dòng)前試樣的高度之比為累積殘余應(yīng)變，作為反映古建筑地基土體在多遇振動(dòng)后的位移表現(xiàn).

2 數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 軟土

圖1給出了軟土土樣在不同固結(jié)比下累積殘余應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力比的關(guān)系，可以看出，殘余應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力比的增大而增大，相同動(dòng)應(yīng)力比下，固結(jié)比越大，殘余應(yīng)變?cè)酱?，相近固結(jié)比之間殘余應(yīng)變差值約為0.2%～0.6%，按此比例換算到具體工況、具體建筑時(shí)此傾斜位移不可忽視.

圖1 累積殘余應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力比關(guān)系圖Fig.1 Relationship between residual strain and stress ratio

圖2為動(dòng)應(yīng)力比0.05、固結(jié)比為1.4的某一試樣在一次振動(dòng)及之后再固結(jié)過程里的軸向位移變化情況，圖3反映了期間孔隙水壓力的變化（本試樣設(shè)定儀器反壓值＝500 KPa），可以發(fā)現(xiàn)在20次的小幅振動(dòng)下試樣未發(fā)生顯著變形，孔壓也基本保持不變；在振動(dòng)后不排水固結(jié)過程中試樣變形緩慢增加，內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)調(diào)整，而由于上海淤泥質(zhì)軟黏土具有低滲透性，孔壓的發(fā)展具有明顯的滯后性，導(dǎo)致孔壓在此階段上升，但幅度一般不超過5 KPa；在振后排水固結(jié)過程中，由于先前超孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為粒間有效應(yīng)力，孔隙水被排出，加速土體的壓縮變形，使此段變形速率略大，而孔壓值回到壓力室反壓數(shù)值并保持穩(wěn)定.

圖2 軟土某試樣振動(dòng)—再固結(jié)位移變化曲線Fig.2 Curve of displacement in vibration－reconsolidation of a soft soil sample

圖3 軟土某試樣振動(dòng)—再固結(jié)孔壓變化曲線Fig.3 Curve of pore pressure in vibration－reconsolidation of a soft soil sample

圖4給出了振動(dòng)、不排水、排水再固結(jié)5次循環(huán)過程中土樣的累積應(yīng)變值（圖中Zn、Gn、Kn分別對(duì)應(yīng)第n次振動(dòng)結(jié)束、第n次不排水再固結(jié)結(jié)束、第n次排水再固結(jié)結(jié)束試驗(yàn)階段，下同），從圖中可以看出，軟粘土振陷呈現(xiàn)出塑性流動(dòng)性狀，且在低應(yīng)力水平下土體塑性應(yīng)變累積很小.但動(dòng)應(yīng)力比越大、固結(jié)應(yīng)力比越大，累積變形的趨勢(shì)就越大，這主要是由于飽和軟土的軟化現(xiàn)象即變形模量的下降所致[6]，因此多次振動(dòng)對(duì)土體穩(wěn)定性的影響也就越明顯，土體在結(jié)構(gòu)未破壞前可發(fā)生的沉降值就越大，不同固結(jié)比下的應(yīng)變差就越大，例如當(dāng)動(dòng)應(yīng)力為0.08時(shí)固結(jié)比1.6的土樣與1.2的土樣最終的累積變形差達(dá)到了0.6%之多.

圖4 隨試驗(yàn)階段軟土試樣累積殘余應(yīng)變變化圖Fig.4 Variation chart of accumulated residual strain with different test stages of soft soil samples

2.2 硬土

由于硬土土樣具有類似黃土不連續(xù)、非均質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)性，振動(dòng)中位移主要為土體顆粒垂直位移.如圖5所取動(dòng)應(yīng)力比為0.15時(shí)的不同固結(jié)比圖樣在各階段累積殘余應(yīng)變數(shù)據(jù)所示，在多次小幅值振動(dòng)后累積殘余應(yīng)變較小，所有試樣均不超過0.15%，且離散性較大；而且由于此類老粘土是一種超固結(jié)土，試驗(yàn)固結(jié)應(yīng)力比越小可知其超固結(jié)比越大，在實(shí)驗(yàn)的固結(jié)階段產(chǎn)生的變形也相應(yīng)較小，振動(dòng)過程土體中松散程度相對(duì)大，振動(dòng)后累積殘余應(yīng)變也相應(yīng)偏高.這與軟土的規(guī)律是相反的.當(dāng)然圖中也顯示有部分?jǐn)?shù)據(jù)略有偏差，這是原狀土結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)和實(shí)驗(yàn)過程中操作誤差所不可避免的.圖6顯示動(dòng)應(yīng)力比為0.2的兩組試樣的殘余應(yīng)變較動(dòng)應(yīng)力比0.15及0.08下的試樣的變形略有提高，約0.2%.可以說，在小幅多次振動(dòng)下，影響此類老粘土殘余應(yīng)變的因素并不是單一的，而是包括固結(jié)壓力、動(dòng)應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)以及土體本身的物理特征和結(jié)構(gòu)性等諸多條件綜合作用的結(jié)果[11].

圖5 隨試驗(yàn)階段硬土試樣累積殘余應(yīng)變圖（動(dòng)應(yīng)力比0.15）Fig.5 Variation chart of accumulated residual strain with different test stages of hard soil samples

圖6 累積殘余應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力比變化點(diǎn)圖Fig.6 Relationship point－graph between residual strain and stress ratios

圖7—8為硬土某試樣在一次振動(dòng)及再固結(jié)過程中軸向位移變化以及孔壓變化，由于此類硬土高密實(shí)度和強(qiáng)度的影響，試樣只有在振動(dòng)開始時(shí)才有極小的塑性變形壓縮，再固結(jié)階段時(shí)土體趨于穩(wěn)定可視為無變化；孔壓方面，由于老粘土滲透性差、應(yīng)力較小，孔隙水壓力一直極小波動(dòng)保持穩(wěn)定，其他試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本相似.圖8試樣設(shè)定儀器反壓值為100 KPa.

圖7 硬土某試樣振動(dòng)—再固結(jié)位移變化曲線Fig.7 Curve of displacement in vibration－reconsolidation of a hard soil sample

圖8 硬土某試樣振動(dòng)—再固結(jié)孔壓變化曲線Fig.8 Curve of pore pressure in vibration－reconsolidation of a hard soil sample

總體來講，硬質(zhì)老粘土的沉降變形及孔壓變化在本實(shí)驗(yàn)方案下表現(xiàn)的離散性較大，規(guī)律不強(qiáng)，這與土體自身、試驗(yàn)方案、儀器精度以及操作誤差等都有一定聯(lián)系，數(shù)據(jù)量級(jí)偏小是一個(gè)主要因素.

3 結(jié)論及建議

（1）上海地區(qū)軟黏土振陷變形隨振動(dòng)幅值、固結(jié)比的增大而增大.在多次小幅振動(dòng)過程中，瞬時(shí)振陷并不明顯、數(shù)值較低，在振后再固結(jié)中振陷變形顯著增大，因此對(duì)地震發(fā)生后的古建筑地基進(jìn)行及時(shí)的加固措施尤為重要.

（2）安慶地區(qū)老粘土由于特殊的結(jié)構(gòu)性，在本實(shí)驗(yàn)所模擬的條件下，殘余應(yīng)變以及孔壓值總體上受到的影響不明顯，數(shù)值變化很小.

殘余應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力比增大而小幅增大，在此類硬土的相關(guān)研究中也表明，在其所受動(dòng)應(yīng)力達(dá)到使其結(jié)構(gòu)破壞的臨界動(dòng)應(yīng)力之前，動(dòng)應(yīng)力所引起的殘余應(yīng)變量處在很小的量級(jí)，且規(guī)律性較差.本實(shí)驗(yàn)基本在0.15%以內(nèi)，屬于土體正常變形反映.

（3）安慶地區(qū)古建筑地基土體在本實(shí)驗(yàn)中抗震性能表現(xiàn)很好，固結(jié)比即軸向偏應(yīng)力越大，振動(dòng)后變形越小，即地基土上部負(fù)重越大，在經(jīng)歷多遇地震后古建筑更偏安全，與軟粘土地基情況相反.控制其振陷發(fā)展的根本還在于保持結(jié)構(gòu)性完整即提高硬土結(jié)構(gòu)性破壞時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力.

（4）針對(duì)古建筑土體小幅、多次振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，由于儀器靈敏度、精度限制、操作誤差以及原狀土擾動(dòng)等諸多因素影響，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)離散性較大，規(guī)律性不強(qiáng)，加之目前對(duì)粘土振陷相關(guān)微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚有不足，此類研究有待深入.

致謝：本實(shí)驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，吳曉峰老師、盧燕怡老師、周健老師以及邵振東高工給予本試驗(yàn)諸多指導(dǎo)和幫助，對(duì)他們謹(jǐn)致謝意.

[1] 袁曉明，孫銳，孟上九，軟弱地基土上建筑物不均勻震陷機(jī)理研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2004，37（2）：67.YUAN Xiaoming，SUN Rui，MENG Shangjiu.Research on mechanism for earthquake－Induced differential settlement of buildings on soft subsoil[J].China Civil Engineering Journal，2004，37（2）：67.

[2] 謝定義.土動(dòng)力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版杜，1989.XIE Dingyi.Soil dynamics[M].Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，1989.

[3] Seed H B，Martin G R，Lysmer J.Pore－water pressure changes during soil liquefaction [J].Journey of the Geotechnical Engineering Division，ASCE，1976，102（GT4）：327.

[4] 石兆吉，郁壽松.土壤震陷試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1989，4（11）：35.SHI Zhaoji，YU Shousong.Experimental investigation of soil settlement due to earthquake [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1989，4（11）：35.

[5] 孟上九，曹文海，袁曉明.地震荷載下土體殘余應(yīng)變及孔壓研究綜述[J].世界地震工程，2001，17（3）：49.MENG Shangjiu，CAO Wenhai，YUAN Xiaoming.A summary of research on residual strain and pore pressure of soils under earthquake loads[J]. World Information on Earthquake Engineering，2001，17（3）：49.

[6] 于洪治，何廣訥，楊斌.軟土震陷特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，36（1）：76.YU Hongzhi， HE Guangna， YANG Bin. Experimental investigation of soil seismic deformation property[J].Journal of Dalian University of Technology，1996，36（1）：76.

[7] 中華人民共和國(guó)水利部.SL237—1999土工試驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.SL237—1999 Geotechnical test specification[S].Beijing：China Waterpower Press，1999.

[8] Nagase H，Ishihara K.Effects of load irregularity on the cyclic behavior of sand dynamics and earthquake engineering [J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering.1987，6（4）：239.

[9] 曹繼東，陳正漢，王權(quán)民.廈門軟粘土的振陷特性研究[J].巖土力學(xué)，2004，25（1）：160.CAO Jidong，CHEN Zhenhan，WANG Quanmin.Study on characteristics of seismic depression of soft clay in Xiamen[J].Rock and Soil Mechanics，2004，25（1）：160.

[10] 朱定華，施建軍，陳國(guó)興.南京新近沉積淤泥質(zhì)土震陷特性試驗(yàn)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008，28（1）：26.ZHU Dinghua，SHI Jianjun，CHEN Guoxing.Experimental study on characteristics of seismic settlement of recently deposited muddy soil in Nanjing City[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2008，28（1）：26.

[11] 駱亞生，謝定義，董為民，等.不同地區(qū)黃土振陷變形特性的對(duì)比分析[J].陜西水力發(fā)電，2001，17（1）：4.LUO Yasheng，XIE Dingyi，DONG Weimin，et al.Comparative analysis of the vibration deformation behavior of the loess from the different regions[J].Journal of Shaanxi Water Power，2001，17（1）：4.