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海洋沉積土動(dòng)剪切模量與阻尼比的試驗(yàn)研究

2015-03-03 09:07張先偉孔令偉HossainMdSayem
巖土力學(xué) 2015年1期
關(guān)鍵詞:細(xì)砂阻尼比黏土

尹 松,張先偉,孔令偉,Hossain Md Sayem,

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071;2. Department of Geological Sciences, Jahangirnagar University, 達(dá)卡 1342, 孟加拉國(guó))

1 引 言

隨著我國(guó)工程建設(shè)范圍的推廣以及海洋工程的發(fā)展,海洋土類工程場(chǎng)地面積逐年增加,工程規(guī)模與難度逐年增大。在這類工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)及地基動(dòng)力反應(yīng)分析中海洋土的動(dòng)剪切模量G和阻尼比D取值的合理性將直接影響到工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。然而,目前對(duì)陸地上不同地區(qū)、不同工程地質(zhì)條件的土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究較多且比較集中[1-2],而對(duì)于海洋沉積土的動(dòng)力學(xué)特性,限于海上鉆探工作存在的困難和海洋土動(dòng)力學(xué)參數(shù)的不確定性,仍存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)少、統(tǒng)計(jì)結(jié)果離散性大、力學(xué)機(jī)制不明確等問題[3-4],導(dǎo)致進(jìn)行海洋土地震反應(yīng)分析遇到土力學(xué)參數(shù)資料不全的情況時(shí)一般仍是參考規(guī)范及研究經(jīng)驗(yàn)值,但研究表明[4]一些由陸地上典型土力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)海洋土體并不具有通用性。因此,考慮海洋土的特殊土性與海域區(qū)域性,統(tǒng)計(jì)合理且具有一定針對(duì)性的海洋沉積土動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及評(píng)價(jià)方法就顯得尤其重要,可為海洋工程場(chǎng)地的設(shè)計(jì)、施工及抗震分析提供技術(shù)依據(jù)。

基于以上研究現(xiàn)狀,本文研究采用共振柱試驗(yàn)方法,探究海洋沉積土動(dòng)剪切模量和阻尼比隨剪應(yīng)變的衰變規(guī)律,分析相應(yīng)理論模型及經(jīng)驗(yàn)關(guān)系研究海洋沉積土動(dòng)力衰變特性的合理性,對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外研究者及規(guī)范所建議的推薦值與海洋沉積土動(dòng)力特性參數(shù)的差異性。

2 試樣與試驗(yàn)方法

2.1 試 樣

試驗(yàn)選用樣品取自某海域海洋沉積土,利用薄壁取土器采用靜壓法提取試樣,取土深度為10.3~84.2 m。沿海深以下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂3類土。每類土選取2~6個(gè)深度的典型試樣進(jìn)行試驗(yàn),試樣的主要物性指標(biāo)及其沿深度變化范圍見表1。

2.2 試驗(yàn)原理與方法

根據(jù)海洋土實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變范圍,采用共振柱試驗(yàn)方法研究小應(yīng)變范圍內(nèi)各類土體在循環(huán)荷載作用下剪切模量比及阻尼比隨剪應(yīng)變衰變規(guī)律。試驗(yàn)儀器為英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的固定-自由型共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)(GDS RCA),可以在試樣無(wú)損的條件下研究中小應(yīng)變范圍內(nèi)土的動(dòng)力特性,精度達(dá)10-10。

試驗(yàn)根據(jù)一維波動(dòng)理論,在一定物理?xiàng)l件和應(yīng)力條件下的土柱上,施加扭轉(zhuǎn)或彎曲振動(dòng),并逐級(jí)改變驅(qū)動(dòng)頻率,測(cè)得 10-6~10-3應(yīng)變范圍內(nèi)不同應(yīng)變水平下的共振頻率,然后切斷動(dòng)力,測(cè)試出振動(dòng)衰減曲線[5]。試驗(yàn)步驟為① 飽和:采用抽真空方法飽和試樣,試樣尺寸為直徑50 mm,高100 mm。② 固結(jié):參考表2中土樣的天然應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其等壓固結(jié),直至孔壓基本消散,應(yīng)變恒定。③ 共振柱激振:對(duì)固結(jié)后試樣進(jìn)行共振柱激振試驗(yàn),整個(gè)試驗(yàn)過程均由微機(jī)控制。④ 數(shù)據(jù)處理:根據(jù)共振頻率、試樣密度、試樣的幾何尺寸及端部條件,計(jì)算出試樣的動(dòng)剪切模量G,計(jì)算公式[5]為

式中:G為土樣的動(dòng)剪切模量;ρ為土樣的質(zhì)量密度;f為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)共振頻率;h為土樣的高度;β為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率方程的特征值。

阻尼比值計(jì)算公式[5]為

式中:AN為第N次的振幅;AN+m為第N+m次的振幅。

為方便對(duì)比分析,對(duì)3類海洋土樣編號(hào),分別為C1~C6為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,S1~S6為粉砂,F(xiàn)1~F2為細(xì)砂,施加的固結(jié)壓力見表2。試驗(yàn)用的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為原狀土樣,粉砂和細(xì)砂為保持原有含水率不變,按照原密度且不添加任何配料條件下制成50 mm×100 mm的試樣。

表1 物性試驗(yàn)及顆粒分析成果Table 1 Physical properties and grain sizes analysis results

表2 試樣編號(hào)及施加圍壓Table 2 Serial number and confining pressure of samples

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 Gmax隨變化規(guī)律

由于深海鉆探的難度較大,對(duì)于深部海洋沉積土的Gmax常通過雙對(duì)數(shù)模型[5]獲得,不同上覆壓力下土的Gmax可表示為

根據(jù)共振柱試驗(yàn)結(jié)果,將不同有效圍壓下的海洋沉積土的Gmax及根據(jù)式(3)得到的Gmax繪于圖1、2,研究不同有效圍壓(可認(rèn)為深度)的海洋土Gmax的發(fā)展規(guī)律。從圖中可以看出,雙對(duì)數(shù)模型基本能反映出該海域海洋土的Gmax隨0σ′的遞增趨勢(shì),粉、細(xì)砂相關(guān)關(guān)系擬合效果較好,黏性土試驗(yàn)點(diǎn)離散性相對(duì)較大。分析可知,受儀器精度的影響,低圍壓下激振會(huì)引起氣壓波動(dòng)導(dǎo)致圍壓變化,高圍壓下激振引起的圍壓變化相對(duì)較小,圍壓較穩(wěn)定。粉、細(xì)砂圍壓超過250 kPa后擬合相關(guān)性較大現(xiàn)象也說(shuō)明了這一點(diǎn),表明海洋沉積土物性指標(biāo)基本一致的非黏性土在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下Gmax隨0σ′呈線性增長(zhǎng),黏性土則不明顯。

圖1 粉砂及細(xì)砂Gmax與′0σ關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between Gmax and ′0σof sand

3.2 海洋沉積土的G/Gmax及D

考慮到土的深度差異及工程敏感性,將粉砂土分成了2個(gè)深度范圍,得到了各類土的動(dòng)剪切模量和阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系,將G經(jīng)Gmax歸一化處理并與 Seed 等[6]、Wilson[7]、祝龍根等[8-9]、袁曉銘[2]等研究成果及相關(guān)規(guī)范值[10]進(jìn)行對(duì)比分析,以深入了解海洋沉積土與陸地區(qū)域土的動(dòng)力特性差異,如圖3~6所示。

圖2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土Gmax與關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between Gmax andof mucky silty clay

圖3 粉砂及細(xì)砂G/Gmax-γ 關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between G/Gmax and γ of sand

圖4 粉砂及細(xì)砂D-γ 關(guān)系曲線Fig.4 Relationships between D and γ of sand

圖5 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土G/Gmax-γ 關(guān)系曲線Fig.5 Relationships between G/Gmax and γ of mucky silty clay

圖6 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土D-γ 關(guān)系曲線Fig.6 Curves between D and γ of mucky silty clay

由圖3、5可知,砂性土的G/Gmax隨γ的衰減曲線經(jīng)歸一化后試驗(yàn)點(diǎn)分布帶較窄。從試驗(yàn)點(diǎn)分布可知,深度為27.2~34.2 m的粉砂土試驗(yàn)點(diǎn)在應(yīng)變值小于5×10-4時(shí),介于Seed等[6]與袁曉銘等[2]研究值之間,明顯高于規(guī)范值,應(yīng)變值超過5×10-4后接近于規(guī)范[10]值;深度為47.2~84.2 m的粉、細(xì)砂試驗(yàn)點(diǎn)在應(yīng)變值小于5×10-4時(shí)位于祝龍根[8]研究值之上,應(yīng)變值超過5×10-4后有逐漸向袁曉銘[2]研究值靠攏的趨勢(shì);大多數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)分布于規(guī)范[10]值之上,可見,對(duì)于本海域砂類沉積土,如果按照規(guī)范值選取動(dòng)力參數(shù)過于則過于保守,黏性土試驗(yàn)點(diǎn)分布帶較粉、細(xì)砂寬,應(yīng)變值小于10-4時(shí)主要集中在祝龍根[9]及袁曉銘等[2]研究值附近,在應(yīng)變值超過10-4后,試驗(yàn)點(diǎn)開始離散,在各研究者[7,9]推薦值及規(guī)范[10]值附近均有分布,但大多數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)高于規(guī)范值,也存在按照規(guī)范值選取動(dòng)力參數(shù)過于保守問題。所以,本海域海洋土G/Gmax值的確定不能依照現(xiàn)有規(guī)范的推薦取值,即使考慮借鑒以往研究成果也必須限制在一定的應(yīng)變范圍,并應(yīng)考慮土體的天然應(yīng)力狀態(tài)。

由圖4、6可知,深度為27.2~34.2 m的粉砂試驗(yàn)點(diǎn)分布于規(guī)范[10]值、祝龍根[8]及袁曉銘[2]研究值之間,但47.2~84.2 m粉、細(xì)砂D值較規(guī)范[10]值及其他推薦值[2,6-8]低,與海洋沉積砂土所處環(huán)境有關(guān)。這類砂土深度超過淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,經(jīng)過海底的特殊環(huán)境作用,砂土中黏粉顆粒較少,土體中粗骨料較多,容易形成骨架結(jié)構(gòu),所以阻尼比相對(duì)較小,與G/Gmax-γ 衰減曲線中47.2~84.2 m的粉、細(xì)砂試驗(yàn)點(diǎn)在應(yīng)變值小于5×10-4時(shí)位于規(guī)范值及其他推薦值之上相對(duì)應(yīng)。此外,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土試驗(yàn)點(diǎn)分布較寬,少數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)高于規(guī)范[10]值及推薦[7-8]值,大多數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)低于規(guī)范值及其他推薦值。

3.3 海洋沉積土動(dòng)力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)模型

海洋沉積土的工程設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)不能簡(jiǎn)單套用現(xiàn)有規(guī)范推薦值以及以往研究經(jīng)驗(yàn)值,應(yīng)針對(duì)參數(shù)實(shí)測(cè)值評(píng)價(jià)海洋沉積土動(dòng)力學(xué)行為,進(jìn)而提出適用于海洋沉積土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)推薦值。經(jīng)對(duì)比分析,選擇 3參數(shù) Martin-Davidenkov模型[11]對(duì)本海域沉積土的動(dòng)剪切模量比曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,模型為

式中:Dmin、Dmax、n為擬合參數(shù)。

試驗(yàn)點(diǎn)分布及模型擬合曲線如圖7、8所示。分析可知,Martin-Davidenkov模型及選用的阻尼比隨應(yīng)變變化的經(jīng)驗(yàn)公式能夠很好地?cái)M合 G/Gmax和 D隨γ的變化規(guī)律。就粉、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土而言,前者試驗(yàn)點(diǎn)離散性較小,分布帶較窄,經(jīng)驗(yàn)公式可以較好的反映海洋沉積土的 G/Gmax和D發(fā)展規(guī)律;后者的G/Gmax擬合曲線與實(shí)測(cè)值相對(duì)離散,分布帶較寬,分析原因可能是儀器精度及土體自身的非均勻性所致。

3.4 海洋沉積土Gmax和D的推薦值

為給海洋沉積土工程設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)依據(jù),筆者考慮了不同的應(yīng)力狀態(tài),將試驗(yàn)結(jié)果與G/Gmax隨γ變化的模型擬合曲線及D與γ的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行了整理,給出了涵蓋 5×10-6~10-3應(yīng)變范圍內(nèi)G/Gmax及D的推薦值,見表3。分析可知,海洋沉積土G/Gmax推薦值隨γ的增大而減小,D推薦值隨γ的增大而增加,其變化關(guān)系曲線都成雙曲線分布,較好地反映了海洋沉積土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。但另一方面,從圖9也可以看出,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)分散,后續(xù)研究應(yīng)增加試驗(yàn)樣本與提高儀器原件測(cè)試精度,驗(yàn)證和修正本文提出的推薦值,獲得更準(zhǔn)確的擬合參數(shù)。

圖7 砂土G/Gmax、D與γ 關(guān)系曲線Fig.7 Relationships between G/Gmax, D and γ of silt

圖8 細(xì)砂土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土G/Gmax、D與γ 關(guān)系曲線Fig.8 Relationships between G/Gmax, D and γ of fine sand and mucky silt clay

表3 海洋沉積土G/Gmax-γ 及D-γ 關(guān)系曲線推薦值Table 3 Recommended values of relationship between G/Gmax,D and γ of seabed sediment

4 結(jié) 論

(1)物性指標(biāo)基本一致的海洋沉積粉、細(xì)砂在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下Gmax隨0σ′基本呈線性增長(zhǎng),黏性土的增長(zhǎng)關(guān)系擬合結(jié)果相對(duì)較差。

(2)對(duì)于海洋沉積土,不同研究者給出的G/Gmax隨γ衰減規(guī)律推薦值均適用在一定的應(yīng)變范圍及天然應(yīng)力狀態(tài),粉、細(xì)砂及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土均存在按照規(guī)范值選取動(dòng)力參數(shù)過于保守問題。

(3)對(duì)于深度為27.2~34.2 m的海洋沉積粉砂土阻尼比試驗(yàn)值分布于各研究者推薦值之間,而深度為47.2~84.2時(shí)粉、細(xì)砂阻尼比值較其他研究者推薦值低,大多數(shù)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土阻尼比試驗(yàn)值高于規(guī)范值及推薦值。

(4)Martin-Davidenkov 模型及選用的 D-γ 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系能夠很好地?cái)M合G/Gmax和D隨γ 的變化規(guī)律,據(jù)此提出的海洋沉積土 G/Gmax及D的推薦值可為海洋土工程設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)依據(jù)。

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