成都平原粘性土動力學參數(shù)統(tǒng)計分析1

史丙新 周榮軍 呂悅軍 李建亮 亢川川 孔 軍

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成都平原粘性土動力學參數(shù)統(tǒng)計分析1

史丙新1，3）周榮軍1，3）呂悅軍2）李建亮1，3）亢川川1，3）孔 軍1，3）

1）四川省地震局，成都610041?2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085?3）四川賽思特科技有限公司，成都610041

成都平原地震構(gòu)造環(huán)境主要受近場中強地震和外圍大地震的影響。成都平原內(nèi)的第四系分布廣泛，主要為河流相的砂卵石層夾粘土、粉土層。這種地層在土層地震反應(yīng)計算時往往會產(chǎn)生一個峰值，具有顯著的放大作用。本文共收集了107組土動力學參數(shù)的實驗資料，統(tǒng)計分析了粉質(zhì)粘土和粘土兩種粘性土的實測土動力學參數(shù)，給出了它們在不同深度的動剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計值。然后，選取1個典型鉆孔，建立了土層地震反應(yīng)分析模型，分別運用本文“統(tǒng)計值”、“十五結(jié)果”、“規(guī)范值”、“推薦值”進行地震土層反應(yīng)計算，從反應(yīng)譜形狀、地表峰值加速度和反應(yīng)譜特征周期等方面，驗證了本文“統(tǒng)計值”的適用性和針對性，結(jié)果表明在盆地內(nèi)使用“規(guī)范值”和“推薦值”時應(yīng)謹慎，不然可能會對工程的抗震設(shè)防產(chǎn)生不利的影響。本文的“統(tǒng)計值”比“規(guī)范值”和“推薦值”更適用于成都平原地區(qū)，對各類工程建設(shè)的場地地震安全性評價具有一定的借鑒和參考價值。

粉質(zhì)粘土 粘土 土動力學參數(shù) 成都平原 動剪切模量比 阻尼比

引言

土動力學參數(shù)（動剪切模量比和阻尼比）是土體本構(gòu)關(guān)系的一種反映，也是土層地震反應(yīng)計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。參數(shù)的選取對計算結(jié)果有重要影響。陳國興等（1995）研究發(fā)現(xiàn)，在1985年的墨西哥地震中，只有采用該地特殊的高塑形軟土的動力學參數(shù)才能得到與實際震害一致的結(jié)果。臺灣羅東核電廠的盲測結(jié)果也表明，等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法的關(guān)鍵條件之一便是土動力學參數(shù)的選擇（蔡袁強等，2003）。

然而，土動力學參數(shù)的影響因素眾多，其與試驗儀器、土的地質(zhì)年代、膠結(jié)程度、孔隙比、塑性指數(shù)、初始有效固結(jié)應(yīng)力以及荷載往返作用次數(shù)等都有很大關(guān)系（陳國興等，1995；孫靜等，2004）。為避免試驗結(jié)果的離散性過大以及工程應(yīng)用的方便，往往對一定區(qū)域內(nèi)的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計，以便于工程上的運用（蘭青龍等，1997；袁曉銘等，2000；呂悅軍等，2003；陳國興等，2005；張力方等，2012），并要求統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)應(yīng)具有大致類似的構(gòu)造背景和沉積環(huán)境。

成都平原是由龍門山構(gòu)造帶和龍泉山構(gòu)造帶相互對沖作用形成的一個比較典型的壓性盆地，地貌景觀表現(xiàn)為沖洪積平原并廣泛分布一套第四系沖積砂礫石層，主要包括河流相的砂卵石層夾粘土、粉土層等。在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，呈現(xiàn)一定規(guī)模的粘性土的層狀主要分布在成都平原的龍泉驛地區(qū)。

由于成都平原受龍門山構(gòu)造帶的影響，其地震活動頻繁，如2008年汶川8.0級地震和2013年的蘆山7.0級地震都發(fā)生在這一地區(qū)。該地區(qū)的場地類別大多為Ⅱ類，第四紀以來沉積的地層在土層地震反應(yīng)計算中往往會產(chǎn)生一個峰值，具有顯著的放大作用（黃興建等，1994；薄景山等，2003）。本文收集了成都地區(qū)0—30m內(nèi)36個鉆孔共107組實測的粘性土的土動力學參數(shù)實驗數(shù)據(jù)（圖1），按不同埋深進行了統(tǒng)計分析，給出了該區(qū)各類土的動力學參數(shù)統(tǒng)計值。

1 資料與數(shù)據(jù)

本文收集的107組粘性土的動三軸試驗數(shù)據(jù)，來自于本地區(qū)的重大工程項目的實測數(shù)據(jù)，按照其性質(zhì)的不同又分為粉質(zhì)粘土和粘土兩類。對這兩類土樣的樣本量按其埋深進行了分組統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。其中，粉質(zhì)粘土和粘土的樣本量相對較多，其他土類樣本量較少，這也是四川盆地內(nèi)第四系地層的真實反映。

表1 各土類樣本量統(tǒng)計

2 各類土的動力學參數(shù)統(tǒng)計值

各類土的動力學參數(shù)統(tǒng)計采取數(shù)理統(tǒng)計的方法，用標準差來保證數(shù)據(jù)不過于離散，每組數(shù)據(jù)的標準差最大值小于0.09，舍棄異常點。土類的動剪切模量和阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系擬合的曲線模型主要有雙曲線、分段雙曲線和Davidenkov模型（Hardin等，1972；Martin等，1982；陳國興等，1995；李永強等，2010）。其中雙曲線模型是應(yīng)用最早、最簡便的模型，因此本文在試驗數(shù)據(jù)的分析和處理中采用雙曲線模型。

表2給出了兩類粘性土的土動力學參數(shù)統(tǒng)計值。圖2和圖3為粘性土的動剪切模量與阻尼比擬合的曲線。

表2 各類土在不同深度區(qū)間的平均統(tǒng)計值

從圖2和圖3可以看出：不同深度的原始數(shù)據(jù)在大應(yīng)變時較離散，應(yīng)分組統(tǒng)計；粉質(zhì)粘土的動剪切模量和阻尼比隨著深度的增加而增加；阻尼比也有隨著深度增加的趨勢，但在大應(yīng)變時表現(xiàn)較復(fù)雜一些。

3 統(tǒng)計結(jié)果的對比分析

目前，可以用于成都平原的土動力學參數(shù)值主要有四種：①中國地震局1994年頒布的《工程場地地震安全性評價工作規(guī)范（DB001-94）》（中華人民共和國行業(yè)規(guī)范，1994）中給出的常規(guī)土類剪切模量比和阻尼比的典型值（以下簡稱“規(guī)范值”）；②袁曉銘等（2000）利用改進的共振柱儀，對北京、上海等全國十幾個地區(qū)的常規(guī)土類進行大量試驗而得出的推薦值（以下簡稱“推薦值”）；③“十五”期間進行“四川數(shù)字強震動觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)”時，在成都平原土工試驗中得到的結(jié)果（以下簡稱“十五結(jié)果”）；④本文的統(tǒng)計值（以下也稱“統(tǒng)計值”）。上述四者是存在差異的，圖4和圖5是“統(tǒng)計值”、“推薦值”、“規(guī)范值”、“十五結(jié)果”之間的比較。

從圖4和圖5可以看出：①不同深度的動剪切模量曲線沒有交叉，對同一剪應(yīng)變，不管是粉質(zhì)粘土或粘土，動剪切模量比隨著深度的增加而增加。②粉質(zhì)粘土的阻尼比總體上隨著深度的增加而增加。在大應(yīng)變時，不同深度的阻尼比增加幅度不同，阻尼比曲線開始交叉。阻尼比隨深度的變化關(guān)系較復(fù)雜。③不管是動剪切模量比還是阻尼比，“統(tǒng)計值”一般大于“推薦值”、“94規(guī)范值”和“十五結(jié)果”，其中“94規(guī)范”值最小。而粘土的阻尼比“統(tǒng)計值”在大應(yīng)變時，開始小于“規(guī)范值”和“推薦值”。阻尼比越大，“統(tǒng)計值”對地震動的衰減越明顯，對地震動的能量吸收也越多，所以土層反應(yīng)計算的結(jié)果就會偏于不安全。這也進一步說明了土動力學參數(shù)的重要性，在使用“規(guī)范值”和“推薦值”時應(yīng)謹慎，不然可能會對工程的抗震設(shè)防產(chǎn)生不利的影響。

4 統(tǒng)計值的適用性分析

為了進一步比較“統(tǒng)計值”、“規(guī)范值”和“推薦值”的差異，在粘性土成層較好的成都龍泉地區(qū)進行了鉆孔測試，并對單個鉆孔按每米取樣進行了動三軸試驗，分別運用實測值、“規(guī)范值”、“推薦值”、“統(tǒng)計值”和“十五結(jié)果”五種不同的數(shù)值進行了土層反應(yīng)分析比較。其中，剪切波速和密度采用實測值，土動力學參數(shù)分別采用實測值、“統(tǒng)計值”、“推薦值”、“規(guī)范值”和“十五結(jié)果”。用以構(gòu)建土層反應(yīng)計算模型，并采用一維等效線性化波動方法進行了地震反應(yīng)分析計算。試圖通過計算結(jié)果進一步驗證本文統(tǒng)計結(jié)果的合理性和適用性。

4.1 鉆孔模型和計算參數(shù)的選取

選取的鉆孔位于成都龍泉驛區(qū)，鉆孔深度均為32.5m，場地類別為Ⅱ類。鉆孔覆蓋層為30.4m，其揭示的地層主要是雜填土、粘土、粉質(zhì)粘土和泥巖。其中，對全部鉆孔的每米均進行了取樣，直至中風化泥巖，所有土樣均由同一單位進行了動三軸試驗。圖6給出了鉆孔A的柱狀圖。

基巖輸入地震動采用地震危險性分析計算結(jié)果（見圖7），按照50年超越概率63%、10%、2%（下文分別用50a63、50a10、50a2表示）三種概率水準合成基巖加速度時程，其中每一種概率水準合成6條時程曲線，時程離散步長為0.02s，離散點數(shù)2048，選用78個周期作為擬合目標譜的控制點?？刂泣c周期從0.04—6.00s按照對數(shù)等間距分布，目標譜與擬合譜之間相對誤差小于5%。

4.2 土層反應(yīng)分析計算的結(jié)果分析

為了比較不同土動力學參數(shù)值對反應(yīng)譜的影響，求6條輸入地震動的土層反應(yīng)譜的平均值，并進行平均反應(yīng)譜的對比（圖8）；然后比較不同土動力學參數(shù)下的峰值速度、峰值加速度和反應(yīng)譜特征周期值（見表3和表4）以及它們的偏差（見表5和表6）。反應(yīng)譜特征周期g采用雙參數(shù)法確定，其計算公式為：

式中，max為峰值速度；max為峰值加速度。

從圖8可以看出，當超越概率較大時（即小震時），不同的土動力學參數(shù)計算的反應(yīng)譜差別不大；在超越概率小時（即大震時），這種差別才顯現(xiàn)出來。而用“統(tǒng)計值”和實測值計算的反應(yīng)譜更偏向短周期方向；其它數(shù)值計算的反應(yīng)譜均向長周期移動；使用“規(guī)范值”計算的反應(yīng)譜更矮更寬?？傮w上看，不同土動力學參數(shù)對反應(yīng)譜的影響集中在高頻部分，在2—3s以后不同土動力學參數(shù)對反應(yīng)譜的影響逐漸減小，反應(yīng)譜趨向一致。而不管超越概率是大還是小，“統(tǒng)計值”與實測值的計算結(jié)果在譜的形狀上最接近，差別也最小。

表3 取不同土動力學參數(shù)時的峰值加速度和峰值速度

表4 取不同土動力學參數(shù)時的特征周期

為了更好地顯示不同的土動力學參數(shù)值的適用性，本文還采用了其它值與實測值的偏差和偏差率（對應(yīng)的偏差與實測值的比值）進行了對比，結(jié)果如表5和表6所示。

表5 取四種不同的土動力學參數(shù)時與實測值所得地震動參數(shù)的偏差

表6 取四種不同的土動力學參數(shù)時與實測值所得地震動參數(shù)的偏差率（%）

從表6看使用四種不同的土動力學參數(shù)，對峰值加速度影響的最大偏差率為19.9%；對峰值速度影響的最大偏差率為12.1%；而對特征周期的最大偏差率為33.3%。從峰值加速度結(jié)果看，“規(guī)范值”和“推薦值”產(chǎn)生的偏差率均有兩個概率大于10%，“統(tǒng)計值”計算的峰值加速度、峰值速度和反應(yīng)譜特征周期偏差和偏差率均較小，而且“統(tǒng)計值”的計算結(jié)果更穩(wěn)定。對特征周期來說，其他數(shù)值的結(jié)果均有一個概率會產(chǎn)生10%的偏差率，而“統(tǒng)計值”的計算結(jié)果較小而且穩(wěn)定。從不同超越概率的計算結(jié)果看，“統(tǒng)計值”計算的峰值加速度、峰值速度和特征周期的偏差率最大值分別為7.7%、3.2%、和5.6%，均不大于10%，而且“統(tǒng)計值”的偏差率平均值也是最小的。由此可以驗證，采用“統(tǒng)計值”計算的結(jié)果是最優(yōu)的，最適于成都平原地區(qū)應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文利用收集到的107組土動力學實測數(shù)據(jù)，給出了成都平原地區(qū)粘性土土動力學參數(shù)的統(tǒng)計值，并且與可以用于成都平原地區(qū)的“規(guī)范值”、“推薦值”和“十五結(jié)果”進行了比較，得到了以下主要結(jié)論。

（1）粉質(zhì)粘土的不同深度擬合曲線驗證了土動力學參數(shù)與深度的關(guān)系。動剪切模量比隨著深度的增加而增加，阻尼比隨深度的變化關(guān)系較復(fù)雜。

（2）粘土的阻尼比在大應(yīng)變時開始小于“規(guī)范值”和“推薦值”，這表明在盆地內(nèi)使用“規(guī)范值”或“推薦值”均有可能會低估地震動參數(shù)的影響；在盆地內(nèi)使用“規(guī)范值”和“推薦值”時應(yīng)謹慎，不然可能會對工程的抗震設(shè)防產(chǎn)生不利的影響。

（3）采用“統(tǒng)計值”得到的反應(yīng)譜形狀與實測值的平均反應(yīng)譜形狀最相近。在小震時，不同的土動力學參數(shù)計算的反應(yīng)譜差別不大；而在大震時，這種差別才顯現(xiàn)出來。而采用“統(tǒng)計值”得到的反應(yīng)譜，不管在大震或小震時都與實測值最相近。

（4）采用“統(tǒng)計值”得到的土層反應(yīng)計算結(jié)果，其峰值加速度、峰值速度和特征周期的偏差及偏差率都是最小的，而且不同概率水平偏差率均不大于10%。

綜上所述，本文的“統(tǒng)計值”比“規(guī)范值”和“推薦值”更適用于成都平原地區(qū)，對各類工程建設(shè)的場地地震安全性評價具有一定的借鑒和參考價值。

薄景山，李秀領(lǐng)，李山有，2003．場地條件對地震動影響研究的若干進展．世界地震工程，19（2）：11—15.

陳國興，謝君斐，張克緒，1995．土的動模量和阻尼比的經(jīng)驗估計．地震工程與工程振動，15（1）：73—84．

陳國興、劉雪珠等，2005．蘇南地區(qū)新近沉積土的動力特性研究．地下空間與工程學報，1（7）：1139—1142.

蔡袁強，梁旭，李坤，2003．水泥土-土復(fù)合試樣的動力特性．水利學報，（10）：1—8．

黃興建，鐘國平，1994．土層中軟弱夾層在不同情況下的地面地震反應(yīng). 見：強震觀測學術(shù)研討會論文集．北京：科學出版社．

蘭青龍，賀明華，1997．太原地區(qū)場地土動力性能的統(tǒng)計分析．山西地震，（3）：6—11.

李永強，景立平，梁海安等，2010．土體動剪切模量測定及非線性擬合方法研究．世界地震工程，26（s1）： 247—252．

呂悅軍，唐榮余，沙海軍，2003．渤海海底土類動剪切模量比和阻尼比試驗研究．防災(zāi)減災(zāi)工程學報，23（2）：368—374.

孫靜，袁曉銘，孫銳，2004．土動剪切模量和阻尼比的推薦值和規(guī)范值的合理性比較．地震工程與工程振動，24（2）：125—133．

袁曉銘，孫銳，孫靜等，2000．常規(guī)土類動剪切模量比和阻尼比試驗研究．地震工程與工程振動，20（4）：133—139.

張力方，呂悅軍，彭艷菊等，2012. 考慮地震構(gòu)造環(huán)境的地震活動性參數(shù)光滑方法在地震危險性概率評價中的應(yīng)用. 震災(zāi)防御技術(shù)，7（3）：261—272.

中華人民共和國行業(yè)規(guī)范，1994．工程場地地震安全性評價工作規(guī)范（DB001-94）．北京：地震出版社.

中華人民共和國國家標準，2001．建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2001）．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

Hardin B.O., Dmevich V.P., 1972. Shear modulus and dampling in soils design equation and curves. Journal of Soil Mechanics and Foundations, 98 (SM7): 667—692．

Martin P.P., Seed H.B., 1982. One dimensional dynamic ground response analysis. Journal of Geotechnical Engineering, 108 (7): 935．

Research on Dynamic Parameters of Clay Soil in Chengdu Plain

Shi Bingxin1,3), Zhou Rongjun1, 3), Lyu Yuejun2), Li Jianliang1, 3), Kang Chuanchuan1, 3)and Kong Jun1, 3)

1) Institute of Earthquake Engineering, Seismological Bureau of Sichuan Province, Chengdu 610041, China?2) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China?3) Sichuang Seistech Technology Co. Ltd., Chengdu 610041, China

Earthquake tectonic environment of Chengdu plain is relatively stable, mainly suffering from strong earthquakes in the near field and the peripheral impact of the large earthquakes. The Quaternary sediments within the plain are mainly fluvial sand and gravel with clay and silt interlayers. Such stratum in regarding to soil seismic response calculation tends to produce a peak, with significant amplification. In this paper we collected the soil dynamic parameters from 107 experiments, and divided the data into 2 groups based on lithology, such as, silty clay and clay. Statistical analysis of the dynamic parameters of these soils was carried out to obtain the mean values of dynamic shear modulus ratio and damping ratio at different depths. Furthermore, selecting one typical engineering site, we analyzed the influences of four different soil dynamic parameters, mean values, experimental values, values recommend by former researchers, and values recommend in the code for seismic safety evaluation of engineering sites (DB001-94). The results show that in Chengdu plain using specifications and recommended values can have adverse effects on the earthquake fortification work. The results can be taken as a reference of the soil dynamic value in this area and can be used in the seismic risk assessment of engineering projects.

Clay soil; Clay Soil dynamic parameter; Chengdu plain; Dynamic shear modulus ratio; Damping ratio

四川省地震局科技專項（項目編號：LY1310）；中國地震局地殼應(yīng)力研究所所長基金（ZDJ2015-03）

2014-08-06

史丙新，男，生于1983年。四川地震局工程地震研究院工程師。主要從事工程地震方面的研究。E-mail：sbx188 @163.com