我國東南沿海核電海工工程地基土靜動力特性規(guī)律研究

王桂萱，張虎韋，趙 杰

(大連大學 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心， 遼寧 大連 116622)

中國是最大的發(fā)展中國家，人口眾多，地域分布不均且能源需求量大，傳統(tǒng)能源日益匱乏。尤其是最近幾年我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源問題更加的突出。為此，越來越多的人意識到核能是解決這一問題的主要方法，并且在經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境改善、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面發(fā)揮重要的作用。但核電廠選址問題一直是制約核電廠建設(shè)可行性的關(guān)鍵。調(diào)查資料顯示，美國約有50%的核電修建在非基巖上，法國大概有60%的核電修建于軟弱土層上，在日本有一部分核電修建在斷層地帶或者地基不均勻的土層上。

核電海工工程由防護建筑物及取排水設(shè)施組成，主要包括護岸、防波堤、導流堤、取排水明渠(箱涵、隧洞)、直立墻等，具有抵御外海波浪侵襲、保證取排水通暢、提供核反應堆循環(huán)冷卻水、確保地震等突發(fā)情況下安全堆所需的冷卻水供應等重要功能，是核安全相關(guān)物項。由于核電海工工程投資費用巨大，建設(shè)工期長，因此其安全性至關(guān)重要。而海洋地基土大多是工程性質(zhì)不佳的軟黏土、粉土和殘積土等。就這些軟土而言，在土結(jié)構(gòu)相互作用下以及動力荷載作用下很容易發(fā)生地基失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，深入開展核電地基土的靜動力特性研究任重而道遠。國內(nèi)外學者做了大量的試驗研究，劉齊建[1]、陳國興等[2]、周健等[3]以及李曉飛等[4]學者分別對上海、南京、和武漢等區(qū)域分布的軟弱土層做了許多動力特性試驗研究。關(guān)于土體動力特性的研究一直備受人們的關(guān)注，學術(shù)界也有大量的學者們通過采用動三軸試驗的研究方式，取得了很多卓有成效的結(jié)論[5-6]。張勇等[7]、魏星等[8]、柳艷華等[9]學者對飽和重塑的軟黏土采用動三軸試驗進行了大量的研究，提出該類土樣在循環(huán)荷載作用下，其土樣在動荷載作用下達到穩(wěn)定性時的累積應變方程。丁伯陽等[10]對杭州地區(qū)的軟土進行了一系列動三軸試驗，得出了本地區(qū)軟土的應力-應變曲線和動力特性參數(shù)等結(jié)果?；羧A陽等[11]學者研究了天津濱海新區(qū)特殊結(jié)構(gòu)性的軟土，采用室內(nèi)循壞三軸試驗的方式，對在交通荷載作用下的結(jié)構(gòu)性淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進行了動力特性研究，得出該類土在長期動荷載作用下的動應力-動應變關(guān)系隨著加載的頻率、圍壓以及土體本身固結(jié)狀態(tài)的變化規(guī)律等結(jié)論。陳清華等[12]以珠江三角洲區(qū)域的淤泥質(zhì)軟土為研究對象，對其進行物理力學指標的檢測以及采用室內(nèi)動三軸試驗，對不同圍壓以及剪應變等條件下的軟土進行了動力特性試驗研究。國外在1960年就開始了關(guān)于軟土的動力特性試驗研究，Hardin等[13-15]和Yashuara等[16]研究者將動三軸試驗設(shè)備做了改進，通過大量的室內(nèi)動力特性試驗，在此基礎(chǔ)上 得出了跟軟土動力特性相關(guān)的很多結(jié)論，而且給出了土動剪模量和阻尼比的計算公式，這對于土體動力特性的研究具有很大的指導意義。在此研究之后，YashuaraK[17]、FujikawaK[18]和Chaijc等[19]分別對土體的動模量、動阻尼比和動累積塑性變形等特性進行了試驗研究，也得出了很多關(guān)于土體動力特性的重要結(jié)論，在試驗過程中，YashuaraK發(fā)現(xiàn)振動頻率這一因素對軟黏土的動強度和變形量的影響不大。

本文以大連大學土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心近些年完成的國內(nèi)核電海工工程地基抗震安全評價分析的實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納統(tǒng)計了田灣、寧德、霞浦、漳州、昌江等沿海核電地基土動力特性的相關(guān)參數(shù)以及引用了核電廠海工構(gòu)筑物抗震演算方法的改進與海床地基土參數(shù)研究的部分數(shù)據(jù)[20]，總結(jié)出了一些核電場地土的規(guī)律性，以供類似工程抗震設(shè)計參考。

1 試驗設(shè)備及性能

試驗是在中國地震局工程力學研究所研制的GZ-II型共振柱試驗機上進行。

多功能動三軸試驗是通過計算機進行控制的，在整個試驗過程中所需要加的動應力、動變形和孔壓值均由微機系統(tǒng)進行采集處理。

2 核電地基土靜、動力變形與強度參數(shù)分析

利用大連大學土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心近些年完成的國內(nèi)核電(漳州、寧德、霞浦、田灣、昌江等)海工工程抗震安全評價的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)以及引用了文獻[20]中的部分數(shù)據(jù)，進行了地基土靜、動力三軸試驗分析，在此基礎(chǔ)上整理了相關(guān)地基土的試驗參數(shù)，從統(tǒng)計學的角度獲得一些沿海核電工程的地基土的規(guī)律性。此次試驗所研究的對象有淤泥土、黏土、粉質(zhì)黏土、殘積土、砂等五類土體，在進行靜、動力三軸試驗時所施加的固結(jié)圍壓分別取100 kPa、150 kPa、200 kPa，按鄧肯-張E-B模型整理試驗參數(shù)。

2.1 初始模量和最大動剪切模量

在1963年，由簡布(Janbu )提出了土體在進行三軸試驗中的初始彈性模量Ei與圍壓σ3符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，公式如下：

(1)

式中:K、n分別為變形模量系數(shù)與指數(shù)，均為試驗參數(shù)。

此公式在土力學中為大多數(shù)土體本構(gòu)模型所釆納，Ei是靜三軸試驗中土試樣的重要參數(shù)，一般稱為土的靜彈性模量。Ei在整個試驗推導過程中是以εa→0 的方式被定義的，但是在試驗過程中要求較土樣在小應變時基本是處于彈性狀態(tài)的，這時土體所對應的模量值就是靜彈性模量。在進行靜三軸試驗時，土樣的軸向應變是通過百分表測量得到的，根據(jù)測量的數(shù)值來計算所需要的初始模量。

(2)

式中:K、n為試驗參數(shù);σ0為初始平均靜應力;Pa為標準大氣壓。

2.2 抗剪強度

在此次三軸試驗中，取σ-ε關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值時的所對應的值作為破壞標準，此時峰值所對應的應力即為土樣的抗剪強度；對于在整個試驗過程中沒有出現(xiàn)峰值的土樣，取軸向應變的5%作為該試樣的屈服強度值，對應的應力值為試驗土樣的抗剪強度值，也就是三軸試驗中的破壞應力差(σ1-σ3)f，用qf來表示，由摩爾-庫侖準則可得到抗剪強度的表達式如下

(3)

2.3 最大動剪切模量

通過整理振動三軸試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出試驗土樣的最大動剪切模量Gmax、最大動模量Emax的值，以及試驗土樣所對應的動剪應變幅值γ,Gmax,Emax指的是當土樣的γ=10-6時，所對應的動剪模量和動彈性模量，一般也稱為土樣的最大動剪切模量和最大動彈性模量。兩者的關(guān)系式表示如下：

Emax=2(1+v)Gmax

(4)

式中:v為土樣的泊松比，不排水試驗時取0.5。

2.4 動強度

動強度是指土試樣在一定動應力重復次數(shù)Nf的作用下，所產(chǎn)生的某一指定破壞應變時所需的動應力[21]。震動次數(shù)可參照Seed提出的不同震級作用下等效循環(huán)次數(shù)來進行確定，如表1所示。

表1 地震震級與等效循環(huán)振次表

在三軸試驗中隨著土樣破壞應變判斷標準不同，其所對應的動強度也不盡相同。所以，在進行動強度的試驗中，要求得動強度的值，首先破壞標準是首要條件。

3 實驗結(jié)果整理

3.1 變形與強度參數(shù)統(tǒng)計

將漳州、寧德、霞浦、田灣、昌江以及參考文獻[21]等核電海工工程實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計歸納。各土類的試驗參數(shù)統(tǒng)計見表2，以及各類土固結(jié)排水剪、固結(jié)不排水剪、動強度試驗的強度參固結(jié)不排水剪、動強度試驗的強度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的統(tǒng)計見表3。

各土類的變形模量系數(shù)K與土體強度參數(shù)c、φ的平均值與計算標準差見表4。統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)表明，不同土樣在不同的三軸試驗條件下，其土樣的變形模量系數(shù)K都比在固結(jié)排水試驗條件下的KCD小，在固結(jié)不排水試驗條件下的KCU次之，而且土樣的動模量系數(shù)Kd有最大值。當不同土樣在相同的試驗條件下時，有如下結(jié)果，其各類土樣的變形模量系數(shù)K的大小較為明顯，試驗數(shù)據(jù)顯示淤泥最小、其次是黏土、全風化土、粉質(zhì)黏土、殘積土、砂最大。在試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的強度參數(shù)φ值中一般有固結(jié)排水剪條件下土樣的強度φCD最大，然而固結(jié)不排水剪試驗土樣的強度與φCU動強度φd大小是不確定的。

3.2 靜模量與強度關(guān)系

根據(jù)表2、表3中三軸試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并采用鄧肯-張E-B模型中的初始模量計算公式(1)以及摩爾-庫侖強度準則關(guān)系式(2)，能求得各類土(淤泥土、黏土、粉質(zhì)黏土、砂、全分化土)在三軸排水以及三軸不排水試驗條件下的初始彈性模量Ei及抗剪強度qf的值，Ei-qf關(guān)系如圖1所示，坐標采用雙對數(shù)坐標。

從圖1可以看出一般規(guī)律：無論是三軸排水剪試驗(CD)還是三軸不排水條件下的三軸試驗(CU)，可以看出各類土樣的初始模量與抗剪強度的關(guān)系基本上成正相關(guān)，當圍壓值逐漸增大時，其試驗土樣的初始彈性模量Ei和強度qf都有明顯增大的趨勢，但是其Ei/qf無明顯的規(guī)律性，而各類土這一比值均分布在1∶10～1∶100之間；在相同的圍壓條件下，不同試驗土樣的三軸不排水試驗的Ei/qf都比三軸排水試驗的Ei/qf值大。

表2 試驗各土類的變形模量系數(shù)

注：(1) *數(shù)據(jù)來源于文獻[20]。(2) CD代表固結(jié)排水；CU代表固結(jié)不排水；d代表動態(tài)。以下表格相同。

圖1 各類土靜模量與強度關(guān)系

土樣類型干密度/(g·cm-3)cCDφCDcCUφCUcdφd核電項目淤泥粉質(zhì)黏土黏土粉細砂中粗砂粉砂全風化土殘積土1.17710.4317.9425.639.29——福清*1.6414.1418.001.2413.409.507.70漳州0.95113.9010.8010.207.109.908.00田灣1.2128.4611.006.9216.809.808.00霞浦1.15617.9321.1012.2820.4019.8010.00霞浦1.15212.0023.905.9311.48——寧德*1.9770.7824.8046.7816.3015.67.80漳州1.597——27.1317.35——福清*1.55033.9013.6030.6011.6023.609.80田灣1.66060.3018.2057.8015.2024.7012.90田灣1.55625.2324.1020.0328.5024.6012.90霞浦1.56843.0720.3036.4919.4040.0013.90霞浦1.98552.8622.2048.8319.3015.607.80漳州1.29511.7423.9012.0214.8110.8017.20寧德1.14618.7620.8614.0412.5911.4016.80寧德1.35020.5014.6017.2012.2017.4011.70田灣0.9706.3016.2017.0013.60—— 陽江*1.4000.3733.30246.000.174.704.50漳州1.5504.8030.80135.000.652.309.60漳州1.64013.7034.005.9214.709.7020.30 寧德*1.4207.7034.70158.000.894.307.10漳州1.63010.1331.70186.000.356.745.00漳州1.55010.7035.70——17.707.80田灣1.68010.56 32.45——2.5417.40昌江1.65018.0038.60——23.609.80田灣1.4600.6234.20——14.707.70霞浦1.68318.4132.6015.3428.605.1018.40漳州1.37921.6526.2824.1818.7811.5018.30 福清*1.4079.1428.12————福清*1.52026.8025.0018.5023.1017.4019.70 陽江*

注：*數(shù)據(jù)來源于文獻[20]。

表4 核電地基土的變形模量系數(shù)與強度參數(shù)統(tǒng)計

3.3 動模量與動強度關(guān)系

由試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表3中各類土的動模量試驗參數(shù)Kd、nd以及通過最大動剪切模量公式(2)和剪切模量與彈性模量之間的換算關(guān)系式(4)，可以計算得出不同類型土在不同試驗條件下(淤泥、粉質(zhì)黏土、黏土和砂)的最大彈性模量Emax的值，通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表5中各類土的動強度試驗參數(shù)cd、φd以及通過摩爾-庫侖公式(3)，可以求解出不同類型土的強度值qmax，做出二者關(guān)系圖Emax-qmax，坐標采用雙對數(shù)坐標。

從圖2可以看出，在不排水條件下進行各類土的室內(nèi)循環(huán)荷載試驗時，當施加的圍壓值增大時，其各類土本身的動彈性模量Emax所對應的強度qmax值都有明顯增大的趨勢，但是Emax/qmax的比值基本上在減小。圖3顯示，其動彈性模量Emax與對應的強度qmax的值砂土比黏土和粉質(zhì)黏土大。

圖2 各類土動模量與強度關(guān)系

圖3 各類土Emax與qmax的關(guān)系(CU)

3.4 靜、動模量關(guān)系

將各地區(qū)土類的Emax和Ei關(guān)系匯總見圖4，同時與日本龍岡文夫教授等研究軟巖所得出Emax和Ei的比值范圍為2～20的結(jié)論(見圖5)進行對比，統(tǒng)計分析結(jié)果表明兩者結(jié)論基本吻合。

日本的龍岡文夫教授認為，一般在進行傳統(tǒng)的室內(nèi)三軸試驗時，測量試樣的軸向應變的過程中沒有考慮實驗端部對試樣土體本身的影響，這就會導致在使用試驗所測得的數(shù)據(jù)來計算土樣的彈性模量時會出現(xiàn)偏小的情況，這時計算出的彈性模量被稱為土樣的靜彈性模量(Ei),由于該數(shù)值在線彈性變形范圍內(nèi)對于巖土體需要進行數(shù)值分析時過于偏小，所以不能作為真正的彈性模量來對巖土本身的性質(zhì)做出評價，這個結(jié)果在本文試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計中也得到了驗證。

圖4 海洋地基土Emax與Ei的關(guān)系

圖5 軟巖Emax與Ei的比較[22]

4 結(jié) 論

本文在系統(tǒng)研究國內(nèi)核電海工工程地基土參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計分析得出試樣在相同圍壓下動彈性模量與強度比值Emax/qmax大于靜彈性模量與強度比值Ei/qf，這一結(jié)論在文獻[15]中也有提到。由圖1可以總結(jié)出各類土在靜三軸試驗不排水條件下的Ei/qf值大于在排水試驗條件下的數(shù)值。

通過實際核電海工工程的相關(guān)試驗資料，整理了靜、動三軸試驗(淤泥、粉質(zhì)黏土、全風化土、黏土和砂)的變形參數(shù)K、n以及強度參數(shù)c、φ，得出以下結(jié)論：

(1) 不管是在三軸排水剪試驗(CD)條件下還是在不排水剪試驗(CU)條件下，均有各類土的初始模量與其本身的抗剪強度成正相關(guān)關(guān)系這一結(jié)論，當圍壓值增大時，土樣的初始彈性模量Ei和強度qf也都增大，但是Ei/qf的比值沒有特別明顯的規(guī)律性，不同類型試驗土樣的Ei/qf這一比值都分布在1∶10～1∶100這一區(qū)間內(nèi)；當圍壓相同時，不同類型土試樣在三軸固結(jié)不排水剪試驗(CU)條件下的Ei/qf都大于三軸固結(jié)排水剪試驗(CD)的Ei/qf。

(2) 在不排水條件下進行室內(nèi)循環(huán)荷載試驗時，當圍壓增大時，其各類土試樣的動彈性模量Emax與對應的強度qmax都增大，但是Emax/qmax的比值基本上呈遞減趨勢。

(3)通過對部分海工工程地基土的靜、動彈性模量統(tǒng)計分析可得，Emax/Ei比值范圍在2～20區(qū)間內(nèi)。