0 引言

土的动剪切模量比和阻尼比受地质年代、沉积环境、塑性指数、土的类型、含水率、土层埋深、围压、循环加载模式等因素影响,呈现出极强的差异性和非线性特性,是工程场地地震反应分析的基本参数。工程界和理论界高度重视,对其进行了大量的研究,如袁晓明等[1]、战吉艳等[2]、陈国兴等[3]、王炳辉等[4]、尚守平等[5]及史丙新等[6]分析了土的类型、土层深度对土的动剪切模量比和阻尼比的影响,给出了黏土、粉质黏土、粉土等常规土类不同埋深动剪切模量比和阻尼比与剪应变的推荐值;陈国兴等[7]研究了沉积相对土的动剪切模量比和阻尼比的影响,总结了不同土类在不同沉积相和土层埋深下土层动剪切模量比和阻尼比与剪应变的推荐值;另外,吕悦军等[8]、王志杰等[9]、孙田等[10]、张效龙等[11]还研究了黄土、海底土、滩涂土等特殊类土的动剪切模量比和阻尼比的变化规律。

目前针对土的动剪切模量比和阻尼比变化规律的研究基本上都是基于土层深度和土类进行的,而土的性质除了受到土类、埋深影响外,还与地质年代、沉积环境密切相关。因此,仅从土的类别、土层深度分析土的动剪切模量比和阻尼比的变化规律,还不足以为工程场地地震反应分析提供可靠的动力稳定性分析参数。基于此,本文根据收集的嘉兴市典型钻孔第四纪地层的土样动三轴试验结果,分析了沉积相、地质年代对该区域动剪切模量比和阻尼比的影响,给出了基于沉积相、地质年代的动剪切模量比和阻尼比推荐值,并选取标准钻孔,构建了FLAC3D平台的场地分析模型,分别以基于沉积相和地质年代的动剪切模量比和阻尼比推荐值和实测值进行了非线性场地地震反应分析。

1 试验数据收集

嘉兴市地处长江三角洲冲海积平原地区,地层成因复杂,区内第四系为一套河流冲积及河湖相、滨海相松散沉积物,覆盖层厚度可达200 m左右,第四系土层的形成和结构与长江三角洲的发育、江海变迁、气候等自然变化有着密切的联系,具有层序复杂、相变剧烈、厚度较大的特点。根据勘探孔资料,土层自上而下分别为:填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、砂质粉土夹粉质黏土、粉砂、粉质黏土、粉质黏土夹砂质粉土。

试验土样取自嘉兴市科技城近30 km2范围,共计34个原状土样。从地质年代分,试样有2个试样有2个试样有4个试样有8个试样有8个试样有2个试样有6个、Q1试样有2个;从沉积相分,冲湖相(al-l)试样有20个、冲洪相(al-pl)试样有4个、冲海相(al-m)试样有4个、海相(m)试样有6个。

2 试验结果与分析

影响G/Gmax-γ、λ-γ的土质性质主要有孔隙比e、塑性指数IP、沉积年代等,其中塑性指数IP是最主要因素[12-14]。

2.1 塑性指数分布规律

图1为试验土样塑性指数与深度、土类、沉积相关系。从图中可以看出,塑性指数与土层埋深没有显示出任何相关性。塑性指数与土类则显示出较大的相关性,区域分布最广的三种土类(黏土、粉质黏土、粉土)中,黏土的塑性指数最大(介于15～25之间)、粉质粘土次之(介于10～15之间)、粉土最小(一般小于10)。从沉积相看,塑性指数与沉积相也表现出较大的相关性,冲洪相(al-pl)沉积土塑性指数最小,冲湖相(al-l)沉积土塑性指数最大、冲海相(al-m)和海相(m)沉积土居中。

2.2 埋深对动参数的影响

依试样埋深,选取粉质黏土、黏土、粉土三类土,其G/Gmax-γ、λ-γ曲线如图2所示。

从图2可以看出,随着埋深的加大,一定程度上,G/Gmax-γ、λ-γ的衰减逐渐变慢,但不管是黏土、粉质黏土还是粉土,埋深与G/Gmax-γ、λ-γ均未显示出明显相关性。

2.3 地质年代对动参数的影响

为探讨地质年代对土动剪切模量比和阻尼比的影响,按冲湖相(al-l)、冲海相(al-m)、海相(m)、冲洪相(al-pl)绘制不同地质年代土G/Gmax-γ、λ-γ关系曲线(图3)。

从图3不同地质年代土G/Gmax-γ、λ-γ关系曲线可见,地质年代对土的动剪切模量比(G/Gmax)、阻尼比(λ)具有明显的影响,土层沉积相相同时,地质年代越新,动剪切模量比(G/Gmax)越大,动阻尼比(λ)越小;且地质年代越新,不管是动剪切模量比(G/Gmax)还是阻尼比(λ)其离散性基本上越大。表明地质年代越新,土层非线性特性越明显,受应变累计效应影响大,其动力特性不均匀性也越大。

2.4 沉积相对动参数的影响

为研究沉积相对土动剪切模量比和阻尼比的影响,按下全新统上更新统下更新统绘制不同沉积相土层的G/Gmax-γ、λ-γ关系(图4)。

由图4可以看出,在下全新统形成的沉积土中,冲湖湘(al-l)沉积土较冲海相(al-m)沉积土动剪切模量比G/Gmax大,而动阻尼比λ较小。在上更新统形成的沉积土中,冲湖相沉积土动剪切模量比G/Gmax最大、海相沉积土次之、冲海相沉积土最小;动阻尼比λ则表现为冲海相沉积土最大、海相沉积土次之、冲胡相沉积土最小。在下更新统形成的沉积土中,海相形成的动剪切模量比G/Gmax最小、冲洪相与冲湖相类似,但冲洪相离散性更大;动阻尼比λ海相最大、冲湖相与冲洪相混杂。

从上分析可知,地质年代相同时,冲海相沉积土的动剪切模量比G/Gmax值较小、海相次之、冲湖相(冲洪相)较大,动阻尼比λ值则显示为冲海相较大、海相次之、冲湖相(冲洪相)较小。表明地质年代相同时,冲湖相(冲洪相)沉积土非线性特性最为明显,受应变累计效应影响大;但冲洪相沉积土动力特性不均匀性较冲湖相大。

2.5 嘉兴地区动模量阻尼比推荐使用值

可以看出,不同地质年代、不同沉积相土层的塑性指数差异导致嘉兴市不同地质年代、不同沉积环境土层的G/Gmax-γ、λ-γ曲线变化规律。因此,基于地质年代和沉积环境来分析嘉兴市土层G/Gmax-γ、λ-γ曲线更加符合区域实际。为更好地提供土地规划利用和工程设计所需的土动力学参数,表1根据试验结果并根据G/Gmax-γ、λ-γ经验关系,给出了应变范围5×10-6～10×10-3的G/Gmax、λ推荐值。

3 数据采用与地震时程反应分析

为说明嘉兴市土动力学参数推荐值的适用性和合理性,根据实测值、推荐值对实际钻孔基于FLAC3D采用一维剪切波理论分别进行非线性土层地震动力反应分析。

3.1 场地计算参数

选取覆盖土层深度超过100 m的实测9号钻孔为计算场地,场地地质情况和剪切波速随深度变化情况如图5所示。

场地土层地震反应模型的模型参数,如土层分层,岩性描述、土层密度、深度和厚度、剪切波速等,采用现场勘察和实际测试数据,体积模量K和剪切模量G由式(1)确定。

(1)

式中:cS为剪切波速;ρ为土体密度;υ为土体泊松比。

3.2 输入地震动的确定

以地震危险性分析得到的基岩峰值加速度和反应谱作为目标函数,按照50年超越概率分别为2%、10%、63%三种水准,结合适应地区地震活动特征的强度包络函数,采用时域迭加和反应谱整体逼近相结合的方法合成基岩地震动时程,作为场地土层地震动反应分析的基岩输入地震动时程,不同概率水准的输入地震加速度反应谱如图6所示。

3.3 动力反应模型设置

根据场地地质情况和剪切波速分布图,确定地面以下100.6 m深度处作为基岩地震动输入界面,模型水平方向网格长度均设为1 m,纵向网格长度综合考虑地质分层和剪切波速分层结果,设为0.5 m,水平方向均取为1个单元格。

模型侧边设置自由场边界条件,底面设置安静边界条件。各土层均施加滞后阻尼,阻尼值由Hardin-Drnevich方程拟合动剪切模量衰减曲线得到。

3.4 计算结果分析

根据实测值及推荐值的土动力参数下地面加速度反应谱曲线如图7所示,加速度峰值、速度峰值、特征周期列于表2。

从图7可以看出,3种概率水准下,根据实测值和推荐值计算的反应谱曲线均差别不大,在高频部分(>1 s)和低频部分(<0.1 s),推荐值计算的反应谱值均要大于实测值计算结果;在0.1～1 s间两者计算结果接近。

从表2可以看出,由推荐值计算的地面峰值加速度、峰值速度、特征周期均与采用实测值计算结果接近,峰值加速度的最大偏差率2.1%、峰值速度最大偏差率10%、特征周期最大偏差率5.4%,推荐值表现出良好的适用性,可以用于嘉兴地区土层动力反应分析。

4 结论

利用收集到的土动力参数实测数据,分析了嘉兴第四纪地层土动剪切模量比和动阻尼比的变化规律,得出如下主要结论:

(1) 土层埋深对嘉兴第四纪地层土动剪切模量比和动阻尼比没有明显影响。

(2) 沉积相对嘉兴第四纪地层土动剪切模量比和动阻尼比有较大影响。对于地质年代相同的土,冲湖湘沉积土动剪切模量比(G/Gmax)最大,动阻尼比(λ)最小。

(3) 地质年代对嘉兴第四纪地层土动剪切模量比和动阻尼比有明显影响。对于沉积相相同的土,地质年代越新,动剪切模量比(G/Gmax)越大,动阻尼比(λ)越小。

(4) 土的塑性指数与沉积相具有较大的相关性,冲湖相(al-l)沉积土塑性指数大,冲海相(al-m)沉积土塑性指数小。

(5) 根据沉积相和地质年代关系,给出了嘉兴第四纪地层土动剪切模量比和动阻尼比推荐值,可供工程实际应用。

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