孫 靜，金曉鷗，孫殿民，姜彥新，王福彤，付偉慶，宋 冰

（黑龍江大學(xué)a．建筑工程學(xué)院；b．東北寒區(qū)土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

0 引 言

土的動(dòng)剪切模量是土層和地基地震反應(yīng)分析中必備的非線性動(dòng)力參數(shù)，也是場(chǎng)地安評(píng)、土工構(gòu)筑物和重大工程結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最大動(dòng)剪切模量的測(cè)試方法一般有兩種：①現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；②實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。兩者相互補(bǔ)充，各有所長(zhǎng)，有時(shí)可以相互驗(yàn)證，但二者的關(guān)系還存在令人困惑的問題。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主要方法是通過測(cè)試剪切波速，換算得到不同深度處土層的最大動(dòng)剪切模量。工程上剪切波速測(cè)試目前通常采用單孔測(cè)井法，該法具有速度快，可逆偏振，能發(fā)現(xiàn)低速層，能滿足一定的精度要求，只需單孔就可進(jìn)行測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)井中，一般在地面多次激震，逐步將拾振器沿深度下移，逐點(diǎn)測(cè)試，根據(jù)剪切波傳播的路徑，得到各測(cè)點(diǎn)間的剪切波速。對(duì)波速實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，求得鉆孔每一層的剪切波速，已知土的質(zhì)量密度，即可得到最大動(dòng)剪切模量。

就實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來說，室內(nèi)研究土動(dòng)力特性的重要設(shè)備是共振柱。由于共振柱具有原理簡(jiǎn)單、操作方便、邊界條件清晰及結(jié)果離散小和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前中小應(yīng)變范圍內(nèi)測(cè)定土的動(dòng)剪切模量最好的儀器設(shè)備。

本文選取西安、杭州和山東3個(gè)不同區(qū)域，不同地區(qū)有完整現(xiàn)場(chǎng)波速資料的實(shí)際工程場(chǎng)地，分別采用現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法求出最大動(dòng)剪切模量，研究對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)測(cè)得最大動(dòng)剪切模量的差異程度，并探討兩者差異的影響因素。

1 實(shí)際場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1．1 第一個(gè)場(chǎng)地

第一個(gè)場(chǎng)地為西安市閻良區(qū)，選取3個(gè)典型的鉆孔，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比［1］。第1個(gè)鉆孔編號(hào)為ZK1，共取5個(gè)土樣，測(cè)試深度為86m；第2個(gè)鉆孔編號(hào)為ZK10，共取6個(gè)土樣，測(cè)試深度為82m；第3個(gè)鉆孔編號(hào)為ZK19，共取6個(gè)土樣，測(cè)試深度為86m。把3個(gè)鉆孔共17個(gè)土樣的試驗(yàn)參數(shù)和剪切波速列于表1。

根據(jù)3個(gè)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)剪切波速vs資料，已知土的質(zhì)量密度ρ，由公式Gmax＝ρv2s，換算得到不同深度處土的最大動(dòng)剪切模量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值Gmax。

室內(nèi)所有試驗(yàn)都是在中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的GZ－1型共振柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。利用共振柱試驗(yàn)機(jī)能夠測(cè)定微小應(yīng)變下土的動(dòng)剪切模量，對(duì)西安市閻良區(qū)場(chǎng)地17個(gè)土樣分別進(jìn)行室內(nèi)均等固結(jié)試驗(yàn)。根據(jù)土樣的埋深給試樣施加不同的固結(jié)壓力并使其固結(jié)，逐級(jí)施加振動(dòng)應(yīng)力，測(cè)取試樣扭轉(zhuǎn)方向的自振頻率和相應(yīng)的剪應(yīng)變及阻尼衰減曲線，計(jì)算得到室內(nèi)均等固結(jié)條件下最大動(dòng)剪切模量的室內(nèi)試驗(yàn)值Gmax。把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值列于表1，兩者對(duì)比見圖1。

表1 西安市閻良區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Table 1 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Xian site

續(xù)表1Continoues table 1

圖1 西安市閻良區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Fig．1 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Xian site

由表1可見，現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量有差異，現(xiàn)場(chǎng)波速法要比室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果大，增大范圍為17．7%～191．6%，平均增大為30．5%。從總的趨勢(shì)來看，增大的程度和土層埋深也有一定的關(guān)系，土層埋深越大，波速逐漸增加，而現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法的結(jié)果差值也越大，甚至達(dá)到191．6%。

1．2 第二個(gè)場(chǎng)地

第二個(gè)場(chǎng)地為杭州灣大橋，根據(jù)杭州灣大橋工程的9個(gè)鉆孔資料，取其中2個(gè)典型鉆孔，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比［2］。為確定土層地震反應(yīng)分析中土的動(dòng)剪切模量，對(duì)2個(gè)鉆孔的9個(gè)土樣進(jìn)行了土的室內(nèi)共振柱試驗(yàn)，該試驗(yàn)是在中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所新研制的DGZ－1型多功能共振柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。1＃鉆孔編號(hào)為CZK4，共取5個(gè)土樣；2＃鉆孔編號(hào)為CZK20，共取4個(gè)土樣，測(cè)試深度均為150m；每隔5m測(cè)一個(gè)剪切波速，土樣試驗(yàn)參數(shù)和剪切波速見表2。把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值列于表2，兩者對(duì)比見圖2。

由表2可見，現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量有差異，現(xiàn)場(chǎng)波速法要比室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果大，增大范圍為7．3%～68．3%，平均增大33．1%。從總的趨勢(shì)來看，隨著土層埋深越大，波速逐漸增加，現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果差值也有所增加。

表2 杭州灣大橋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Table 2 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Hangzhou site

圖2 杭州灣大橋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Fig．2 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Hangzhou site

1．3 第三個(gè)場(chǎng)地

第三個(gè)場(chǎng)地為山東淄博，受大眾日?qǐng)?bào)淄博分社委托，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所承擔(dān)了晨報(bào)華源大廈工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作［3］。為確定土層地震反應(yīng)分析中土的動(dòng)剪切模量，對(duì)1個(gè)鉆孔6個(gè)土樣進(jìn)行室內(nèi)共振柱試驗(yàn)，該試驗(yàn)是在中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所新研制的DGZ－1型多功能共振柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。山東巖土工程勘察總公司工程物探研究所進(jìn)行波速測(cè)試，測(cè)試1個(gè)鉆孔，完成45個(gè)測(cè)點(diǎn)，自下而上1m測(cè)1個(gè)點(diǎn)，測(cè)試深度為45m，土樣試驗(yàn)參數(shù)和剪切波速見表3。把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值列于表3，兩者對(duì)比見圖3。

由表3可見，現(xiàn)場(chǎng)波速法要比室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果大，增大的范圍為8．2%～189．9%，平均增大86．2%。從總的趨勢(shì)來看，土層埋深越大，現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相差也有所增加。

表3 山東淄博場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Table 3 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Shandong site

圖3 山東淄博現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Fig．3 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Shandong site

2 結(jié)果分析

根據(jù)3個(gè)場(chǎng)地的試驗(yàn)結(jié)果，給出3個(gè)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值的對(duì)比，見圖4。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量確實(shí)有差異，現(xiàn)場(chǎng)波速法測(cè)得的結(jié)果總是要比室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果大，增大7%～192%，最大相差約2倍。

圖4 3個(gè)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和室內(nèi)試驗(yàn)值對(duì)比Fig．4 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of three engineering sites

俞培基等［4］通過兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的對(duì)比，證實(shí)了現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的動(dòng)剪模量的差別，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定值大于室內(nèi)側(cè)定值；蔣壽田等［5］研究了鄭州地區(qū)地基原狀土動(dòng)模量及阻尼比，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)波速和室內(nèi)共振柱儀測(cè)試的實(shí)際數(shù)據(jù)比較，指出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量比實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果要大80%～170%。并推測(cè)是由于室內(nèi)試驗(yàn)所用的土樣在取樣和試驗(yàn)過程中，會(huì)受到不同程度的擾動(dòng)，而且原狀土從鉆孔中取出以后產(chǎn)生應(yīng)力釋放，室內(nèi)試驗(yàn)再加壓時(shí)又沒有考慮時(shí)間效應(yīng)的影響，所測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量就可能偏低；Pitilakis［6］研究結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量總是要比實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量大很多，并推測(cè)是由于實(shí)驗(yàn)室沒有考慮時(shí)間效應(yīng)或試樣的擾動(dòng)，還可能是由于十字板提供的應(yīng)變比實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的要小，或由于實(shí)際土的不均勻性和土的各向異性的影響；張立［7］和王建華［8］等從不同角度也對(duì)此進(jìn)行了研究。

以往現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試最大動(dòng)剪切模量的研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，同樣的土在相同密度和固結(jié)壓力條件下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量總是要比實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量大很多。本文3個(gè)場(chǎng)地對(duì)比結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)波速法比室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果增大7%～192%，與目前的研究結(jié)果有可比性。

3 影響因素分析

影響現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土的最大動(dòng)剪切模量的因素雖然有很多，包括：土樣的擾動(dòng)、室內(nèi)人工制備土樣與原位結(jié)構(gòu)的差異、實(shí)際土的不均勻性、土的各向異性、時(shí)間效應(yīng)以及次固結(jié)效應(yīng)，差別的原因可能是上述諸因素的綜合反映，也可能是其中一部分因素的反映。擾動(dòng)和時(shí)間等因素肯定對(duì)最大動(dòng)剪切模量有重要影響，但此解釋還缺乏足夠的證據(jù)，對(duì)如此大的差別來說并不充分［9］。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究土的最大動(dòng)剪切模量的重要缺陷之一是未重視不同固結(jié)比對(duì)土的動(dòng)剪切模量的影響。以往雖認(rèn)識(shí)到非均等固結(jié)下土的動(dòng)剪切模量及其對(duì)地震動(dòng)影響的重要性，但是受儀器設(shè)備的限制，不能施加偏壓，測(cè)出土的動(dòng)剪切模量主要適用于均等固結(jié)的狀況。而實(shí)際土層、工程場(chǎng)地和土工構(gòu)筑物中，由于側(cè)壓力系數(shù)和泊松比的存在，固結(jié)比kc＝1．0這種狀態(tài)基本不存在，土體大多為非均等固結(jié)，如自由場(chǎng)地中固結(jié)比一般為1．4～2．7，而結(jié)構(gòu)下和土工構(gòu)筑物中固結(jié)比可能達(dá)到3［9］。

文獻(xiàn) ［10－12］曾對(duì)非均等固結(jié)下固結(jié)比對(duì)砂土和原狀黏土最大動(dòng)剪切模量的影響進(jìn)行了研究，提出了非均等固結(jié)下土最大動(dòng)剪切模量的增長(zhǎng)模式并給出了建議公式，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均等固結(jié)結(jié)果，考慮實(shí)際固結(jié)比條件下土的最大動(dòng)剪切模量會(huì)有很大的增加，增量最大可達(dá)到185%。因此，以往研究中沒有很好地考慮實(shí)際固結(jié)比的作用，也應(yīng)該是造成現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)定最大動(dòng)剪切模量之間顯著差異的重要原因之一。

4 結(jié) 論

1）3個(gè)場(chǎng)地的結(jié)果均表明，現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)共振柱試驗(yàn)法測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量確實(shí)有明顯差異。

2）現(xiàn)場(chǎng)波速法測(cè)得的最大動(dòng)剪切模量要比室內(nèi)試驗(yàn)法大，增大約7%～192%，最大相差約2倍。

3）從總的趨勢(shì)來看，增大的程度和土層埋深也有一定的關(guān)系，隨著土層埋深越大，鉆孔波速逐漸增加，而現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果差值也有所增加。

4）以往研究中沒有很好地考慮實(shí)際固結(jié)比的作用，也應(yīng)該是造成現(xiàn)場(chǎng)波速法和室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)定最大動(dòng)剪切模量之間顯著差異的重要原因之一。

［1］劉德東，劉紅帥．西安市閻良區(qū)地震小區(qū)劃工作報(bào)告［R］．哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2007．

［2］袁曉銘．杭州灣大橋初勘報(bào)告 ［R］．哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2005．

［3］袁曉銘，孫 靜．晨報(bào)華源大廈工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià) ［R］．哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2002．

［4］俞培基，郭錫榮．現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)測(cè)定黏性土的動(dòng)剪模量［C］／／全國(guó)土工建筑物及地基抗震學(xué)術(shù)討論會(huì)論文匯編，1986．

［5］蔣壽田，王幸辛．鄭州地區(qū)地基原狀土動(dòng)模量和阻尼比 ［C］／／第三屆全國(guó)土動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，1990：151－155．

［6］Pitilakis K．D．，Anastassiadis A．，Rapatakis D．Field and laboratory determination of dynamic properties of natural soil deposits ［C］／／10th WCEE．Balkema，Rotterdam．1992：1 275－1 280．

［7］張 立，王建華，程國(guó)勇．土樣現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)剪切波速的試驗(yàn)研究 ［J］．勘察科學(xué)技術(shù)，2003，（5）：15－19．

［8］王建華，程國(guó)勇，張 立．取樣擾動(dòng)引起土層剪切波速變化的試驗(yàn)研究 ［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（15）：2 604－2 609．

［9］孫 靜，袁曉銘，陶夏新．室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最大動(dòng)剪切模量差別的試驗(yàn)研究 ［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（S1）：258－262．

［10］Jing Sun and Xiaoming Yuan．The effect of the consolidation ratio of sands on dynamic shear modulus and response spectrum of soil layer［J］．Geotechnical Special Publication，ASCE．2006，n （150）：437－443．

［11］袁曉銘，孫 靜．非均等固結(jié)下砂土最大動(dòng)剪切模量的增長(zhǎng)模式及Hardin公式的修正 ［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27 （3）：264－269．

［12］孫 靜，袁曉銘．固結(jié)比對(duì)黏性土動(dòng)剪切模量影響的研究 ［J］．巖土力學(xué)，2010，31 （5）：1 457－1 462．