地震荷載下天津濱海吹填土震陷試驗研究

劉芳++呂麗君++高武平++付占嶺

摘 要：通過對天津濱海吹填土的室內動三軸循環試驗，研究了地震荷載下吹填軟土動應變的發展趨勢，分析了動應力比、圍壓、頻率、靜偏應力等因素對動應變的影響。研究顯示，天津濱海吹填土的臨界動應力比在0.17左右，對應的地震峰值加速度為0.13g，可作為地震震陷初判的條件；隨振動頻率減小，動應變明顯增大，隨著靜偏應力的增加，殘余應變的積累速度明顯加快，這表明低頻地震動更易對吹填軟土造成破壞，而靜偏應力的存在將誘發土體結構的破壞，進一步降低土的強度。

關鍵詞：地震荷載 震陷 動三軸試驗 殘余應變

中圖分類號：TU435 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0036-04

Abstract：The characteristic trend of soft soil dynamic strain under seismic load were researched by dynamic triaxial test of dredger fill in Tianjin. The influence of dynamic stress ratio， confining pressure， frequency and static deviator stress to dynamic strain were analyzed in the research. The results show that the critical dynamic stress ratio of dredger fill in Tianjin is about 0.17， the corresponding peak acceleration is 0.13g， which can be used as conditions for the preliminary identification of seismic settlement. The dynamic strain is evidently increased with the shake frequency decreased and the residual strain will accumulate sharply with the increase of static stress. Therefore， this indicates the hydraulic fill in Tianjin would lose load capacity more easily when the seismic ground motion contain more lower-frequency components and the static deviator stress will induce the break of soil structure which will further reduce the capacity of soil.

Key Words：Seismic Load；Seismic settlement；Dynamic triaxial test；Residual strain

圍海造陸是城市開發獲取土地資源的重要措施，“天津濱海新區”被納入國家總體戰略后，加大了通過圍海吹填造陸獲取土地資源的力度，2010年累計填海面積312.78km2，到2020年，濱海新區的總填海面積為425.94km2。天津濱海吹填造陸的吹填物質有別于我國其它沿海地區吹填土，具有壓縮性強、含水量大、顆粒細、靈敏度高、強度低等特性，屬于典型的軟土，在地震作用下易發生地基失效，從而對工程建構筑物產生十分不利的影響[1]。國內外的震害情況表明吹填造陸場地較其他軟土場地地震災害更為嚴重，天津濱海吹填場地主要的地震破壞類型為軟土震陷[2]。

目前對于吹填土的研究主要在吹填技術及地基加固等方面，對地震災害理論研究較少，存在理論落后于實際的現狀。地震荷載振動復雜，缺乏規律性，幅值大，頻率范圍比較廣，歷時短，變化大，關于吹填軟土地基在地震荷載作用下力學性狀的研究成果相對較少。如何能準確地模擬地震荷載作用、研究吹填土在地震荷載下的震陷特性、評價地震作用下產生的震陷破壞等，對于解決設計濱海新區開發建設中抗震設防問題，提高綜合防災能力，科學合理利用土地資源，具有重要的實際工程意義。

影響吹填土震陷的因素有很多，主要有振動頻率、圍壓、動應力幅值、靜偏應力、循環振次及土體本身的力學性質等。基于以上因素的考慮，本文開展飽和吹填土在地震荷載下的震陷特性研究，探討分析吹填土在不同影響因素下的殘余應變的變化情況，為吹填場地震陷判別提供理論依據。

1 吹填土震陷特性試驗

試驗采用美國GCTS公司生產的空心圓柱扭剪儀，儀器采用先進的伺服加載系統實現力和位移的靜態和動態加載。軸向加載可達到50kN，圍壓可達到2MPa，反壓可達到2MPa，軸向位移最大至100mm，徑向位移最大至75mm，頻率最大為20Hz。

試樣取自天津濱海旅游區、南港工業區和臨港工業區3個場地，取土深度在1～5m之間，其物理力學參數如表1所示。

震陷（殘余應變）的定義是指動荷載卸除土體產生的不可恢復的變形量，在動三軸試驗中則表現為動應力作用前后試件的高度差與動應力作用前試件高度之比，亦即應把動應力卸除后土試件的不可恢復應變，定義為殘余應變[3]。本試驗近似取時對應的應變作為殘余應變εd。

為準確反映現場的實際條件，需要對包括土性條件、初始受力條件、實際振動荷載、排水條件等方面進行模擬。據取土深度和濱海地區吹填土在靜力作用下的屈服強度，確定采用固結壓力分別為50kPa、75kPa、100kPa。本試驗中按照Seed提出的轉化方法[4]，即將實際地震應力峰值的0.65倍作為等幅應力幅值，等幅荷載的循環次數依地震烈度大小而定。由基本地震加速度值進行換算為相對應的動應力幅值σd1、σd2、σd3。動荷載采用正弦波模擬，動應力比用Rf（Rf=σd/2σ3）表示[5]，取值范圍為0.1～0.37。3個場地的卓越周期在1s左右，動荷載加載頻率設定為1Hz；地震荷載頻率分布范圍廣以及地震荷載的脈沖效應，試驗考慮了頻率及靜偏應力對殘余應變的影響，振動頻率選取0.5Hz、1Hz、2Hz和5Hz模擬不同頻率的地震荷載，涵蓋了天津地區的地震波卓越頻段。靜偏應力取6Hz和12Hz考慮地震荷載的脈沖效應。endprint

在地震荷載下飽和軟粘土幾乎不排水，因此試驗采用固結不排水剪切試驗模擬。具體試驗方案如表2所示。

2 試驗結果及分析

2.1 動應力比的影響

土體的殘余變形發展模式隨動應力比不同而存在很大的差異，但在相同的固結條件和圍壓的作用下，存在一個臨界動應力比[6]。對于不同土體以及相同土體不同的受力環境來講，臨界動應力比并非一個定值。在試驗過程中，改變施加在土樣上的動荷載，并結合動應變隨振次變化的曲線，給出臨界動應力比的取值范圍。當動應力比小于臨界動應力比時，土體產生一定的塑性變形之后趨于穩定，變形量隨著振次的增加基本不變，屬于穩定型發展；當動應力比大于臨界循環應力比時，土體變形發展為破壞型，在振次較小下變形增長迅速。

圖1為相同有效圍壓下固結，不同動應力水平作用下殘余應變εd與循環振次的關系曲線。其中圖1（a）～圖1（c）為濱海旅游區土樣試驗曲線；圖1（d）～圖1（f）為臨港工業區土樣試驗曲線；圖1（g）～圖1（i）為南港工業區土樣試驗曲線。圖1表現出來的規律性基本一致，土樣的殘余應變都是隨著振動次數的增加而逐漸增大；在相同的振次下，動應力越大，土樣所發生的殘余應變就越大。當循環應力水平較低時，在循環振動的初期應變增長比較快，但是當振動次數達到一定數值后，累積的殘余應變就緩慢增長。當循環動應力比超過臨界循環應力比，殘余應變增長的很快，土樣在較小的循環振次下就達到了破壞。由試驗結果得出天津濱海吹填土的臨界循環應力比在0.17左右。

在實際工程中，可通過臨界循環應力比初步估計可能產生震陷的最小地震加速度峰值。依據公式（1）[4]：

（1）

當臨界循環應力比為0.17時，αmax約為0.13g。可認為當地震峰值加速度小于0.13g時可不考慮震陷影響。

2.2 圍壓的影響

圖2為相同動應力比，不同有效圍壓下固結土樣的動應變εd與循環振動次數N之間的關系曲線。從圖2中可以看出，這3個曲線表現出來的規律性都與不同循環應力比下的曲線相似，動應變都隨著振動次數的增加而逐漸增大。圍壓的作用會引起軟土結構的變化，抑制土裂隙的增長，進而會影響土的強度。隨著圍壓的逐漸增大，這種作用表現得越強烈，然而土的動應變發展得卻是越來越快，這是因為循環應力比是所受動荷載與2倍圍壓的比值，由于土體所承受動荷載的增幅小于2倍圍壓的增幅，所以才有這種隨著圍壓增大，土體越容易破壞的錯覺。實際土體在受到動荷載時表現為隨著圍壓增大，土體所能承受的動荷載增大，即受到相同的動荷載，土體圍壓愈大動變形越小。

2.3 頻率的影響

為研究振動頻率對原狀土動力特性的影響，做了一組不同頻率下土體的動力試驗。土樣飽和后在50kPa有效圍壓下固結，試驗中的動應力比一定，振動頻率分別為0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz，涵蓋了天津地區的地震波卓越頻段。

圖3表明，隨著循環次數的增加，動應變隨之增加，且在相同的循環荷載作用次數下，隨著頻率的增加，殘余變形逐漸減小。當頻率為0.2Hz時，應變曲線表現為破壞型，應變增長很快，在很小的振次下就會破壞。當頻率大于0.5Hz時，土體應變曲線表現為發展型，即初始階段應變增長較快，之后出現轉折點，應變繼續增加，但是增加的幅度變緩。當振動頻率為5Hz時，應變曲線振動初期，土樣在較小循環振次下，變形增長比較快，但是很快就趨于穩定的趨勢。這說明頻率越小，土樣變形增大越快。出現這種情況的原因主要是振動頻率越小，動孔隙水壓力有足夠的時間上升，導致土體的不排水抗剪強度降低，同時隨著孔壓的上升飽和軟粘土在地震荷載作用下會產生應變軟化效應，從而導致土樣在較少的循環次數下就發生破壞。

由此可以推斷，當天津濱海吹填場地遭遇地震時，低頻地震波比高頻地震波更易造成震陷破壞。天津濱海軟土場地的地震波譜型較寬，峰值點多，特征周期長，寧河6.9級地震天津醫院強震數據分析表明反應譜的優勢周期也在1s左右，對應的地震波頻率為1Hz[7]。在圖3中1Hz的曲線在比較高的位置，動應變隨著振動次數的增加上升較快。天津濱海地區特有的地震頻譜特征決定了在地震產生的震陷影響較大。

2.4 靜偏應力的影響

地震荷載本身的特殊性與不規律性，常常將不規則的地震荷載等效成對稱的循環荷載施加在試驗土樣上。為了探究地震荷載的不規則性對土體的殘余應變的影響，在土體固結完成后施加預設的靜偏應力，然后再施加動應力，進行動三軸試驗。

圖4是一定循環應力比下不同靜偏應力作用下試樣的曲線，由圖可知，在靜偏應力作用下吹填土的累積應變的發展速率比靜偏應力為零時快。在其他相同條件下，隨著靜偏應力的增加，累積應變逐漸增大，變化速率也加快，而且累積應變達到應變穩定的時間變長。這表明地震荷載的不規則性促使了殘余應變加速累積。等效方法有待改進，應考慮相應的不均勻系數。靜偏應力的增加會引起更大的累積應變，會誘發土體的結構破壞，從而降低土的強度。

3 結語

通過天津濱海吹填土動力特性試驗研究，分別探討了動應力比、振動頻率、靜偏應力對原狀土動應變的影響，得到的結論如下。

（1）在相同固結條件和圍壓作用下，存在一個臨界循環應力比。動應力小于臨界動應力比時，天津吹填土動變形屬于穩定型發展，不發生脆性破壞，當大于臨界循環應力比時，動變形屬于破壞型，變形在較小的振次下急劇增加。天津濱海吹填土的臨界循環應力比在0.17左右，所以，在實際工程中，如果循環應力比小于臨界循環應力比時，即地震地表加速度小于0.13g時，可以認為地基是偏安全的。

（2）振動頻率對于飽和原狀土的動變形發展影響較大，相同的振次下，隨著頻率的增大，動應變不斷減小；當頻率小于0.2Hz時，應變曲線表現為破壞型；當頻率大于0.5Hz時，土體應變曲線表現為發展型；當振動頻率為5Hz時，應變曲線振動初期，土樣在較小循環振次下變形增長比較快，但是很快就趨于穩定。天津濱海軟土場地的地震波譜型較寬，峰值點多，特征周期長，優勢周期也在1s左右，1Hz的曲線在比較高的位置，動應變隨著振動次數的增加上升較快。天津濱海地區特有的地震頻譜特征決定了有遭受較大震陷的可能。

（3）動應力相同時，靜偏應力大小對土體的變形影響較大。靜偏應力加速了殘余應變的累積，建議將地震荷載進行等效轉化時，考慮地震荷載的脈沖效應的影響，采用一定的不均勻系數。

參考文獻

[1] 杜冬菊，楊愛武，劉舉，等.天津濱海吹填土[M].北京：科學技術出版社，2010.

[2] 劉芳，陳宇坤，何穎，等.天津濱海吹填場地震陷評價方法及應用研究[J].災害學，2016，31（1）：45-49.

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[7] 李忠獻，陳宇坤，高武平，等.天津濱海新區軟土地基地震和交通荷載作用效應技術研究[Z].天津：天津市地震局，2011.endprint