渤海土類動力非線性參數(shù)及合理性

蘭景巖，劉紅帥，呂悅軍

(1.中國地震局 地殼應(yīng)力研究所，北京 100085;2.中國地震局 工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

自1968年Idriss等［1］提出等效線性化土層地震反應(yīng)分析方法以來，該方法已成為場地土層地震反應(yīng)分析的最實用方法，土的動剪切模量比和阻尼比是該方法必不可少的參數(shù).因此研究渤海海域土體動剪切模量比和阻尼比參數(shù)具有重要的理論價值和工程意義.

國內(nèi)外許多學(xué)者對土的動剪切模量比和阻尼比進行了大量的試驗研究，總結(jié)了一些可供實際工程選用的成果.國外學(xué)者Seed在1969年給出的砂土和粘性土的動剪切模量比和阻尼比曲線最具代表性［2］，結(jié)合土層地震反應(yīng)分析，與實際得到的地表加速度記錄進行對比，結(jié)果吻合良好，在國外獲取了廣泛的應(yīng)用［1］;國內(nèi)學(xué)者石兆吉1989年首次給出全國范圍內(nèi)常規(guī)土類的動剪切模量比和阻尼比的建議值［3］，并納入到中國地震局行業(yè)規(guī)范［4］;袁曉銘等［5］2001年給出了全國范圍內(nèi)常規(guī)土類的動剪切模量比和阻尼比的推薦值，其統(tǒng)計樣本分布較廣泛，覆蓋范圍更大，數(shù)量較豐富，有更強的代表性，初步考慮了圍壓的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明其成果相對石兆吉的經(jīng)驗值更符合實際［6］.上述成果均未考慮地區(qū)差異.

由于土的沉積環(huán)境、形成年代不同，因而土的動力特性具有較強的區(qū)域性，已被國內(nèi)一些研究學(xué)者所證實并給出了區(qū)域性的研究成果［7］，與前述陸地的成果相比，海域內(nèi)的土動力非線性參數(shù)統(tǒng)計成果較少.呂悅軍等［8］2003年根據(jù)3個渤海石油平臺地震安評的資料，依據(jù)58個土動力學(xué)試驗參數(shù)，給出了渤海海域內(nèi)常見土類的動剪切模量比和阻尼比推薦值，指出與陸地成果有明顯的不同.近30年來，隨著渤海海上石油平臺的迅猛發(fā)展，海域土類的動力學(xué)試驗資料得到了進一步的積累，利用已收集到的大量土的動力學(xué)試驗資料，統(tǒng)計給出了渤海海域土體的動剪切模量比和阻尼比的平均值，結(jié)合土層地震反應(yīng)，對比分析了已有成果的區(qū)別，并論證了所給平均值的合理性.

1 土體動力學(xué)參數(shù)測試方法

本文所有的土樣動力學(xué)參數(shù)測試均采用HX-100控制振動三軸試驗裝置進行測定動剪模量、阻尼比的應(yīng)力控制振動三軸試驗.試驗方法依照《土工試驗規(guī)程(SI237-032-1999)》和《海上平臺場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB17503-1998)》.試驗流程如下:

1)將制備好的原狀土樣套上橡皮膜后安裝在三軸壓力室內(nèi).試驗所用的土樣尺寸為:直徑3.91 cm、高8.0 cm.

2)依據(jù)土樣所代表土層的上覆有效壓力，確定試驗土樣施加的等向固結(jié)壓力.給土樣施加等向固結(jié)壓力，并使土樣排水固結(jié).

3)土樣固結(jié)后，在不排水條件下，采用逐級增加循環(huán)應(yīng)力的方法沿土樣軸向施加振動荷載.振動過程中，測量土樣軸向振動應(yīng)變與超孔隙水壓力.振動應(yīng)力的頻率為1.0 Hz.

4)依據(jù)試驗結(jié)果，按照式(1)與式(2)分別確定不同振動應(yīng)變下的土樣動壓縮模量E、阻尼比λ.進而按式(3)與式(4)確定振動剪應(yīng)變γ與相應(yīng)的動剪切模量G.

式中:σd為動應(yīng)力，εd為動應(yīng)變，A1為試驗測得的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線圍成的面積，a2=0.5σdεd，μ為泊松比.

利用國內(nèi)外已有的試驗方法，采用逐級增加循環(huán)應(yīng)力的方法沿土樣軸向施加振動荷載，測定土類的動剪切模量G和阻尼比λ隨剪應(yīng)變γ的變化;采用折線曲線擬合動剪切模量比G/Gmax、阻尼比λ隨剪應(yīng)變的變化關(guān)系.具體過程見文獻［9］.

2 數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計結(jié)果

自2000年，中國地震局地殼應(yīng)力研究所在渤海海域先后完成了渤南、蓬萊、曹妃店、歧口、南堡、秦皇島、渤中、旅大、錦州等油田近40個石油平臺場址地震安評工作，積累了相關(guān)場地372組不同埋深、不同巖性的土動力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果，采用折線曲線擬合動剪切模量比G/Gmax、阻尼比λ隨動剪應(yīng)變γ的變化關(guān)系，給出了各組土樣的動剪切模量比和阻尼比的推薦值.

考慮到統(tǒng)計的可行性，按照巖性、成因、物理力學(xué)性質(zhì)等因素，將渤海海域第四紀地層大體分為粉質(zhì)粘土、粉砂質(zhì)細砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)細砂、粉土(粘質(zhì)粉砂)6類.其中粉質(zhì)粘土163組、粉砂質(zhì)細砂92組、粉砂43組、砂質(zhì)粉砂61組、淤泥質(zhì)細砂26組、粉土(粘質(zhì)粉砂)25組.每類土埋深均分布于0～120 m.

遵循上述分類原則，考慮圍壓的影響(即埋深的影響)，采用統(tǒng)計學(xué)的方法得到了海域海域粉質(zhì)粘土、粉砂質(zhì)細砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)細砂、粉土(粘質(zhì)粉砂)6類的動剪切模量比和阻尼比的平均值.動剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計結(jié)果見表1.

表1 渤海海域土類動力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計平均值Table 1 Statistical dynamic parameters of soil in Bohai sea

3 統(tǒng)計值的合理性分析

為了評價作者所給出的統(tǒng)計平均值的合理性，本文選取2個典型場地鉆孔資料，采用中國地震局推薦使用的一維土層地震反應(yīng)分析方法及程序［10］，對比分析了鉆孔實測的動剪切模量比和阻尼比(以下簡稱“實測值”)、DB001-94規(guī)范所給出的動剪切模量比和阻尼比(以下簡稱“規(guī)范值”)、袁曉銘給出的動剪切模量比和阻尼比(以下簡稱為“推薦值”)和本文所給出的統(tǒng)計平均值(以下簡稱為“統(tǒng)計值”)對場地峰值加速度和反應(yīng)譜特征周期的影響，以實測值的計算結(jié)果為基準評價其他3種取值的合理性.

3.1 場地地震反應(yīng)分析模型及地震動輸入

3.1.1 場地地震反應(yīng)分析模型

表2 BZ29-4-WHPA平臺場址鉆孔各土層剪切波速建議值Table 2 Suggestion on shear wave velocity of the site BZ29-4

表3 LD32-2-WHPB平臺場址鉆孔各土層剪切波速建議值Table 3 Suggestion on shear wave velocity of the site LD32-2

本文選取2個渤海石油平臺BZ29-4、LD32-2的實際鉆孔資料，前者位于渤海渤中海盆地帶，地震活動較頻繁，地震基本烈度為Ⅷ度，后者位于萊州灣，地震活動水平較低，地震基本烈度為Ⅶ度.通過海上鉆探和內(nèi)測試工作，本文從2個海洋平臺各選取一個深度達120 m的鉆孔剪切波速資料和30組振動三軸數(shù)據(jù)，計算中采用實際鉆孔的土層剖面，土層動力計算模型見表2、表3.需要說明的是，限于海上原位測試存在的困難，測試鉆孔剪切波速采用對原狀土進行試驗室分析，試驗方法及數(shù)據(jù)見文獻［9］.

3.1.2 基巖地震動輸入

基巖輸入加速度時程采用人工合成地震動的方法，參考我國《海上平臺場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB17503-1998)》給出三級設(shè)防概率水準，即50年超越概率63%、10%和2%，人工合成能夠反映BZ29-4、LD32-2工程場地的區(qū)域地震環(huán)境和地質(zhì)背景的地震動輸入，分別對應(yīng)“小震”、“中震”和“大震”.考慮到地震波的隨機性，每個概率水準下合成3條地震波，分別對應(yīng)于3種不同的隨機相角.限于篇幅，文中僅列出50年超越概率10%的基巖加速度時程曲線，如圖1所示.

圖1 水平基巖加速度時程曲線(50年10%)Fig.1 Site bedrock horizontal acceleration time history(50 a 10%)

時程步長為0.02 s.人工合成地震動過程中選擇60個周期作為擬合目標譜的控制點，控制點的周期在0.04～6 s按對數(shù)等間距分布，目標譜與合成時程的反應(yīng)譜之間相對誤差小于5%.表4給出了3組概率水準下的基巖水平向峰值加速度，不同概率水準下的目標譜擬合對比，如圖2所示.

表4 平臺場址基巖水平峰值加速度Table 4 Peak acceleration on bedrock for platform

圖2 不同概率水準的目標譜擬合曲線Fig.2 The response spectrumof ob jects and fitting spectrumfor different recurrence intervals

3.2 土層地震反應(yīng)分析結(jié)果及合理性分析

土層地震反應(yīng)分析方法采用一維波動理論等效線性化方法，土層厚度、密度和剪切波速均為實測值，而土體動力學(xué)參數(shù)分別選取“規(guī)范值”、“推薦值”、“實測值”和“統(tǒng)計值”，分別計算了在3種不同概率水準下的海底泥面峰值加速度和反應(yīng)譜.

這里僅將峰值加速度、峰值速度以及反應(yīng)譜特征周期作為對比地震動參數(shù).確定方法如下:

1)峰值加速度Amax和峰值速度Vmax為同一概率水準3個隨機相位地震動輸入下的平均值;

2)特征周期Tg(也即第二拐點周期，第一拐點周期值為0.1 s)，采用雙參數(shù)標定法［11］按下式給出，式中Vmax為峰值速度.同樣，為同一概率水準3個隨機相位地震動輸入下的平均值.特征周期Tg為

上述計算結(jié)果均列于表5.為了便于比較所給出的統(tǒng)計平均值與規(guī)范值、推薦值對場地地震動參數(shù)的影響，以實測值的計算結(jié)果為基準，計算給出了規(guī)范值、推薦值和統(tǒng)計值計算結(jié)果的相對誤差(絕對值表示)，所得到的結(jié)果列于表6.將不同概率水準地震動輸入下，采用不同的土動力學(xué)參數(shù)所得到2個渤海平臺場地(BZ29-4、LD32-2)海底泥面的平均反應(yīng)譜曲線進行了對比分析，如圖3所示.

分析表5和表6可知:1)采用規(guī)范值和推薦值的峰值加速度和峰值速度均小于實測值的結(jié)果，而統(tǒng)計值與實測值的計算結(jié)果最接近;2)隨著輸入地震動峰值的增大，規(guī)范值、推薦值和統(tǒng)計值的峰值加速度的誤差均有不斷增大的趨勢，峰值速度無明顯規(guī)律，特征周期的誤差僅規(guī)范值的有不斷增大的趨勢.此外，規(guī)范值的峰值加速度誤差最大為65%，推薦值的最大為50%，統(tǒng)計值的最大為10%.總體而言，規(guī)范值的峰值速度、特征周期誤差均大于推薦值和統(tǒng)計值的，而統(tǒng)計值的誤差相對最小，除了BZ29-4場地50年超越概率63%的峰值速度誤差為17%，與規(guī)范值、推薦值相當，其他情況均小于9%.

從圖3可以看出:在小震作用下，4種土動力學(xué)參數(shù)的反應(yīng)譜基本一致，這可能是因為在小震情況下土體基本處于彈性階段;在中震作用下，統(tǒng)計值和實測值的反應(yīng)譜基本一致，推薦值的反應(yīng)譜在LD32-2場地與實測值也基本一致，但在BZ29-4中短周期段明顯低于實測值的，而規(guī)范值的要明顯低于實測值的;在大震作用下，反應(yīng)譜的規(guī)律基本與中震相同，只是反應(yīng)譜的差異程度明顯增大.這也說明了地震動輸入強度決定了土的非線性程度，土的非線性程度越高，不同土動力學(xué)參數(shù)的反應(yīng)譜差別越顯著.

綜上所述，與規(guī)范值相比，袁曉銘的推薦值的可靠性有了顯著的提高，但應(yīng)用于某些具體場地仍存在較大的風(fēng)險.本文統(tǒng)計值的統(tǒng)計資料均來自于渤海海域，而推薦值的統(tǒng)計資料來源于陸地不同地區(qū)，造成兩者之間的計算結(jié)果的差異主要有三方面的原因:1)陸地與海域場地土的動力特性的差異;2)場地土動力特性的區(qū)域性差異(成因類型不同);3)圍壓的影響.上述數(shù)值模擬結(jié)果表明，本文的統(tǒng)計值與規(guī)范值、推薦值相比，更能代表渤海海域場地土的動力特性，同時避免了規(guī)范值和推薦值的反應(yīng)譜的“矮、胖”現(xiàn)象，與實測值相比，地震反應(yīng)分析結(jié)果基本一致，計算結(jié)果真實合理.需要指出的是，本文的統(tǒng)計值在不同的場地計算誤差仍有顯著的差異，為了安全起見，重大工程場地地震安全性必須進行詳細的土動力學(xué)參數(shù)測試.與規(guī)范值、推薦值相比，本文的統(tǒng)計值無疑是渤海海域地震安評工作中彌補取樣的不足所帶來的數(shù)據(jù)缺乏的理想選擇.

表5 不同土動力學(xué)參數(shù)條件下的地震動參數(shù)Table 5 Design ground motion parameters under different soil dynamics conditions

表6 3種土動力學(xué)參數(shù)的結(jié)算結(jié)果誤差Table 6 Deviation of results between three kinds of soil dynamics parameters and observed values %

圖3 不同概率水準下海底泥面的平均反應(yīng)譜曲線Fig.3 The average spectrumcurve for seabed mud with different probability levels

4 結(jié)論

本文利用渤海海域6種典型土類共372個原狀土樣的動三軸試驗結(jié)果，統(tǒng)計分析了各種渤海海域典型常規(guī)土的動力性能，最終給出了渤海海域典型場地土的動剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計值，以2個典型場地為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法論證了統(tǒng)計值的合理性.根據(jù)上述統(tǒng)計分析，可得到如下結(jié)論:

1)給出了渤海海域粉質(zhì)粘土、粉砂質(zhì)細砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)細砂、粉土(粘質(zhì)粉砂)的動剪切模量比和阻尼比的統(tǒng)計平均值，與國內(nèi)同類成果相比，較合理地考慮了埋深的影響(圍壓的影響).

2)以實測值為基礎(chǔ)，本文的統(tǒng)計平均值從峰值加速度、峰值速度、特征周期和反應(yīng)譜的計算結(jié)果可靠合理，而規(guī)范值和推薦值的計算結(jié)果在中震和大震情況下誤差超過10%，不容忽略.

3)在實測數(shù)據(jù)缺乏的情況下，渤海海域土的動力學(xué)參數(shù)應(yīng)采用本文的統(tǒng)計平均值，而不是DB001-94《工程場地地震安全性評價工作規(guī)范》的規(guī)范值和袁曉銘的推薦值，因為本文的統(tǒng)計結(jié)果更具有針對性和代表性.

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