地震荷载下天津滨海吹填土震陷试验研究

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  摘 要:通过对天津滨海吹填土的室内动三轴循环试验,研究了地震荷载下吹填软土动应变的发展趋势,分析了动应力比、围压、频率、静偏应力等因素对动应变的影响。研究显示,天津滨海吹填土的临界动应力比在0.17左右,对应的地震峰值加速度为0.13g,可作为地震震陷初判的条件;随振动频率减小,动应变明显增大,随着静偏应力的增加,残余应变的积累速度明显加快,这表明低频地震动更易对吹填软土造成破坏,而静偏应力的存在将诱发土体结构的破坏,进一步降低土的强度。
  关键词:地震荷载 震陷 动三轴试验 残余应变
  中圖分类号:TU435 文献标识码:A 文章编号: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
  围海造陆是城市开发获取土地资源的重要措施,“天津滨海新区”被纳入国家总体战略后,加大了通过围海吹填造陆获取土地资源的力度,2010年累计填海面积312.78km2,到2020年,滨海新区的总填海面积为425.94km2。天津滨海吹填造陆的吹填物质有别于我国其它沿海地区吹填土,具有压缩性强、含水量大、颗粒细、灵敏度高、强度低等特性,属于典型的软土,在地震作用下易发生地基失效,从而对工程建构筑物产生十分不利的影响[1]。国内外的震害情况表明吹填造陆场地较其他软土场地地震灾害更为严重,天津滨海吹填场地主要的地震破坏类型为软土震陷[2]。
  目前对于吹填土的研究主要在吹填技术及地基加固等方面,对地震灾害理论研究较少,存在理论落后于实际的现状。地震荷载振动复杂,缺乏规律性,幅值大,频率范围比较广,历时短,变化大,关于吹填软土地基在地震荷载作用下力学性状的研究成果相对较少。如何能准确地模拟地震荷载作用、研究吹填土在地震荷载下的震陷特性、评价地震作用下产生的震陷破坏等,对于解决设计滨海新区开发建设中抗震设防问题,提高综合防灾能力,科学合理利用土地资源,具有重要的实际工程意义。
  影响吹填土震陷的因素有很多,主要有振动频率、围压、动应力幅值、静偏应力、循环振次及土体本身的力学性质等。基于以上因素的考虑,本文开展饱和吹填土在地震荷载下的震陷特性研究,探讨分析吹填土在不同影响因素下的残余应变的变化情况,为吹填场地震陷判别提供理论依据。
  1 吹填土震陷特性试验
  试验采用美国GCTS公司生产的空心圆柱扭剪仪,仪器采用先进的伺服加载系统实现力和位移的静态和动态加载。轴向加载可达到50kN,围压可达到2MPa,反压可达到2MPa,轴向位移最大至100mm,径向位移最大至75mm,频率最大为20Hz。
  试样取自天津滨海旅游区、南港工业区和临港工业区3个场地,取土深度在1~5m之间,其物理力学参数如表1所示。
  震陷(残余应变)的定义是指动荷载卸除土体产生的不可恢复的变形量,在动三轴试验中则表现为动应力作用前后试件的高度差与动应力作用前试件高度之比,亦即应把动应力卸除后土试件的不可恢复应变,定义为残余应变[3]。本试验近似取时对应的应变作为残余应变εd。
  为准确反映现场的实际条件,需要对包括土性条件、初始受力条件、实际振动荷载、排水条件等方面进行模拟。据取土深度和滨海地区吹填土在静力作用下的屈服强度,确定采用固结压力分别为50kPa、75kPa、100kPa。本试验中按照Seed提出的转化方法[4],即将实际地震应力峰值的0.65倍作为等幅应力幅值,等幅荷载的循环次数依地震烈度大小而定。由基本地震加速度值进行换算为相对应的动应力幅值σd1、σd2、σd3。动荷载采用正弦波模拟,动应力比用Rf(Rf=σd/2σ3)表示[5],取值范围为0.1~0.37。3个场地的卓越周期在1s左右,动荷载加载频率设定为1Hz;地震荷载频率分布范围广以及地震荷载的脉冲效应,试验考虑了频率及静偏应力对残余应变的影响,振动频率选取0.5Hz、1Hz、2Hz和5Hz模拟不同频率的地震荷载,涵盖了天津地区的地震波卓越频段。静偏应力取6Hz和12Hz考虑地震荷载的脉冲效应。   在地震荷载下饱和软粘土几乎不排水,因此试验采用固结不排水剪切试验模拟。具体试验方案如表2所示。
  2 试验结果及分析
  2.1 动应力比的影响
  土体的残余变形发展模式随动应力比不同而存在很大的差异,但在相同的固结条件和围压的作用下,存在一个临界动应力比[6]。对于不同土体以及相同土体不同的受力环境来讲,临界动应力比并非一个定值。在试验过程中,改变施加在土样上的动荷载,并结合动应变随振次变化的曲线,给出临界动应力比的取值范围。当动应力比小于临界动应力比时,土体产生一定的塑性变形之后趋于稳定,变形量随着振次的增加基本不变,属于稳定型发展;当动应力比大于临界循环应力比时,土体变形发展为破坏型,在振次较小下变形增长迅速。
  图1为相同有效围压下固结,不同动应力水平作用下残余应变εd与循环振次的关系曲线。其中图1(a)~图1(c)为滨海旅游区土样试验曲线;图1(d)~图1(f)为临港工业区土样试验曲线;图1(g)~图1(i)为南港工业区土样试验曲线。图1表现出来的规律性基本一致,土样的残余应变都是随着振动次数的增加而逐渐增大;在相同的振次下,动应力越大,土样所发生的残余应变就越大。当循环应力水平较低时,在循环振动的初期应变增长比较快,但是当振动次数达到一定数值后,累积的残余应变就缓慢增长。当循环动应力比超过临界循环应力比,残余应变增长的很快,土样在较小的循环振次下就达到了破坏。由试验结果得出天津滨海吹填土的临界循环应力比在0.17左右。
  在实际工程中,可通过临界循环应力比初步估计可能产生震陷的最小地震加速度峰值。依据公式(1)[4]:
  (1)
  当临界循环应力比为0.17时,αmax约为0.13g。可认为当地震峰值加速度小于0.13g时可不考虑震陷影响。
  2.2 围压的影响
  图2为相同动应力比,不同有效围压下固结土样的动应变εd与循环振动次数N之间的关系曲线。从图2中可以看出,这3个曲线表现出来的规律性都与不同循环应力比下的曲线相似,动应变都随着振动次数的增加而逐渐增大。围压的作用会引起软土结构的变化,抑制土裂隙的增长,进而会影响土的强度。随着围压的逐渐增大,这种作用表现得越强烈,然而土的動应变发展得却是越来越快,这是因为循环应力比是所受动荷载与2倍围压的比值,由于土体所承受动荷载的增幅小于2倍围压的增幅,所以才有这种随着围压增大,土体越容易破坏的错觉。实际土体在受到动荷载时表现为随着围压增大,土体所能承受的动荷载增大,即受到相同的动荷载,土体围压愈大动变形越小。
  2.3 频率的影响
  为研究振动频率对原状土动力特性的影响,做了一组不同频率下土体的动力试验。土样饱和后在50kPa有效围压下固结,试验中的动应力比一定,振动频率分别为0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz,涵盖了天津地区的地震波卓越频段。
  图3表明,随着循环次数的增加,动应变随之增加,且在相同的循环荷载作用次数下,随着频率的增加,残余变形逐渐减小。当频率为0.2Hz时,应变曲线表现为破坏型,应变增长很快,在很小的振次下就会破坏。当频率大于0.5Hz时,土体应变曲线表现为发展型,即初始阶段应变增长较快,之后出现转折点,应变继续增加,但是增加的幅度变缓。当振动频率为5Hz时,应变曲线振动初期,土样在较小循环振次下,变形增长比较快,但是很快就趋于稳定的趋势。这说明频率越小,土样变形增大越快。出现这种情况的原因主要是振动频率越小,动孔隙水压力有足够的时间上升,导致土体的不排水抗剪强度降低,同时随着孔压的上升饱和软粘土在地震荷载作用下会产生应变软化效应,从而导致土样在较少的循环次数下就发生破坏。
  由此可以推断,当天津滨海吹填场地遭遇地震时,低频地震波比高频地震波更易造成震陷破坏。天津滨海软土场地的地震波谱型较宽,峰值点多,特征周期长,宁河6.9级地震天津医院强震数据分析表明反应谱的优势周期也在1s左右,对应的地震波频率为1Hz[7]。在图3中1Hz的曲线在比较高的位置,动应变随着振动次数的增加上升较快。天津滨海地区特有的地震频谱特征决定了在地震产生的震陷影响较大。
  2.4 静偏应力的影响
  地震荷载本身的特殊性与不规律性,常常将不规则的地震荷载等效成对称的循环荷载施加在试验土样上。为了探究地震荷载的不规则性对土体的残余应变的影响,在土体固结完成后施加预设的静偏应力,然后再施加动应力,进行动三轴试验。
  图4是一定循环应力比下不同静偏应力作用下试样的曲线,由图可知,在静偏应力作用下吹填土的累积应变的发展速率比静偏应力为零时快。在其他相同条件下,随着静偏应力的增加,累积应变逐渐增大,变化速率也加快,而且累积应变达到应变稳定的时间变长。这表明地震荷载的不规则性促使了残余应变加速累积。等效方法有待改进,应考虑相应的不均匀系数。静偏应力的增加会引起更大的累积应变,会诱发土体的结构破坏,从而降低土的强度。
  3 结语
  通过天津滨海吹填土动力特性试验研究,分别探讨了动应力比、振动频率、静偏应力对原状土动应变的影响,得到的结论如下。
  (1)在相同固结条件和围压作用下,存在一个临界循环应力比。动应力小于临界动应力比时,天津吹填土动变形属于稳定型发展,不发生脆性破坏,当大于临界循环应力比时,动变形属于破坏型,变形在较小的振次下急剧增加。天津滨海吹填土的临界循环应力比在0.17左右,所以,在实际工程中,如果循环应力比小于临界循环应力比时,即地震地表加速度小于0.13g时,可以认为地基是偏安全的。
  (2)振动频率对于饱和原状土的动变形发展影响较大,相同的振次下,随着频率的增大,动应变不断减小;当频率小于0.2Hz时,应变曲线表现为破坏型;当频率大于0.5Hz时,土体应变曲线表现为发展型;当振动频率为5Hz时,应变曲线振动初期,土样在较小循环振次下变形增长比较快,但是很快就趋于稳定。天津滨海软土场地的地震波谱型较宽,峰值点多,特征周期长,优势周期也在1s左右,1Hz的曲线在比较高的位置,动应变随着振动次数的增加上升较快。天津滨海地区特有的地震频谱特征决定了有遭受较大震陷的可能。
  (3)动应力相同时,静偏应力大小对土体的变形影响较大。静偏应力加速了残余应变的累积,建议将地震荷载进行等效转化时,考虑地震荷载的脉冲效应的影响,采用一定的不均匀系数。
  参考文献
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