考虑场地动应力条件的饱和海洋粉细砂液化特性.pdf
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1、第47 卷第2 期2023年6 月doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2023.02.016地质学刊Journal of GeologyVol.47 No.2Jun.2023考虑场地动应力条件的饱和海洋粉细砂液化特性石佳颖,郝雅萍(江苏省地质矿产局第一地质大队,江苏南京2 10 0 41)摘要:确保地震荷载作用下海床场地的动力稳定性是海洋工程全寿命周期安全运行的重要保证,然而对复杂海域环境下饱和粉细砂的液化特性研究尚属少见。基于海域场地动应力计算方法,确定各试验工况的场地循环应力比CSR,并对试样施加与之对应的不排水循环荷载。试验结果表明:可液化的海洋粉细砂在考虑其场地动
2、应力条件的循环荷载作用下出现不同的液化可能性;粉细砂呈循环破坏模式,将双幅轴向应变 5%作为循环破坏标准;海洋粉细砂的液化可能性与土体的埋深及动应力均不呈单一相关性,而是随着干密度的增大,液化振次逐渐增大,当干密度 1.7 2 g/cm时土体不再液化。该结果可为杭州湾区抗震区划及海洋工程结构抗震设计提供参考。关键词:海洋粉细砂;场地动应力;循环破坏;液化特性;杭州湾区中图分类号:P642.11*60 引 言近年来,我国沿海地区的港口近岸工程、跨海通道、海上平台等海洋工程的规划和建设逐渐步人高潮。我国整体位于亚欧地震带与环太平洋地震带的交会处,渤海、台湾海峡、南海、黄海和东海历史上均发生过地震(
3、陈国兴,2 0 0 7;彭艳菊等,2008)。杭州湾区位于历史强震和活动断层展布区域,海洋工程的抗震设计成为海洋工程建设规划中的难题。海洋土作为海床地震波的传波介质与海洋工程的持力层,其动力特性会直接影响海洋工程的地震安全性(Boulanger et al.,1998)。田成静等(2 0 18应用X射线衍射分析了南海北部陆架海域沉积物黏土的矿物组分,陶泽丹等(2 0 2 1)介绍了参量阵技术对深远海地层的探测效果,这些都为海洋土动力特性研究提供了基础资料。冯军等(2 0 0 5)通过室内试验和数值分析,研究了长江口软黏土在循环荷载作用下的循环软化现象;曹勇等(2 0 13)研究了方波、三角波和
4、正弦波对海积结构性软土循环特性和收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 3;修回日期:2 0 2 2-10-2 1;编辑:蒋艳,朱明君基金项目:中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目“地震复杂应力条件下饱和粗细粒混合料液化特征研究”(2 0 2 1D10)作者简介:石佳颖(19 9 1一),女,工程师,勘查技术与工程专业,主要从事土力学特性试验研究,E-mail:s h i j i a y i n g _7 8 9 s i n a.c o m文献标识码:A文章编号:16 7 4-36 36(2 0 2 3)0 2-0 2 2 5-0 6刚度软化的影响;王元战等(2 0 15)建立了一
5、种表示软土不排水强度在不同动应力水平下随循环荷载作用次数变化的强度弱化模型,分析结构的沉降变形;郭小青等(2 0 16)通过室内试验及现场原位试验,揭示了软土循环动模量比与循环次数之间的双对数线性关系,给出了珠江口海洋软土的循环弱化因子;张炜等(2 0 18)结合共振柱及循环三轴试验,分析了南海北部区域黏土的循环特性及动力学参数。上述研究有利于推进对海洋土动力特性的认识,为海洋岩土工程设计、施工及全寿命提供了科学依据。但是,现有研究多关注于海洋软土,对于可液化海洋土的液化特性还有待进一步研究。对杭州湾区可液化土开展基本物理指标及液化特性研究,根据场地条件建立场地动应力计算方法。对可液化海洋土进
6、行系列不排水循环三轴试验,探讨工程场地条件下的液化可能性,进一步了解杭州湾场地海洋土的基本液化特性,为该海域场地土层地震反应的分析研究提供补充参考,从工程抗震角度出发,为杭州湾区抗震区划及海洋工程结构抗震设计提供参考。2261循环三轴试验1.1试验设备不排水循环三轴试验采用GDSDYNTTS型动三轴仪,主要包括伺服主机系统、压力室、压力/体积控制器、数据采集和数字控制系统、计算机控制系统5个部分。DYNTTS 动三轴系统的围压和反压由标准的压力/体积控制器控制加载和测量,围压和反压最大达1MPa。D YNT T S的轴向力可由设备独立控制进行静态与动态加载,压力室底部由装有马达驱动的基座螺旋传
7、动控制轴向力和轴向变形,可施加频率为2Hz、最大10 kN的轴向动态荷载。轴向力传感器位于试样顶部,轴向位移传感器位于试样底部,在试样底部施加反压,在试样顶部测量试样的超孔隙水压力u。Table 1IBasic physical properties of marine silty fine sand in Jintang Channel深度试样编号/mS1-12.1S1-23.6S1-35.1S1-46.6S1-58.1S2-12.1S2-23.1S2-34.1S2-45.1S2-56.1S2-67.1S2-78.1S3-12.1S3-23.1S3-35.1S3-47.1S4-12.1S4-
8、23.6S4-35.1S4-46.6地质学刊1.2样品采取海洋土样品取自杭州湾区金塘海峡。选取钻孔S1、S2、S3和S4中的可液化粉细砂,共2 0 个试样。现场取样后当即封存,以免影响原状海洋土的高含水率初始状态。对土样进行基本物理指标测试(表1)。1.3试验方法与步骤采用干装法制备直径D=50mm、高H=100mm的重塑样。为使试样达到饱和状态,制样完成后,运用程序对土体进行分级加压(10 0、2 0 0、40 0 kPa)饱和,每一级加压完毕后进行B值的测定,以了解土体的饱和程度,待B值达0.9 5以上,表示反压饱和完成。对土样进行均等固结,固结围压根据埋深计算(表2),待土样平均应变率
9、5%(土体产生液化)时停止试验。表1金塘海峡海洋粉细砂的基本物理性质物理指标土类干密度湿密度含水率2.0/(g/cm3)/(g/cm)粉细砂1.43粉细砂1.92粉细砂1.84粉细砂1.79粉细砂2.01粉细砂1.93粉细砂1.73粉细砂1.52粉细砂1.72粉细砂1.84粉细砂1.70粉细砂1.69粉细砂1.82粉细砂1.36粉细砂1.42粉细砂1.90粉细砂1.67粉细砂1.90粉细砂1.45粉细砂1.732023年小于某粒径(mm)的质量分数/%1.00.5/%1.547.882.2416.502.2321.402.0916.892.3416.362.3320.701.9411.981.
10、648.212.1122.522.2220.622.1124.212.0722.262.2020.711.6118.401.6818.162.3322.841.9114.382.2417.731.6312.702.1423.560.251009510098100991009310010010098100991009910010010096100951009610091100891009310094100100100991001001001000.143235433502747336038672766256428602448245431573037193416361839206634613258
11、3364280.075105.61813151118131511105115941061061491287364411712915111481814第47 卷第2 期石佳颖等:考虑场地动应力条件的饱和海洋粉细砂液化特性227表2 场地动应力计算参数Table 2Calculation parameters of site cyclic stress ratio试样编号深度/mS1-12.1S1-23.6S1-35.1S1-46.6S1-58.1S2-12.1S2-23.1S2-34.1S2-45.1S2-56.1S2-67.1S2-78.1S3-12.1S3-23.1S3-35.1S3-47.
12、1S4-12.1S4-23.6S4-35.1S4-46.62液化强度试验结果分析2.1场地动应力计算CSR表示在给定土层深度由于地震运动而产生的循环剪应力与初始有效上覆压力的比值。在工程需要的浅层深度内,地震引起的土层最大水平剪应力Tmx与地表峰值加速度max成正比(以重力加速度g为单位),则Tmx=(a mx/g)0,o r a。式中:0,o为总初始上覆应力;r.为剪应力沿深度的折减系数(Se e d e t a l.,19 7 1),地表处取ra=1.0,地表以下随深度增加而减小。应力控制循环三轴试验中,T。为常数,但由于地震震动的随机特性,自由场地的T。为时间序列变量,因此Seed等(1
13、9 7 1)采用幅值T。=0.6 5T ma x、均匀循环N次的谐波来近似表征地震动时间序列。工程场地条件下的CSR7.5计算方法:T。0.65T mCSR.s=-=0.65g式(1)中,T。为地震引起的循环剪应力;。为计算深度的初始有效上覆压力,对处于海水内部的海洋土,0.o=,。Li a o 等(19 8 6)建议r,值按下式估算:土类粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂amax围压/kPa应力折减系数场地CSR210.984360.973510.961660.950810.938210.984310.97
14、6410.969510.961610.954710.946810.938210.984310.976510.961710.946210.984360.973510.961660.950ra=1-0.007 65z(深度z9.15 m)考虑到我国海域地震动参数尚处于空白状态,根据杭州湾区陆域地震动参数,mx取0.15g。对于均等固结条件的不排水循环三轴试验,最大剪切面发生在土单元的45面上,且轴向循环荷载作用下,该45面上的应力条件与经历地震动作用时现场土体水平面的应力条件相当。由于循环荷载作用下单元土的应力条件和剪切模式与地震动作用时现场土体的应力条件和剪切模式存在差异,当利用不排水循环三轴试
15、验获得的单元体液化强度(CSRLa b)进行现场液化判别时,需引人修正系数C,对 CSRLal,进行修正。Seed等(19 7 1)给出了 CSRz,s与CSRLab的关系:CSRLab=1.59CSR7.5将CSR7.s与CSRLab汇总于表2。其中,单幅动应力 g,=2CSRrab 0 0。2.2典型试验结果对于土循环破坏机理的认识:一种是以 Seed等(1)(19 7 1)为代表的观点,即从液化的应力状态出发,强调液化标志着土的法向有效应力为0,土体不具有任何抗剪能力;另一种是以Casagrande和Dobry为代表的观点,强调土的液化流动特性,认为土体破单元CSR0.0960.0500
16、.0950.1510.0940.1490.0930.1470.0910.1450.0960.1520.0950.1510.0940.1500.0940.1490.0930.1480.0920.1460.0910.1450.0960.1520.0950.1510.0940.1490.0920.1460.0960.1520.0950.1510.0940.1490.0930.147单幅动应力/kPa5.010.815.219.423.56.49.412.315.218.020.823.56.49.415.220.86.410.815.219.4(2)(3)228坏归根结底表现为过量的位移、变形或应变
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