1、渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究第 23 卷第 2 期2003 年 6 月防灾减灾工程JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineeringVo1.23NO.2Jun.2003渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究吕悦军,唐荣余,沙海军(中国地震局地壳应力研究所.中国北京 100085)摘要:土的动剪切模量比和阻尼比是工程场地地震安全性评价工作和土层地震反应分析中不可缺少的重要参数.本文采用应力控制振动三轴试验装置对渤海海底的常规土类动剪切模量比 G/G和阻尼比进行试验研究,试验装备为 HX-1OO 控制振动三轴试验系统,土类包括粘土,
2、粉质粘土,细砂,粉砂,粉砂质细砂,土样来自渤海海域内BZ13-1,BZ26-2,QK182 等 3 油田的场地钻孔.采用折线曲线拟合动剪切模量比G/G,阻尼比随动剪应变变化的关系.得到各类土的 G/,随变化关系及推荐值.本文的结果已在这 3 个油田平台的地震安全性评价中使用,本项工作积累的有关基础资料和工作方法可供该海域内有关海洋建设工程的地震安全性评价工作以及未来海域内的地震区划工作借鉴和参考.关键词:渤海海底土样;动剪切模量比;阻尼比中图分类号:P315.98 文献标识码:A 文章编号:1672 2132(2003)020035-080 引言土的动剪切模量比和阻尼比是土动力学特性的两个重要
3、参数,是工程场地地震安全性评价工作和土层地震反应分析中不可缺少的,这些参数是否合理,将直接影响工程建筑结构的安全性和经济性.由于诸多原因,我国这方面的试验研究不多,一些结果大多散见于各类期刊中 L1,尚没有见到有关海洋海底土类的试验结果的报道.目前在进行土层地震反应分析遇到土动力学参数资料不全的情况时,一般是利用中国地震行业规范工程场地地震安全性评价工作规范L2 中的各类土剪切模量比 G/G 和阻尼比入随动剪应变 y 变化的典型值,但研究表明3,这些参数并不具有实用性,土动力学参数必须考虑区域性.近 20 年来,我国进行了大规模的海洋油气田开发工作,中国地震局系统内的有关单位在渤海,东海,南海
4、北部湾等海域相继做了一些石油平台的地震安全性评价工作.由于条件所限,一些工作的场地土类动力学参数试验没有完成4.渤海海域是我国海洋石油的主要开发场所,且地震活动强度大,频度高,其海洋工程的抗震问题受到工程建设部门的重视.近年来,中国地震局地壳应力研究所与美国PHIIIPS 石油公司 ,KerrMeGee 石油公司合作,进行了 20 多个石油平台工程场地地震动参数研究工作.在这些工作中,利用应力控制振动三轴试验,对多个油田场地进行了土类动力学参数试验研究.本文根据 BZ131,BZ262,QK182 等油田场地的土类试验结果,采用折线曲线拟合动剪切模量比G/G扭一阻尼比随动剪应变 7 的变化关系
5、,给出了各类土的动剪切模量比和阻尼比的推荐值.这些结果已在该海域内的一些石油平台工程场地地震安全性评价工作中应用.由于未见有关海洋土类动力学参数的研究报道,本资料可作为土类动力学研究的补充,同时,本资料有利于加深对不同土质动力学性能的认识,可为该海域内其它海洋建设工程的地震安全性评价工作提供借鉴和参考,促进我国海域地震区划研究的开展.1 试验和分析方法采用 HX 一 100 控制振动三轴试验装置进行测定动剪模量,阻尼比的应力控制振动三轴试验.试验参考土工试验规程(SI2370321999)Ls 和海上平台场址工程地质勘察规范(GB175031998)6.具体试验过程如下:(1)将制备好的原状土
6、样套上橡皮膜后安装在三轴压力室内.试验土样的尺寸为:直径 3.91cm,收稿日期:20030108;修回日期:20030219基金项目:美国 PHILPI 石油公司和中国海洋石油公司委托项目 (RFPNo.0003)作者简介:吕悦军(1966 一),男,副研究员.主要从事地震学和工程地震的研究工作.防灾减灾工程第 23 卷高 8.0cm;(2)依据土样所代表土层的上覆有效压力,确定试验土样施加的等向固结压力.给土样施加等向固结压力,并使土样排水固结;(3)土样固结后,在不排水条件下,采用逐级增加循环应力的方法沿土样轴向施加振动荷载.振动过程中,测量土样轴向振动应变与超孔隙水压力.振动应力的频率
7、为 1.0Hz.(4)依据试验结果,按照式(1)与式(2)分别确定不同振动应变下的土样动压缩模量 E,阻尼比.进而按式(3)与式 (4)确定振动剪应变 y 与相应的动剪模量 G.E 一,14hA2y 一(1+I1)0dG 一式中一动应力;d 一动应变;.试验测得的应力应变滞回曲线围成的面积;A20.5ad;一泊松比 .本项研究参考国内外已有的试验结果,采用逐级增加循环应力的方法沿土样轴向施加振动荷载,测定土类的动剪切模量 G 和阻尼比随剪应变 y的变化;采用折线曲线拟合动剪切模量比 G/G,阻尼比川谴动剪应变 y 的变化关系,其中参数 a 和 6由最小二乘法对每次试验回归得到,最后给出各类土的
8、动剪切模量比和阻尼比的推荐值.2 试验土类(1)共进行 58 个土样的应变控制循环三轴试验,土(2)类包括粘土,粉质粘土,细砂,粉砂,粉砂质细砂.土样分别取自 BZI31,BZ262,QK182 等油田场地的海底泥面以下不同深度,其中 BZI3 一 l 油田土样(4)17 个,BZ26 2 油田土样 24 个,QK182 油田土样 17个.表 1,表 2,表 3 分别给出 3 个油田内的各土样的编号,埋深,土质描述,重度(KN/m.),剪切波速(m/s)等.表 1BZ131 油田场地各土样的性能参数Tab.1SoillayerparametersofBZ13-1oilfield第 2 期吕悦军
9、等:渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究 37表 3QK182 油田场地各土样的性能参数Tab.3SoillayerparametersofQK182oilfield38 防灾减灾工程第 23 卷3 各土类的试验结果为了得到规一化动剪切模量比 G/G,依据剪切波速结果确定与振动三轴试验对应的土样最大剪切模量 G.进一步,再确定规一化动剪切模量比,阻尼比随剪应变变化的关系.分析中以循环 2O 次的试验数据为依据,相当于 7.5 级地震震级对应的等效振次,对试验数据进行拟合处理.按各土样的土质特征,埋深,将土样归纳为 11类土.根据最小二乘法,直接从试验数据回归得到各类土的均值曲线,图 1图
10、22 给出了各类土的试验点和均值曲线,其中均值曲线如图中实线.表 4 中的土类名称是根据工程钻探的钻孑 L 描述归纳得到的,表中数据即为各类土的动剪切模量比和阻尼比的推荐值,可供渤海海域内有关工程借鉴和参考.图 1 粘土(软)G/G 一曲线图Fig.1GdfGVS7dcurveofclay(soft)图 2 粘土(软)一曲线图Fig.2VS.curveofclay(soft)图 3 砂质粉砂(中密)/G 一曲线图Fig.3Ga/GV8.curveofsandysilty(mediumdense)图 4 砂质粉砂(中密) 一曲线图第 2 期吕悦军等:渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究 39
11、l-0080.60?402001.0E-61.0E-51.0E-41.0E.31.0E.21.0E.1图 5 粉砂质细砂(中密)G/a 一曲线图Fig.5GdfGVS7dcurveofsiltysand(mediumdense0.200.150l00.050.o01.0E-61.0E-51.0E-41.0E.31.0E.21.0E.1图 6 粉砂质细砂(中密)一曲线图Fig.6VS.curveofsiltysand(mediumdense)l?00.80?6.40.20.01.0E?61.0E-51.0E-4l0E-31.0E.21.0E.1图 7 粉砂(密实)GJG 一曲线图Fig.7Gdf
12、GVS7dcurveofsilt(dense)0.200.150.100.050.o01.0E-61.0E-51.0E-41.0E-31.0E.21.0E.1图 8 粉砂(密实)一曲线图Fig.8VS.curveofsilt(dense)l?00.80.0.40200E.6l0E.51.0E-41.0E.31.0E.21.0E.1图 9 稍硬的粉质粘土/G一曲线图Fig.9GdGVS7dcurveofsiltyclay(slightlystiff)0.200.150100.050.001.0E.61.0E.51.0E-41.0E-31.0E.21.0E.1图 1O 稍硬的粉质粘土一曲线图Fig
13、.10VS.curveofsiltyclay(slightlystiff)l?00.80.0.40.200E-61.0E-51.0E-41.0E.31.0E.21.0E.1图 l1 粉质粘土(非常硬)/G一曲线图Fig.11GdfGVS7dcurveofsiltyclay(verystiff)图 12 粉质粘土(非常硬)一曲线图Fig.12VS.cruveofsiltyclay(verystiff)4O 防灾减灾工程第 23 卷l-00.800.40?20.01.0E-61.0E?51.0E-41.0E.31.0E.21.0El图 13 粉砂质细砂(密实)G/Gn 一曲线图Fig.13Ga/G
14、VS.curveofsiltysand(dense)0.200.150.100.050.o01.0E 一 61.0E 一 51.0E-41.0E.31.0E-21.0E.1图 14 粉砂质细砂(密实) 一曲线图Fig.14VS.curveofsiltysand(dense)l?00.800.40.2.E 一 61.0E?51.0E-41.0E-31.0E.21.0E.1图 15 细砂(密实)G/G 一曲线图Fig.15(/GVScurveoffindsand(dense)0.200.150.100.050.o01.0E-61.0E 一 51.0E-41.0E.31.0E.21.0E.1图 16
15、 细砂(密实) 一曲线图Fig.16VS.curveoffindsand(dense)1.00.80.60.40.2001.0E-61.0E-51.0E-41.0E 一 31.0E.2l0E.1图 17 砂质粉砂(密实)/G 一一曲线图Fig.17GdfGVS.7dcruveofsandysility(dense)o.200l5o.1o0.05o.o01.0E-61.0E-51.0E-41.0E 一 31.0E.21.0El图 18 砂质粉砂(密实) y 曲线图Fig.18VS.curveoffindsand(dense)1.00.8060.40.20.01.0E 一 61.0E?5l0E-4
16、1.0E.3l0E 一 21.0E.1图 19 粘土(坚硬)Ga/G.一曲线图Fig?19Ga/GVS.cruveofsandysility(stiff)o.200.150.1Oo.05o.o01.0E 一 61.0E 一 51.0E-41.0E.31.0E 一 21.0E.1图 2o 粘土(坚硬) 一曲线图Fig.2OVS.curveoffindsand(stiff)第 2 期吕悦军等:渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究 41图 21 粉质粘土(坚硬)G/G一曲线图Fig.21Gd/GVS.cruveofsandysility(stiff)图 22 粉质粘土(坚硬) 一曲线图Fig.22VS.curveoffindsand(stiff)
