现场和室内测试最大动剪切模量的对比研究

孙 静，金晓鸥，孙殿民，姜彦新，王福彤，付伟庆，宋 冰

（黑龙江大学a．建筑工程学院；b．东北寒区土木工程重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引 言

土的动剪切模量是土层和地基地震反应分析中必备的非线性动力参数，也是场地安评、土工构筑物和重大工程结构抗震验算中必不可少的基础数据。最大动剪切模量的测试方法一般有两种：①现场测试；②实验室测试。两者相互补充，各有所长，有时可以相互验证，但二者的关系还存在令人困惑的问题。

现场测试的主要方法是通过测试剪切波速，换算得到不同深度处土层的最大动剪切模量。工程上剪切波速测试目前通常采用单孔测井法，该法具有速度快，可逆偏振，能发现低速层，能满足一定的精度要求，只需单孔就可进行测试等优点。测井中，一般在地面多次激震，逐步将拾振器沿深度下移，逐点测试，根据剪切波传播的路径，得到各测点间的剪切波速。对波速实测结果进行分析计算，求得钻孔每一层的剪切波速，已知土的质量密度，即可得到最大动剪切模量。

就实验室测试来说，室内研究土动力特性的重要设备是共振柱。由于共振柱具有原理简单、操作方便、边界条件清晰及结果离散小和可重复性等优点，已成为目前中小应变范围内测定土的动剪切模量最好的仪器设备。

本文选取西安、杭州和山东3个不同区域，不同地区有完整现场波速资料的实际工程场地，分别采用现场波速法和室内试验法求出最大动剪切模量，研究对比现场和室内测得最大动剪切模量的差异程度，并探讨两者差异的影响因素。

1 实际场地试验结果对比

1．1 第一个场地

第一个场地为西安市阎良区，选取3个典型的钻孔，进行现场和室内试验结果对比［1］。第1个钻孔编号为ZK1，共取5个土样，测试深度为86m；第2个钻孔编号为ZK10，共取6个土样，测试深度为82m；第3个钻孔编号为ZK19，共取6个土样，测试深度为86m。把3个钻孔共17个土样的试验参数和剪切波速列于表1。

根据3个钻孔的现场剪切波速vs资料，已知土的质量密度ρ，由公式Gmax＝ρv2s，换算得到不同深度处土的最大动剪切模量的现场测试值Gmax。

室内所有试验都是在中国地震局工程力学研究所研制的GZ－1型共振柱试验机上进行。利用共振柱试验机能够测定微小应变下土的动剪切模量，对西安市阎良区场地17个土样分别进行室内均等固结试验。根据土样的埋深给试样施加不同的固结压力并使其固结，逐级施加振动应力，测取试样扭转方向的自振频率和相应的剪应变及阻尼衰减曲线，计算得到室内均等固结条件下最大动剪切模量的室内试验值Gmax。把现场测试值和室内试验值列于表1，两者对比见图1。

表1 西安市阎良区现场测试值和室内试验值对比Table 1 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Xian site

续表1Continoues table 1

图1 西安市阎良区现场测试值和室内试验值对比Fig．1 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Xian site

由表1可见，现场波速法和室内试验法测得的最大动剪切模量有差异，现场波速法要比室内试验法测得的结果大，增大范围为17．7%～191．6%，平均增大为30．5%。从总的趋势来看，增大的程度和土层埋深也有一定的关系，土层埋深越大，波速逐渐增加，而现场波速法和室内试验法的结果差值也越大，甚至达到191．6%。

1．2 第二个场地

第二个场地为杭州湾大桥，根据杭州湾大桥工程的9个钻孔资料，取其中2个典型钻孔，进行现场和室内试验结果对比［2］。为确定土层地震反应分析中土的动剪切模量，对2个钻孔的9个土样进行了土的室内共振柱试验，该试验是在中国地震局工程力学研究所新研制的DGZ－1型多功能共振柱试验机上进行。1＃钻孔编号为CZK4，共取5个土样；2＃钻孔编号为CZK20，共取4个土样，测试深度均为150m；每隔5m测一个剪切波速，土样试验参数和剪切波速见表2。把现场测试值和室内试验值列于表2，两者对比见图2。

由表2可见，现场波速法和室内试验法测得的最大动剪切模量有差异，现场波速法要比室内试验法测得的结果大，增大范围为7．3%～68．3%，平均增大33．1%。从总的趋势来看，随着土层埋深越大，波速逐渐增加，现场和室内试验结果差值也有所增加。

表2 杭州湾大桥现场测试值和室内试验值对比Table 2 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Hangzhou site

图2 杭州湾大桥现场测试值和室内试验值对比Fig．2 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Hangzhou site

1．3 第三个场地

第三个场地为山东淄博，受大众日报淄博分社委托，中国地震局工程力学研究所承担了晨报华源大厦工程场地地震安全性评价工作［3］。为确定土层地震反应分析中土的动剪切模量，对1个钻孔6个土样进行室内共振柱试验，该试验是在中国地震局工程力学研究所新研制的DGZ－1型多功能共振柱试验机上进行。山东岩土工程勘察总公司工程物探研究所进行波速测试，测试1个钻孔，完成45个测点，自下而上1m测1个点，测试深度为45m，土样试验参数和剪切波速见表3。把现场测试值和室内试验值列于表3，两者对比见图3。

由表3可见，现场波速法要比室内试验法测得的结果大，增大的范围为8．2%～189．9%，平均增大86．2%。从总的趋势来看，土层埋深越大，现场和室内试验结果相差也有所增加。

表3 山东淄博场地现场测试值和室内试验值对比Table 3 Comparison of Gmaxbetween field and laboratory test of Shandong site

图3 山东淄博现场测试值和室内试验值对比Fig．3 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of Shandong site

2 结果分析

根据3个场地的试验结果，给出3个场地现场测试值和室内试验值的对比，见图4。结果表明，现场波速法和室内试验法测得的最大动剪切模量确实有差异，现场波速法测得的结果总是要比室内试验法测得的结果大，增大7%～192%，最大相差约2倍。

图4 3个场地现场测试值和室内试验值对比Fig．4 Comparison of maximum DSM between field and laboratory test of three engineering sites

俞培基等［4］通过两个现场试验与室内试验的对比，证实了现场与实验室测定的动剪模量的差别，现场原位测定值大于室内侧定值；蒋寿田等［5］研究了郑州地区地基原状土动模量及阻尼比，通过对现场波速和室内共振柱仪测试的实际数据比较，指出现场测得的最大动剪切模量比实验室的结果要大80%～170%。并推测是由于室内试验所用的土样在取样和试验过程中，会受到不同程度的扰动，而且原状土从钻孔中取出以后产生应力释放，室内试验再加压时又没有考虑时间效应的影响，所测得的最大动剪切模量就可能偏低；Pitilakis［6］研究结果表明，现场测得的最大动剪切模量总是要比实验室测得的最大动剪切模量大很多，并推测是由于实验室没有考虑时间效应或试样的扰动，还可能是由于十字板提供的应变比实验室测定的要小，或由于实际土的不均匀性和土的各向异性的影响；张立［7］和王建华［8］等从不同角度也对此进行了研究。

以往现场和实验室测试最大动剪切模量的研究和试验结果表明，同样的土在相同密度和固结压力条件下，现场测得的最大动剪切模量总是要比实验室测得的最大动剪切模量大很多。本文3个场地对比结果表明，现场波速法比室内试验法测得的结果增大7%～192%，与目前的研究结果有可比性。

3 影响因素分析

影响现场与实验室测定土的最大动剪切模量的因素虽然有很多，包括：土样的扰动、室内人工制备土样与原位结构的差异、实际土的不均匀性、土的各向异性、时间效应以及次固结效应，差别的原因可能是上述诸因素的综合反映，也可能是其中一部分因素的反映。扰动和时间等因素肯定对最大动剪切模量有重要影响，但此解释还缺乏足够的证据，对如此大的差别来说并不充分［9］。

实验室内研究土的最大动剪切模量的重要缺陷之一是未重视不同固结比对土的动剪切模量的影响。以往虽认识到非均等固结下土的动剪切模量及其对地震动影响的重要性，但是受仪器设备的限制，不能施加偏压，测出土的动剪切模量主要适用于均等固结的状况。而实际土层、工程场地和土工构筑物中，由于侧压力系数和泊松比的存在，固结比kc＝1．0这种状态基本不存在，土体大多为非均等固结，如自由场地中固结比一般为1．4～2．7，而结构下和土工构筑物中固结比可能达到3［9］。

文献 ［10－12］曾对非均等固结下固结比对砂土和原状黏土最大动剪切模量的影响进行了研究，提出了非均等固结下土最大动剪切模量的增长模式并给出了建议公式，试验结果表明，对比实验室内均等固结结果，考虑实际固结比条件下土的最大动剪切模量会有很大的增加，增量最大可达到185%。因此，以往研究中没有很好地考虑实际固结比的作用，也应该是造成现场波速法和室内试验法测定最大动剪切模量之间显著差异的重要原因之一。

4 结 论

1）3个场地的结果均表明，现场波速法和室内共振柱试验法测得的最大动剪切模量确实有明显差异。

2）现场波速法测得的最大动剪切模量要比室内试验法大，增大约7%～192%，最大相差约2倍。

3）从总的趋势来看，增大的程度和土层埋深也有一定的关系，随着土层埋深越大，钻孔波速逐渐增加，而现场波速法和室内试验法测得的结果差值也有所增加。

4）以往研究中没有很好地考虑实际固结比的作用，也应该是造成现场波速法和室内试验法测定最大动剪切模量之间显著差异的重要原因之一。

［1］刘德东，刘红帅．西安市阎良区地震小区划工作报告［R］．哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2007．

［2］袁晓铭．杭州湾大桥初勘报告 ［R］．哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2005．

［3］袁晓铭，孙 静．晨报华源大厦工程场地地震安全性评价 ［R］．哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2002．

［4］俞培基，郭锡荣．现场和室内测定黏性土的动剪模量［C］／／全国土工建筑物及地基抗震学术讨论会论文汇编，1986．

［5］蒋寿田，王幸辛．郑州地区地基原状土动模量和阻尼比 ［C］／／第三届全国土动力学学术会议，1990：151－155．

［6］Pitilakis K．D．，Anastassiadis A．，Rapatakis D．Field and laboratory determination of dynamic properties of natural soil deposits ［C］／／10th WCEE．Balkema，Rotterdam．1992：1 275－1 280．

［7］张 立，王建华，程国勇．土样现场和室内剪切波速的试验研究 ［J］．勘察科学技术，2003，（5）：15－19．

［8］王建华，程国勇，张 立．取样扰动引起土层剪切波速变化的试验研究 ［J］．岩石力学与工程学报，2004，23（15）：2 604－2 609．

［9］孙 静，袁晓铭，陶夏新．室内和现场测试最大动剪切模量差别的试验研究 ［J］．土木工程学报，2012，45（S1）：258－262．

［10］Jing Sun and Xiaoming Yuan．The effect of the consolidation ratio of sands on dynamic shear modulus and response spectrum of soil layer［J］．Geotechnical Special Publication，ASCE．2006，n （150）：437－443．

［11］袁晓铭，孙 静．非均等固结下砂土最大动剪切模量的增长模式及Hardin公式的修正 ［J］．岩土工程学报，2005，27 （3）：264－269．

［12］孙 静，袁晓铭．固结比对黏性土动剪切模量影响的研究 ［J］．岩土力学，2010，31 （5）：1 457－1 462．