软弱土层自由场动力离心模型试验

曹 杰，韩黎明，冯昌明，黄茂松

(1.中国民航机场建设集团公司机场工程科研基地，北京 100621;2.同济大学a.交通运输工程学院道路与机场工程系;b.地下建筑与工程系，上海 200092)

1 研究背景

动态离心模型试验是一种以相似定律为基础的缩尺模型试验技术。自20世纪80年代初期以来，土工离心模型试验设备的数量、容量都增加了，其技术和应用领域也都有了长足的发展，成为岩土工程学科的前沿和焦点。用离心机模拟地震问题已经在世界范围迅速发展起来，自由场的地震响应是动力离心模拟与研究的课题之一。

Taboada和Dobry［1］进行了饱和松砂水平地基的动力离心模型试验，试验表明地基浅土部分液化发生较快，多数的沉降位移在振动过程中发生，并且由于液化的产生，加速度向地表传播时明显衰减;Kawasaki等［2］通过渗透试验及离心机试验对软土地基上的地震沉降进行了研究，采用硅油模拟孔隙流体，试验表明基础沉降主要发生在振动之后，而不是振动过程中。章为民［3］对砂土自由场地震响应进行了离心机试验研究，发现，由于在离心加速状态下，砂土渗透系数增加而同时渗流路径减小，使得试验过程中超静孔压的消散比现场观测到的要快，土层的沉降也大部分发生在振动过程中;Hausler和Sitar［4］采用Nevada砂作为模型地基，模拟了地震作用下结构基础的沉降与倾斜，试验表明只有当液化土层在其深度范围内得到彻底的改善才会有效减小基础沉降，当液化土层只在局部深度范围内进行加固时基础仍有可能发生显著沉降;Su和Li［5］采用正十二边形的层状剪切箱，分别进行了一维与二维的饱和砂土自由场响应模拟试验，建立了一维与二维情况下超孔隙水压力的变化关系，研究表明砂土地基在二维地震荷载作用下抵抗液化的能力与一维地震情况相比会明显减弱。Lai等［6］采用层状剪切箱，以Nevada砂为试验材料进行一系列试验，模拟饱和密砂在一维地震下的响应，试验模拟了从弱震到强震(地面加速度从0.03～1.73 g)过程中，土体从线性到高度非线性的响应过程，并且以试验所得参数进行有限元数值模拟，与试验结果进行对比。

本文选用软弱粉质黏土，就自由场地震响应进行了离心机振动台试验模拟，研究了不同强度地震荷载作用下，不同深度处的土体加速度、位移和地表沉降等响应情况。

2 试验设计

2.1 试验设备

图1 层状剪切箱Fig.1 Laminar box

试验使用同济大学的TLJ-150复合型岩土离心试验机，可在50 g离心状态下提供高精度的单向水平振动，可施加任意波形的地震波，振动最大加速度为20 g，最大持时1 s，上限振动频率和下限振动频率分别为200 Hz和20 Hz(50 g状态下)，设计振动负载300 kg。

试验所用模型箱为日本进口的叠环式层状剪切模型箱(图1)，内部尺寸为:500mm×440mm×550mm(长×宽×高)。剪切箱由22层中空铝环组成，相邻两环最大相对位移可达5mm，箱内布置1mm厚高强度橡胶膜可用于高含水率土样试验。

膨润土的膨胀性能以膨胀容表示，同一属型的膨润土，含蒙脱石愈多，膨胀容愈高。胶质价、膨胀容是鉴定膨润土矿石属型和估价膨润土质量的技术指标之一。

2.2 试验材料

试验用土采用粉质黏土，级配曲线如图2所示，粉质黏土则按照35%的含水量配置(接近原状土36.2%)。

图2 试验用土级配曲线Fig.2 Gradation curve of soil used in the test

2.3 传感器布置

黏土地层底层密度2 025 kg/m3，地表密度1 886 kg/m3，土层厚22.5 m，地层平均划分为10层，各层密度进行线性插值，剪切波速取90～150m/s线性插值。采用SHAKE91进行简化计算并绘制放大系数曲线。图11表明:软土地层中，地表加速度呈现衰减趋势，同一地震波作用下(SSE)，入射峰值加速度越大，地表加速度衰减越明显，这一结论与黏土自由场离心试验结果是一致的。

图3 离心模型试验仪器布置图Fig.3 Layout of instruments of centrifuge model

2.4 离心试验方案

(1)地震荷载作用下，地层侧向位移随着地层深度的减小逐渐呈现增大趋势，越靠近地表位移量越大;而且侧向位移量与地震强度相关，地震波峰值越大，地层侧向位移量越大。

图4 上海人工小波加速度时程曲线(SSE)Fig.4 Time history of acceleration for Artificial Small Shanghai Earthquake (SSE)

3 试验结果与分析

由于篇幅所限，本文仅列出部分试验结果进行分析。

由于本文常规试验中仅对离心模型土样进行了共振柱试验，动力剪应变范围偏小，因此借鉴其它文献资料，参考相同土质的动力参数，对试验曲线进行延长。虽然拟合所得动剪切模量和阻尼比与真实模型土样有出入，但是由于土质相同，对于一般的规律性研究是可以接受的。土层密度从离心模型箱内取样直接测定，剪切波速可借鉴已有资料或规范根据土质条件取值，然后由土层密度和剪切波速求得初始剪切模量。室内共振柱试验表明离心试验所用饱和粉质黏土动力参数曲线具有良好的归一性，模量比G/Gmax、阻尼比λ与剪应变γ的关系曲线如图9和图10所示。

3.1 地层加速度响应

图5 试验2中土体加速度响应(SSE)Fig.5 Acceleration responses of soil in Test 2(SSE)

图5为上海人工小波(SSE)作用下土层各测点加速度时程曲线，可以看出振动台输入地震波与反馈波(A0)整体吻合较为理想，地震波由基底向地表传播呈现衰减趋势。可以看出软黏土具有很强的滤波作用，地震波传播过程中高频部分被土体过滤，更为明显地表现为低频特性，因此靠近表层的地震波时程曲线变得稀疏，波动周期增大，波动频率降低。试验结果表明:基底入射地震波峰值加速度越大，相应监测点处的响应加速度绝对数值也会较大(与低峰值入射结果相比而言)，但是地震强度衰减也会变得越明显，为了说明这一现象，分别用各层地震波峰值加速度与基础底面地震加速度峰值相比，绘制出随深度变化的加速度放大曲线(图6)。图中，加州波(LPE)输入加速度峰值0.1 g，地表放大系数0.77;上海人工小波(SSE)输入地震波峰值加速度0.15 g，地表放大系数0.55;上海人工中波(MSE)入射地震波峰值加速度0.4 g，但是地表地震加速度放大系数仅为0.31。由此可见，在饱和软土地层中，场地地表地震加速度放大系数随着基岩输入地震波峰值加速度的增大而减小，地震强度越大，地表加速度衰减越明显。这可能是由于地震强度增大使得土层剪应变水平增大，剪切模量降低更加迅速，阻尼比增大所导致，这与陈国兴［7］和陈继华［8］的研究结论是一致的。

图6 不同强度下地震加速度放大效应对比Fig.6 Comparison of acceleration amplification effects under different intensities

3.2 土层侧向位移

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图7为LPE波作用下不同土层深度处的侧向水平位移曲线，最大位移发生之后，位移曲线变化趋于平稳，只会出现小幅波动。试验结果表明，越接近地表、地层侧向位移越明显，随着埋深的减小，场地侧向水平位移呈增大趋势;与其它2组试验结果对比，表明在同一土层深处，输入地震波强度越高，相应的侧向位移量也会越大。

3.3 地表沉降

图8为3组试验的地表沉降曲线，试验1至3分别对应LPE、SSE、MSE 3条地震波，试验结果表明:地表沉降值的稳定需要一个过程，对比图5和图8时间轴，峰值沉降值的出现一般要晚于峰值加速度的出现时间，并且在最大沉降值出现之后地表沉降曲线基本保持水平发展趋势，只会出现小幅波动;地表沉降值与自由场底部入射地震波强度有关，输入地震波峰值加速度越大，场地响应越强烈，而且沉降曲线波动越剧烈，地表沉降越大。

图7 试验1中地层水平侧向位移(LPE)Fig.7 Recorded lateral displacements of ground in Test 1(LPE)

图8 不同地震强度下地表沉降曲线对比(试验1～3)Fig.8 Comparison of surface settlements under different earthquake intensities(Test 1～Test 3)

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4 数值验证

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图9 软黏土G/G max-γ试验曲线Fig.9 G/G max-γ curve for soft soil

图10 软黏土λ-γ试验曲线Fig.10 λ-γ curve for soft soil

本次试验所用微型土加速度传感器和差动式位移传感器，分别用于记录土体地震加速度和地层位移。具体的布置方式如图3所示。其中A0用于接收振动台反馈地震信号，以便于与输入地震波进行对比，检验地震波的输入精度。在模型的固结过程中(静力状态)，所有传感器采样频率均设为1 Hz，正式动力试验时，由于试验时间仅为0.4 s，采样频率改为5 000 Hz，以确保取得足够的数据点。

图11 软土地层加速度放大曲线Fig.11 Curves of acceleration amplification effects under different intensities in soft soil

上述计算中所涉及的地层动力参数借鉴于同类土层参考资料，对实测曲线在大应变范围内进行了延长，因此与真实的土层性质有一定出入，SHAKE91中等效线性化应变取为最大振幅的0.65倍，也是根据经验选取，所以计算出的时程曲线不一定是真正的反应曲线。尽管如此，当土层计算厚度与离心试验取值相同时(22.5 m)，数值计算所得的地震加速度放大系数曲线和离心试验结果仍旧具有相同的发展规律:地震荷载作用下，地层各埋深处的加速度响应与入射地震波的强度有着密切联系。就加速度具体数值而言，输入地震波峰值加速度越大，地表的加速度峰值也会相应较大;但是就放大效应而言(以加速度放大系数表示)，场地地表加速度放大系数均随着入射地震强度的增大而减小。

5 结论

本文离心模型试验所用地震波有3条，分别为Loma Prieta波(LPE)，上海人工小波(SSE)和上海人工中波(MSE)，调整之后峰值加速度分别为0.1，0.15，0.4 g，由于振动台的振动频率限制，在对原始地震波峰值缩放的同时，还需进行滤波处理。篇幅所限，这里只给出上海人工小波加速度时程曲线，如图4所示。试验顺序由小能量级地震波开始，逐次增大。两次地震试验之间需要安置剪切箱挡板，进行土体重新固结，地表沉降稳定后，拆除剪切箱两侧挡板，进行自由边界条件下的地震离心模拟试验。

试验完成之后，取土样测定含水量，测得模型箱内上、中、下3个部位的平均含水率分别为33%，30.6%，27.5%;在模型箱上、中、下3个部位分别取样进行固结压缩试验，试验结果表明越靠近模型箱底部，压缩曲线越平缓，土体压缩性越小。因此，测定结果表明，随着深度的增大，土体密度逐渐增大，抵抗变形能力增强。但是，需要注意的是，靠近地表的含水量仍然较为接近固结前36%的土样含水量。因此，作者认为，黏土的固结效果不是很理想，这与黏土自身的渗透特性和模型制作过程中的排水条件相关。

(2)地震荷载作用下，地表沉降量与地震强度相关，入射地震峰值越大，地表沉降越明显。

(3)地震荷载作用下，地层各埋深处的加速度响应与入射地震波的强度有着密切联系。就加速度具体数值而言，输入地震波峰值加速度越大，地表的加速度峰值也会相应较大;但是就放大效应而言(以加速度放大系数表示)，场地地表加速度放大系数随着入射地震强度的增大而减小。

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(4)场地地表加速度放大系数随着输入地震峰值加速度的增大而减小，这可能是输入地震动强度增大使土体剪应变水平增大、剪切模量降低、阻尼比增大所引起。尤其对于含水量较高的饱和软弱地层而言，承受地震剪切荷载能力较差，地震波难于向地面传播，地震强度衰减较为明显。

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综上所述，地基土的地震响应与地震强度密切相关，对于周围土层的加速度、侧向位移、地表沉降等均有影响。以上结论是通过均质软弱地层的离心试验获得，对于非均质地层未必成立，另外，试验在整箱软土的饱和制样方面存在缺陷，会对试验结果产生一定误差，需要进一步研究。

［1］TOHDA J，ONO Y，AMANO S.Measures to Reduce Floating of Large Diameter Polyethylene Pipes Due to Liquefaction(Dynamic Centrifuge Model Tests)［C］∥Proceedings of 33rd Japan Annual Conference on Geotechnical Engineering.Yamaguchi，Japan，1998:2033－2034.

［2］KAWASAKI K，SAKAI T，YASUDA S.Earthquake-Induced Settlement of Isolated Footing for Power Transmission Tower［G］.Rotterdam:A A Balkema，1994:55－62.

［3］章为民，日下部治.砂性地层地震反应离心模型试验研究［J］.岩土工程学报，2001，23(1):28－31.(ZHANGWei-min，KUSAKABEO.Dynamic Centrifuge Model Test of Sandy Layer［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(1):28－31.(in Chinese))

［4］HAUSLER E A，SITAR N.Centrifuge Modeling of the Seismic Performance of Improved Ground［C］∥Hong Kong University of Science and Technology and the University of California.International Symposium on Geotechnical Centrifuge Modelling and Networking.Hong Kong University of Science and Technology，December 8－9，2001，Davis:the University of California:25－27.

［5］SU D，LI X S.Centrifuge Tests on Earthquake Response of Sand Deposit Subjected to Multi-directional Shaking［C］∥Proceedings of 16th ASCE Engineering Mechanics Conference.University of Washington，Seattle，July 16－18，2003:16－18.

［6］LAI T，ELGAMAL A，YANG Z，et al.Numerical Modeling of Dynamic Centrifuge Experiments on a Saturated Dense Sand Stratum［C］∥Proceedings of 11th International Conference on Soil Dynamics＆Earthquake Engineering and 3rd International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering， University of California，Berkeley，January 7－9，2004:558－565.

［7］陈国兴，庄海洋，程绍革，等.土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台试验-试验方案设计［J］.地震工程与工程震动，2006，26(6):178－183.(CHEN Guo-xing，ZHUANG Hai-yang，CHENG Shao-ge，et al.A Large-Scale Shaking Table Test for Dynamic Soil-Metro Tunnel Interaction:Test Scheme［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2006，26(6):178－183.(in Chinese))

［8］陈继华，陈国兴，史国龙.深厚软弱场地地震反应特性研究［J］.防灾减灾工程学报，2004，24(2):132－138.(CHEN Ji-hua，CHEN Guo-xing，SHI Guo-long.Research on Seismic Response Characteristics of Sites with Deep and Soft Soils［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2004，24(2):132－138.(in Chinese ))