苏州第四纪沉积土动剪切模量比和阻尼比试验研究.pdf

第 34 卷 第 3 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.3 2012 年 .3 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Mar. 2012 苏州第四纪沉积土动剪切模量比和阻尼比试验研究 战吉艳 1，陈国兴1*，杨伟林2，胡庆兴1 （1. 南京工业大学岩土工程研究所，江苏 南京 210009；2. 江苏省地震工程研究院，江苏 南京 210014） 摘 要通过深入分析苏州第四纪土的海相、陆相沉积环境及土层分布特征，对苏州第四纪土 311 个原状土样进行了 土的动剪切模量比和阻尼比试验研究，结果发现海侵作用和土层深度对苏州第四纪各类土的动剪切模量比、阻尼比 与剪应变幅值关系曲线的影响有明显差异，深度 0～30 m 的海相黏土动剪切模量比和阻尼比曲线分别低于和高于陆相 黏土的曲线，深度 30～100 m 的海相黏土动剪切模量比和阻尼比曲线分别高于和低于陆相黏土的曲线；土层深度对海 相黏土、粉质黏土和海、陆相粉细砂的动剪切模量比曲线以及对海相黏土、粉质黏土和陆相粉细砂的阻尼比曲线的影 响较为明显；对黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂按土层深度 0～30 m 和 30～100 m 以及淤泥质土、中粗砂不区分土层 深度，给出了苏州第四纪各类土的动剪切模量比和阻尼比曲线经验关系的拟合参数值及其平均关系曲线推荐值。 关键词苏州第四纪土；动剪切模量比；阻尼比；海侵作用；土层深度 中图分类号TU41 文献标识码A 文章编号1000–4548201203–0559–08 作者简介战吉艳1982– ，女，博士研究生，从事土动力学与城市地下结构抗震研究。E-mail zjy-1004。 Experimental study on dynamic shear modulus ratio and damping ratio of Suzhou quaternary sedimentary soil ZHAN Ji-yan1, CHEN Guo-xing1, YANG Wei-lin2, HU Qing-xing1 1. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China; 2. Jiangsu Province Institute of Earthquake Engineering, Nanjing 210014, China Abstract Based on the comprehensive analysis of the marine and continental depositional environments and distribution characteristics, the comparative experiments are carried out on 311 undisturbed soil samples to study the dynamic shear modulus ratio and damping ratio of Suzhou quaternary sedimentary soils. The results show that the influences of transgression and soil depth are significantly different for various Suzhou quaternary sedimentary soils on the relationship between shear modulus ratio and shear strain as well as between damping ratio and shear strain. The dynamic shear modulus ratio and damping ratio of marine clay at the depth of 0～30 m are smaller and larger than those of continental clay at the same elevation, respectively. However, a contrary relationship exists for the marine clay at the depth of 30～100 m. The depth has a distinct impact on the curves of dynamic shear modulus ratio with shear strain for the marine clay, silt clay, silt sand and continental silt sand as well as on the curves of damping ratio for the marine clay, silt clay and continental silt sand. The fitting parameters and recommended values for the average curves of dynamic shear modulus ratio and damping ratio are given after distinguishing the clay, silt clay, silt and silt sand layers from the depth of 30 m while keeping muddy soil and medium coarse sand as one layer. Key words Suzhou quaternary sedimentary soil; dynamic shear modulus ratio; damping ratio; transgression effect; soil depth 0 引 言 苏州东临上海，西抱太湖，南接浙江，北依长江， 区位优势突出，在长江三角洲城市一体化战略中发挥 着重要作用。依据苏州市城市快速轨道交通建设规 划（2010～2015） ，苏州将建设由 4 条轨道线路组成 两纵两横“井”字形架构、总长 147.4 km 的综合交通 骨架。 在建或拟建的一系列耗资巨大的基础设施工程， 多建于深厚的第四纪沉积土层上，疏松软土层发育， 尤其在古湖沼地区，多为软黏土和饱和砂土[1]，在强 地震动作用下可能发生软土震陷或砂土液化，严重影 响重大工程结构的安全以及经济、社会效益的发挥。 ─────── 基金项目国家公益性行业科研专项项目（200808022） ；国家自然科 学基金项目重大研究计划项目 （90715018） ； 国家重点基础研究发展计 划项目（2007CB714200） 收稿日期2011–07–31 *通讯作者 560 岩 土 工 程 学 报 2012 年 土的动剪切模量比和阻尼比是重大工程场地地震 效应分析不可缺少的基础性资料，也是土层地震反应 分析结果是否合理、可信的前提和基础。许多学者对 不同地区土的动剪切模量比和阻尼比进行了大量的试 验研究[2-9]，因受地质年代、沉积环境、土的类型、含 水率等因素的影响，土的动剪切模量比和阻尼比与剪 应变幅值的变化规律显示出很强的区域差异性[10-16]； 土样深度也是重要的影响因素[14-16]，且对动剪切模量 比的影响大于对阻尼比的影响[17]；海相、陆相沉积粉 土和细砂的动剪切模量比和阻尼比也存在较大差别 [18]。自新生代以来苏州地区曾发生过 5 次大的海侵活 动[19-20]，对土体沉积环境造成很大影响。目前，未见 有系统研究苏州地区第四纪沉积土动剪切模量比和阻 尼比的文献。本文就苏州地区第四纪沉积土的类型、 土层深度以及海侵影响等因素对土体动剪切模量比和 阻尼比的影响进行详尽研究，期望为重大工程场地地 震效应分析提供可信的基础性资料。 1 苏州地区地层状况 苏州地区位于长江三角洲南翼冲、湖积平原上， 第四系土层发育齐全，苏州东南部厚达 200 m。由于 经历多次海陆变迁活动，河、湖、海相交替沉积，形 成了广阔的滨海相、冲湖积相软弱黏性土层、饱和粉 土和砂土层。以图 1（a）中苏州轨道交通 3 号线地质 剖面图为例，分析苏州地区第四纪海侵地层的分布及 各相土层的沉积特性。按地层年代顺序，土层沉积结 构特征如下 （1）全新世时期地层 ①杂填土褐黄灰灰黄色，松散松软，以 黏性土为主，土质不均；②粉质黏土青灰灰黄色， 软塑可塑。 （2）晚更新世时期地层 这一时期形成了，太湖海侵规模大、持续时间较 长，在太湖平原区形成潟湖、河口湾相沉积，多处出 现“千层饼”状沉积。晚更新世后期，出现以缓慢海 进、急速海退为特征的滆湖海侵，形成滨海潮坪相、 海陆交互相沉积 ③上部为黏性土层， 褐黄灰黄色， 可塑硬塑状态；下部为粉土层，灰黄灰色，稍密 中密，含云母，偶见贝壳；④上部薄层为粉质黏土 层，灰色，流塑软塑，含云母，贝壳，局部夹薄层 粉土；下部为粉砂夹粉土或粉土层局部夹薄层粉砂， 灰色，中密密实，含云母，贝壳；⑤粉质黏土灰 色，流塑软塑，局部可塑，含云母，贝壳，局部夹 薄层粉土、粉砂，呈千层饼状；⑥上部黏土，下部粉 质黏土，灰黄青灰色，可塑硬塑；⑦黏性土层与 砂性土层交替沉积，灰色，含云母，贝壳，呈千层饼 状，且黏性土多为软塑状态，砂性土中密密实。 （3）中更新世时期 东部海水涌入，发生嘉定海侵，最大海侵范围达 到太湖边缘地带，急速海进、缓慢海退，主要为河口 湾相和滨海潮坪相沉积，水平层理较发育⑧粉质黏 土灰绿色青灰色，上部可塑硬塑，下部可塑 软塑，局部以黏土为主；⑨粉砂灰色，密实，含云 母，贝壳，局部夹粉土、细砂、粉质黏土；⑩粉细砂 灰色，密实，局部夹粉土，可见云母和贝壳。 （4）早更新世时期 苏州地区在第四纪早期开始下沉，形成河流相沉 积，出现“粗细”组合的河流二元结构，发育了杂 色黏土层，夹有黏质粉土，形成厚 10 m 左右的湖滩 相沉积，有缺失。后经宝山海侵影响，在湖沼洼地位 置灌入海水，但宝山海侵未涉及苏州全境○11上部为 青灰色灰黄色、 可塑粉质黏土层， 局部以黏土为主； 下部为灰色青灰色、密实的粉砂层，可见云母、贝 壳；○12黏土灰黄色，可塑，部分地层未钻穿；○ 13粉 细砂灰青灰色，密实，偶见贝壳，部分地层未钻 穿；○14砂岩紫灰色，强中风化，岩芯破碎，节理、 裂隙发育；○15凝灰岩灰色，中风化，岩芯破碎，节 理、裂隙发育。 综上，苏州地区地层层顶标高及土层厚度变化较 第 3 期 战吉艳，等. 苏州第四纪沉积土动剪切模量比和阻尼比试验研究 561 注①杂填土；②-1 可塑粉质黏土；②-2 软可塑粉质黏土；③-1 可硬塑黏土；③-2 可塑粉质黏土；③-3 稍密中密粉土；④ -1 流软塑粉质黏土；④-2 中密粉砂夹粉土；④-3 中密密实粉土；⑤-1 流软塑粉质黏土；⑤-1A 稍密中密粉土；⑤-2 中密 密实粉砂；⑥-1 可硬塑黏土；⑥-2 可塑粉质黏土；⑦-1 软可塑粉质黏土；⑦-2 中密密实粉土夹粉砂；⑦-3 软塑粉质黏土； ⑦-4 密实粉土；⑧-1 可硬塑粉质黏土；⑧-2 可塑粉质黏土；⑨密实粉砂；⑩密实粉细砂；○11可塑粉质黏土；○11-1 密实粉砂； ○11-2 密实粉砂；○12可塑黏土；○13密实粉细砂；○14强中风化砂岩；○15中风化凝灰岩。 图 1 苏州轨道交通 3 号线地质剖面图及部分钻孔剪切波速图 Fig. 1 Engineering geological profile and shear wave velocity of soil layers under Suzhou rail transit line 3 大，土层不均匀性和不连续性较强。受海侵影响地层 主要包括④、⑤、⑦、⑨、⑩，受太湖海侵和滆湖海 侵地层④、⑤、⑦的海相性较强；海退时期在地层③、 ⑥、 ⑧形成硬塑的黏土硬壳层， 使苏州地区地层 100 m 深度内存在软弱层与持力层多次交替出现的特殊现 象，从图 1（b）的钻孔剪切波速图可以看出，剪切波 沿深度方向穿过海陆相交互沉积层时变化不大，穿过 硬壳层时出现大幅增大现象。 2 试样来源与试验方法 试验土样取自苏州南、北环快速路，轨道交通 1 号线及其东延线，轨道交通 2 号、3 号、4 号线及其支 线，阳澄湖、斜港大桥、火车站以及一些医院、写字 楼等工程场地，共计 311 个原状土样，其中 216 个土 样取自苏州轨道交通线网附近。 图 2 是 2020 年苏州交 通线网规划图，轨道交通线网部分钻孔位置由五角星 标出，取样范围基本涵盖苏州城区。 图 2 2020 年苏州市交通线网规划图 Fig. 2 Planning map of transit network in Suzhou City by 2020 试验工作在自行研制的 GZZ-1 型自振柱仪[21]上 进行，土样尺寸直径为 3.91 cm，高为 8.00 cm，固结 围压取竖向和水平向的有效平均固结应力。由于测试 仪器所限，固结围压不超过 500 kPa。 3 试验结果与分析 通过观察土样颜色、状态及有无含云母、贝壳或 铁锰结核等物质，对照钻孔土工柱状图及地质剖面图 中相应深度处地层信息，将苏州轨道交通沿线土样划 分为海相和陆相沉积两大类进行数据整理，钻孔点分 布如图 2 所示。对于通过直接观察能明显鉴别出海、 陆相沉积环境的 140 个土样，按土样深度及土的类型 对土样进行分类统计，如表 1 所示。可以看出，100 m 以浅地层中海相沉积的粉土、粉细砂土样较多，这与 海侵时期海水携带大量河、湖、海相砂粒土在地势平 坦地区发生分选、沉积有关。 表 1 土样分类统计表 Table 1 Classification of sample soils 土样深度/m 土的类型 沉积环境 030 30100 海相 3 7 黏土 陆相 5 10 海相 9 11 粉质黏土 陆相 13 14 海相 14 9 粉土 陆相 2 8 海相 6 18 粉细砂 陆相 6 5 文献[9，10，18]表明，采用公式（1） 、 （2）能较 好地拟合江苏地区新近沉积土的动剪切模量比 max /G G 562 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 3 海、陆相沉积土的 max /G G–γ和 D–γ关系曲线比较 Fig. 3 Comparison of max /G G–γand D–γ fitting curves between marine deposit and continental deposit 和阻尼比 D 与剪应变幅值γ之间的关系 2 0 max 2 0 / /1 1 / A B B G G γ γ γ γ ⎛⎞ −⎜ ⎟ ⎝⎠ ， 1 min0max 1/ n DDDG G−。 2 式中 A，B是与土性相关的试验参数； 0 γ为参考剪 应变； min D为土的基本阻尼比，与土的性质、固结状 态等因素有关； 0 D，n为阻尼比曲线的形状系数。 对表1中140个土样，按沉积环境、土的类型及 土样深度等影响因素，分别拟合给出 max /G G––γ和D ––γ关系曲线对比图。考虑工程敏感的土层深度、试 验仪器能施加的固结围压有效值范围，将土层分为 0～30 m和30～100 m两种深度讨论。图3为海相、 陆相沉积环境对各类土的 max /G G––γ和D––γ关系曲 线的影响对比图（不比较土样个数偏少土类） 。从 max /G G––γ和D––γ关系曲线的总体变化趋势而言， 土样深度0～30 m时，海相黏土的 max /G G––γ曲线低 于陆相黏土的曲线，而海相黏土的D––γ曲线高于陆 相黏土的曲线；土样深度30～100 m时，海相黏土的 max /G G––γ和D––γ曲线反而分别高于和低于陆相黏 土的曲线，这可能与海退时期形成的黏土硬壳层强度 较高有关；海、陆相粉质黏土 max /G G––γ和D––γ关 系曲线的差异较海、陆相黏土的差异要小，海相粉质 黏土的 max /G G––γ曲线略低于陆相粉质黏土的曲线， 且海、 陆相粉质黏土D––γ曲线更为相近。 对于粉土、 粉细砂，海、陆相沉积环境的 max /G G––γ关系曲线非 常接近，土样深度30～100 m海相粉土的 max /G G––γ 曲线略低于陆相粉土的曲线；土样深度0～30 m海、 陆相粉细砂的 max /G G––γ曲线几乎重合。总体看，在 自振柱试验仪所能给出的剪应变幅值有效数据范围 510 -6～410-4 内， 表现出海相土的 max /G G––γ关系曲 线略低于陆相土的趋势，但两者的差异不大，且海、 陆相土D––γ关系曲线的差异更小。 第 3 期 战吉艳，等. 苏州第四纪沉积土动剪切模量比和阻尼比试验研究 563 图 4 土层深度对海相沉积土 max /G G–γ和 D–γ曲线的影响 Fig. 4 Influence of soil depth on max /G G–γand D–γ fitting curves of marine deposit 土样深度对海、陆相沉积土的 max /G G––γ和D–– γ关系曲线的影响分别如图4，5所示。 从 max /G G––γ 和D––γ关系曲线总体变化趋势而言，除粉土外，土 样深度对海相土 max /G G––γ关系曲线的影响较为明 显，30～100 m土样的 max /G G––γ曲线明显高于0～ 30 m土样的曲线；30～100 m土样的海相黏土、粉质 黏土D––γ的关系曲线低于0～30 m土样的趋势比较 明显，但土样深度对海相粉土、粉细砂D––γ关系曲 线的变化趋势几乎没有影响。土样深度对陆相土 max /G G––γ关系曲线的影响，对粉细砂的最大、粉质 黏土的其次、 黏土的最小， 且30～100 m土样的 max /G G ––γ曲线高于0～30 m土样的曲线；对陆相土的D–– γ关系曲线，30～100 m粉细砂土样的D––γ曲线低 于0～30 m土样的曲线，但土样深度对陆相黏土、粉 质黏土D––γ关系曲线的影响甚微。 图 5 土层深度对陆相沉积土 max /G G–γ和 D–γ曲线的影响 Fig. 5 Influence of soil depth on max /G G–γand D–γ fitting curves of continental deposit 基于上述分析可知，对苏州第四纪沉积土而言， 海、陆相沉积环境对苏州第四纪各类土动剪切模量比 和阻尼比的影响程度有明显差异， 总体而言影响较小， 土样深度对第四纪土动剪切模量比和阻尼比的影响要 564 岩 土 工 程 学 报 2012 年 表 2 苏州第四纪沉积土 max /G G–γ和 D–γ经验关系的拟合参数 Table 2 Fitting parameters for max /G G–γ and D–γfitting curves of Suzhou quaternary sedimentary soils 拟合参数 土的类型 土样深度 /m 土样个数 A B 0 γ/10 -4 n min D 0 D 淤泥质土 0100 10 1.10 0.44 3.31 1.10 1.93 16.77 030 19 0.92 0.49 6.39 0.95 1.70 18.18 黏土 30100 41 1.07 0.45 5.48 1.00 1.82 16.51 030 45 0.97 0.51 4.84 1.04 1.80 16.94 粉质黏土 30100 56 1.05 0.46 4.37 1.01 1.46 17.36 030 25 1.10 0.46 3.48 0.96 1.50 15.85 粉土 30100 30 0.98 0.47 4.69 1.05 1.50 16.40 030 26 1.03 0.48 4.44 1.15 1.50 15.00 粉细砂 30100 42 1.05 0.45 5.14 1.20 1.20 14.91 中粗砂 0100 17 1.00 0.44 6.41 1.15 1.00 14.09 表 3 苏州第四纪沉积土 max /G G–γ和 D–γ平均关系曲线推荐值 Table 3 Recommended values for max /G G–γ and D–γ curves of Suzhou quaternary sedimentary soils 剪应变γ/10 -4 土的类型 土样深度 /m 参数 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 G/Gmax 0.983 0.968 0.867 0.774 0.440 0.297 0.092 0.052 淤泥质土 0100 D/ 2.10 2.27 3.54 4.82 9.77 12.00 15.28 15.92 G/Gmax 0.987 0.977 0.907 0.836 0.530 0.367 0.109 0.058 030 D/ 1.96 2.16 3.43 4.65 9.75 12.37 16.48 17.27 G/Gmax 0.989 0.979 0.911 0.842 0.545 0.388 0.128 0.073 黏土 30100 D/ 1.98 2.12 3.12 4.13 8.51 10.81 14.63 15.44 G/Gmax 0.989 0.979 0.903 0.824 0.482 0.315 0.082 0.042 030 D/ 1.94 2.07 3.13 4.28 9.45 12.01 15.64 16.27 G/Gmax 0.988 0.977 0.897 0.817 0.498 0.346 0.112 0.064 粉质黏土 30100 D/ 1.64 1.81 3.07 4.33 9.40 11.83 15.58 16.35 G/Gmax 0.989 0.978 0.893 0.805 0.463 0.309 0.091 0.050 030 D/ 1.68 1.87 3.17 4.46 9.38 11.55 14.59 15.16 G/Gmax 0.987 0.976 0.895 0.814 0.478 0.317 0.088 0.047 粉土 30100 D/ 1.65 1.80 2.90 4.06 9.04 11.48 15.03 15.68 G/Gmax 0.989 0.979 0.902 0.821 0.481 0.319 0.088 0.046 030 D/ 1.56 1.64 2.39 3.36 8.30 10.98 15.04 15.79 G/Gmax 0.989 0.978 0.906 0.833 0.524 0.366 0.115 0.064 粉细砂 30100 D/ 1.27 1.36 2.12 3.03 7.66 10.31 14.79 15.73 G/Gmax 0.986 0.975 0.904 0.837 0.555 0.404 0.141 0.082 中粗砂 0100 D/ 1.09 1.19 1.88 2.62 6.13 8.18 11.92 12.78 更大一些。考虑工程使用的方便性，忽略海侵对土体 动剪切模量比和阻尼比的影响，对全部试验的311个 原状土样，区分为淤泥质土、黏土、粉质黏土、粉土、 粉细砂和中粗砂，将第四纪各类土 max /G G––γ和D–– γ关系曲线的试验数据按土样深度0～30 m和30～ 100 m分别进行整理，各类第四纪土的 max /G G––γ和 D––γ经验关系曲线的拟合参数值列于表2，其平均 关系曲线推荐值列于表3。由于淤泥质土、中粗砂土 样个数偏少，且淤泥质土一般分布在较浅地层，中粗 砂一般分布在较深地层，因此，对淤泥质土、中粗砂 不再细分土样深度，其 max /G G––γ和D––γ关系曲线 的变化趋势如图6所示。 第 3 期 战吉艳，等. 苏州第四纪沉积土动剪切模量比和阻尼比试验研究 565 图 6 淤泥质土和中粗砂的 max /G G–γ和 D–γ关系曲线 Fig. 6 max /G G–γ and D–γ fitting curves of muddy soil and medium course sand 4 结 论 通过深入研究苏州第四纪土层受海侵影响的沉积 特点，考虑土体沉积环境、土样深度和土的类型等因 素，试验研究了苏州第四纪沉积土的动剪切模量比和 阻尼比特性，主要结论如下 （1） 海侵作用对各类苏州第四纪土的 max /G G––γ 和D––γ关系曲线的影响程度有明显差异，对黏土的 影响较明显， 对粉质黏土也有一定的影响， 但对粉土、 粉细砂的影响很小； 深度0～30 m海相黏土的 max /G G ––γ和D––γ关系曲线分别低于和高于陆相黏土的曲 线，深度30～100 m海相黏土的 max /G G––γ和D––γ 关系曲线分别高于和低于陆相黏土的曲线。 （2） 土层深度对各类苏州第四纪土 max /G G––γ和 D––γ关系曲线的影响程度有明显差异 对海相黏土、 粉质黏土及海、陆相粉细砂的 max /G G––γ关系曲线的 影响较为明显，对海相黏土、粉质黏土及陆相粉细砂 的D––γ关系曲线的影响也较为明显。 （3） 总体上， 土层深度对各类苏州第四纪土动剪 切模量比和阻尼比的影响要比海、陆相沉积环境差异 的影响更大一些，为便于工程应用，对黏土、粉质黏 土、 粉土、 粉细砂类土区分为土层深度0～30 m和30～ 100 m，以及对淤泥质土、中粗砂不区分土层深度， 给出了苏州第四纪各类土 max /G G––γ和D––γ经验关 系的拟合参数值及平均关系曲线推荐值。 参考文献 [1] 战吉艳, 陈国兴, 刘建达. 苏州城区深软场地土剪切波速 与土层深度的经验关系[J]. 世界地震工程, 2009, 252 11 – 17. 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