第３５卷第７期　　　　　　　　　　　哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报　　　　　　　
２０１４年７月　　　　　　　　　　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　　　　　　　　　　　Ｊｕｌ．２０１４　　　Ｖｏｌ．３５№．７
渤海海域软表层土的动力特性
荣棉水１，２，李小军２
（１．中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京１０００８５；２．中国地震局地球物理研究所，北京１０００８１）摘　要：为深入研究渤海海域软表层土的动力特性，在渤海海域多个钻孔钻探取样的基础上，研究了其软表层土的工程物理性质。利用振动三轴试验仪进行了一系列不排水动力试验，分析了渤海软表层土在动荷载作用下的动剪切模量比、阻尼比变化特征，并与陆域同等埋深软弱土进行了对比。利用Ｈａｒｄｉｎ?Ｄｒｎｅｖｉｃｈ模型、Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖ模型等开展了软土非线性动力本构关系研究。研究结果表明：在类似埋深条件下的陆域软弱土与海域软表层土动力特性有明显差异；Ｄａｖｉｄｅｎｋ?ｏｖ模型对陆域与海域软弱土动剪切模量比曲线的拟合效果优于Ｈａｒｄｉｎ?Ｄｒｎｅｖｉｃｈ模型。
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６?７０４３．２０１３０４０５３
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｏｉ／１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６?７０４３．２０１３０４０５３．ｈｔｍｌ
中图分类号：Ｐ３１５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６?７０４３（２０１４）０７?０８３３?０６关键词：海域软表层土；动力特性；动剪切模量比；阻尼比；Ｈａｒｄｉｎ?Ｄｒｎｅｖｉｃｈ模型；Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖ模型；本构关系
ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａａｒｅａ
ＲＯＮＧＭｉａｎｓｈｕｉ１，２，ＬＩＸｉａｏｊｕｎ２
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｒｕｓｔａｌＤｙｎａｍｉｃｓ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｒｕｓｔａｌＤｙｎａｍｉｃｓ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｓｅａａｒｅａｓ，ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐ?ｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓａｍｐｌｅｓｏｆｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａａｒｅａ．Ａｓｅｒｉｅｓｏｆｕｎｄｒａｉｎｅｄｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇａｄｙｎａｍｉｃｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔａｐｐａｒａｔｕｓ．ＴｈｅｃｈａｎｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｈｅａｒｍｏｄｕｌｕｓｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｒａｔｉｏｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｓｆｏｒｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａａｒｅａｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒ?ｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｏｆｔｓｏｉｌａｔｔｈｅｓａｍｅｂｕｒｉａｌｄｅｐｔｈｉｎｔｈｅｍａｉｎｌａｎｄ．ＴｈｅＨａｒｄｉｎ?ＤｒｎｅｖｉｃｈｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅＤａｖｉｄｅｎｋｏｖｍｏｄｅｌｅｔｃ．ｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｆｔｓｏｉｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｏｉｌｄｙ?ｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｅｘｉｓｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｏｆｔｓｏｉｌｏｎｌａｎｄａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａａｒｅａｕｎｄｅｒｓｉｍｉｌａｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｂｕｒｉａｌｄｅｐｔｈ．ＴｈｅＤａｖｉｄｅｎｋｏｖｍｏｄｅｌｃａｎｆｉｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｈｅａｒｍｏｄｕｌｕｓｒａｔｉｏｃｕｒｖｅｓｏｆｂｏｔｈｔｈｅｓｏｆｔｓｏｉｌｏｎｌａｎｄａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａａｒｅａｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅＨａｒｄｉｎ?Ｄｒｎｅｖｉｃｈｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｓｅａａｒｅａ；ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｄｙｎａｍｉｃｓｈｅａｒｍｏｄｕｌｕｓｒａｔｉｏ；ｄａｍｐｉｎｇｒａｔｉｏ；Ｈａｒｄｉｎ?Ｄｒｎｅｖｉｃｈｍｏｄｅｌ；Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖｍｏｄｅｌ；ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎ　　渤海海底蕴藏着丰富的石油、天然气矿产资源，其海域范围内海洋平台、跨海桥隧、港湾工程的不断
兴建，为进一步研究海域土体的动力特性提出了迫
收稿日期：２０１３?０４?１５．网络出版时间：２０１４?０５?１３１６：５０．
基金项目：国家自然科学基金重大研究计划资助项目（９１２１５３０１）；国
家自然科学基金青年资助项目（５１２０８４７４）；国家９７３计划
资助项目（２０１１ＣＢ０１３６０１）；中央公益型院所基本业务专
项基金资助项目（ＺＤＪ２０１４?０７）．
作者简介：荣棉水（１９８２?），男，高级工程师，博士研究生；
李小军（１９６５?），男，研究员，博士生导师．
通信作者：李小军，Ｅ?ｍａｉｌ：ｂｅｅｒｌｉ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ．切的要求。海域土体的动力特性与陆域土体有一定差别，主要原因是沉积环境、组成成分及天然固结状态等条件的不同，使得海洋土的物理性质及其工程特性与陆地土存在较大的差异。另外由于经受巨大自重、小波浪的长期作用和暴风巨浪、地震等非常环境荷载的瞬间作用，海床土体处于复杂的应力状态［１］。此外，相对于陆域土体，海域土体动力特性的研究开展得很少。渤海海域的海底软表层土强度很低，工程物理
·８３４·哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　第３５卷
性质极其特殊，为深入研究其动力特性并寻求适合的非线性动力本构关系，本文采用动三轴试验方法给出海域软土动剪切模量比、阻尼比随动剪应变的变化曲线，利用Ｈａｒｄｉｎ?Ｄｒｎｅｖｉｃｈ模型［２］、Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖ模型等［３?４］研究其本构关系，随后开展了海、陆域软土动力特性的对比分析，为涉及海域软表层土的工程问题提供重要的参考依据。
１．１　剪切波速试验
图２为剪切波速试验装置示意图。它由三
轴压力室、剪切波发射与接收传感器以及ＤＢ４型超声测量仪组成。其原理为依据试样的轴向长度、剪切波通过试样的时间确定试样的剪切波速。该剪切波速试验装置在海域工程中应用较为普遍，具体的波速测试步骤已有相关文献［５］进行了详细说明
１　剪切波速与应力控制振动三轴试验
研究渤海海域软表层土的动力特性需尽可能地
获取软表层土试样及其土动力学数据。作者整理了渤海海域６５个深钻，其钻探深度均超过了１００ｍ。共取样３５６组，其中在软表层取得非扰动原状土样的钻孔有３６个（如图１所示），获得表层软粉质粘土试样３６组，并由天津大学岩土工程研究所开展室内土工试验和土动力特性试验（包括剪切波速测定、应力控制振动三轴试验
图２　剪切波速试验装置示意图
Ｆｉｇ．２　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ
１．２　应力控制振动三轴试验
土的动剪切模量和阻尼比是土动力特性首
要的２个参数，是土层地震反应分析中必备的动力参数，也是场地地震安全性评价中必不可少的内容，特别是在重大工程中，应该实测这２个参数）［６］。本文采用ＨＸ?１００应力控制振动三轴仪来实测原状土样的动剪切模量比和阻尼比。试验过程主要参考《土工试验规程》撰文［８］做了详细介绍。
（ＳＬ２３７?０３２?１９９９）［７］，具体试验步骤笔者已另
图１　渤海海域钻孔示意图
Ｆｉｇ．１　ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａａｒｅａ
表１给出了部分土样的室内试验测定数据。
表１　海域土样土工试验数据
Ｔａｂｌｅ１　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｔｅｓｔｄａｔａｏｆｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓｉｎｓｅａａｒｅａｓ
钻孔序号１２３４５６７８１０９
钻孔名称ＪＺ９?３ＣＥＰ?ＢＨ１ＢＺ１９?４?ＷＨＰＡＢＺ１９?４?ＷＨＰＢＢＺ３４?１?ＷＨＰＣＮＢ３５?２?ＷＨＰＢＢＺ２６?３ＷＨＰＡＱＫ１８?１ＰＡＰＡＫＬ３?２ＣＥＰＡＢＺ３?２?ＢＨ１ＮＢ３５?２?ＣＥＰ
非常软到软的粉质粘土非常软的粉质粘土非常软的粉质粘土非常软的粉质粘土非常软的粉质粘土非常软的粉质粘土非常软的粉质粘土
埋深１．２０１．３０２．５０３．４５３．２５１．１５４．００１．１５５．５０３．５０
容重γ／１８．４３１８．２５１７．９１１９．２０１８．２２１８．４８１７．３４１８．５７１７．１１１８．１３
含水量Ｗ／％３９．４１４１．９９４３．６９３９．１５３６．４２４１．８３４１．００３３．４２５２．９３４２．８１
固结压力／剪波速／
ｋＰａ１０２０２０３０３０２０３０１０４０３０
（ｍ·ｓ－１）１２１．８１０６．６１２５．３１１０．５１０９．２１２３．６１１２．８１２２．５９７．６９２．９
ｈ／ｍ（ｋＮ·ｍ－３）
Ｇｍａｘ／２７８８２２１１５０１５７６１３０７３１２２７１８２２４８４２７０３５１８０３８２２２０１２７７８３ｋＰａ
非常软到软的粉质粘土非常软到软的粉质粘土
非常软到软的粉质粘土
７期　　　　　　　　　　　　　　荣棉水，等：渤海海域软表层土的动力特性·８３５·
　　图３给出了土样埋深以及剪切波速、最大动剪切模量分布示意图。图３表明３６组土样的埋深、剪切波速、动剪切模量离散性较强，三者无明显的分布规律。土样埋深位于海床下６ｍ以内，剪切波速大１５～４０ＭＰａ。根据测定的剪切波速，本文研究的海域表层土均属于软弱土，另据港工勘察规范和实测孔隙比、含水量、标贯锤击数等，除个别土样孔隙比大于１，含水量大于液限，塑性指数在１０～１７，可归为淤泥质土外，绝大部分土样含水率小于液限，不能归于淤泥质土范畴。为简便，将本文研究的渤海海域软表层粉质粘土简称海域软表层土
致分布在９０～１５０ｍ／ｓ，动剪切模量变化范围约为
土样制备、试验仪器等环节的不同而引起的结果偏差。表２给出了均值曲线的具体数值。当前，由于海域软弱土动力特性研究的缺失，工程实际中评价海域软弱场地对基岩地震动的影响时，常先验性地认为陆域、海域埋深条件类似、剪切波速差别不大时，可直接借用陆域软弱土的土动力特性参数
动剪切模量比随剪应变变化关系
图３　试样埋深及动力指标示意图
Ｆｉｇ．３　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｕｒｉａｌｄｅｐｔｈａｎｄｄｙｎａｍｉｃｉｎｄｅｘ
ｏｆｓａｍｐｌｅｓ
２　实验数据及海域、陆域对比分析
本文共获得３６组软表层土样的动力试验数据。
海域与陆域软弱土试样动三轴试验结果如图４。本试验利用ＨＸ?１００振动三轴仪采集数据，有效避免了
图４　海、陆域软弱土动力特性参数对比
Ｆｉｇ．４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂｅｔｗｅｅｎ
ｓｏｆｔｓｏｉｌｉｎｓｅａａｒｅａａｎｄｏｎｍａｉｎｌａｎｄ
（ｂ）阻尼比随剪应变变化关系
Ｔａｂｌｅ２　Ｇ／Ｇｍａｘａｎｄλｏｆｓｏｆｔｔｏｐｓｏｉｌｉｎｓｅａａｒｅａａｎｄｏｎｍａｉｎｌａｎｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔγ
参数Ｇ／Ｇｍａｘ
λλＧ／Ｇｍａｘ
γ×１０４
０．９９１８０．０４１８０．９９５４０．０１９００．０５
０．９８３４０．０４４５０．９８９８０．０２１００．１
０．８４８４０．０５７９０．９４６８０．０３４７０．５
０．７３４５０．０７０９０．８９８００．０５２１１
０．４０５００．１１７７０．６３５８０．１１５９５
０．２７６１０．１３７８０．４６５８０．１４７６１０
０．０９３００．１６８６０．１４８４０．１９８１５０
０．０５５８０．１７６２０．０８０１０．２０８０１００
表２　不同γ下的海域、陆域软表层土Ｇ／Ｇｍａｘ、λ
海域软表层土
陆域淤泥质
　　对于陆域软弱土，袁晓铭等曾利用共振柱自振试验方法给出国内常规土类动剪切模量比Ｇ／Ｇｍａｘ和阻尼比λ随动剪应变γ变化的推荐值［６］，这一结果１０ｍ以内的淤泥质土常作为陆域软弱土的一种代表值，由于其与本文研究的软表层土埋深条件类似，本目前已在国内工程界广泛使用，其给出的埋深在
文将其作为陆域软弱土土体动力特性的代表值与渤海软表层土进行比较分析。由图４可知，陆域淤泥质土推荐值的动剪切模量比Ｇ／Ｇｍａｘ大部分位于阴影区域上方，其值高于海域软表层土数据，二者阻尼比也存在较大差异，陆域淤泥质土推荐值的阻尼比变化范围大于海域软表层土，说明陆域与海域在大致
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