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小研近海岸海洋土的等效動剪切模量和等效阻尼分析

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1 引言
  全球的海運港口、海峽航運航道、海洋石油儲量和海上採油井都位於海岸海洋,對於海岸海洋的研究就越來越受到人們的重視。然而這些海洋工程建築物除受靜荷載作用之外,還會受到風,浪,地震等荷載的作用,分佈在近岸海洋土表層的土,如淤泥、粘土、粉質粘土、砂土和其下地基土,如殘積土、全風化花崗岩、強風化花崗岩等,土在動荷載作用下將會發生震動弱化,易使建築物發生滑移和沉降等變形。因此,在進行海洋工程建築物的地基設計計算中,應對地基進行動力穩定性分析,土的動剪切模量比和阻尼比是土動力穩定分析中兩個必不可少的重要參數。對於這兩個參數的選擇是否符合實際情況對計算結果的可靠性有重要影響,也直接關係到工程結構的安全性和經濟性。

小研近海岸海洋土的等效動剪切模量和等效阻尼分析

所以本文基於我國東部部分沿海地區(如唐山市唐海縣附近的曹妃甸,江蘇南通的如東,福建省沿海的寧德和福清,以及珠江三角洲地區的台山,陽江等)的實際工程資料,分析得出海岸海洋土的動剪切模量比和阻尼比隨剪應變幅值γ變化的平均曲線、包絡線及其參數的推薦值,供實際工程參考借鑑。

2 最大動剪切模量的確定等效
  線性粘-彈性模型(Hardin-Drnevich 模型)以線性粘-彈性理論爲基礎,同時考慮了土體的非線性性質,在地震工程中得到普遍應用。Gmax 爲最大動剪切模量,可用1/Gmax與動剪應變幅γ 在縱軸上的截距的倒數求得,這主要是基於動應力~應變關係符合雙曲線模型的假定。但是實際的試驗曲線往往不滿足這一假定,所以,本文確定最大動剪切模量Gmax 時,按實際的迴歸曲線上動剪應變幅爲10-6 對應的等效動剪切模量作爲最大動剪切模量Gmax。

3 土類的性質指標本文研究的土類
  爲我國東部沿海地區(唐山市唐海縣附近的曹妃甸,江蘇南通的如東,福建省沿海的寧德和福清,以及珠江三角洲地區的台山,陽江等)的淤泥,粘土,粉質粘土,砂土,殘積土,全風化花崗岩,強風化花崗岩等。

4 試驗資料統計
  4.1 動剪切模量比隨剪應變幅值γ變化曲線圖
  4.1.1 給出本文所研究的
  我們東部海岸地區土類的歸一化等效動剪切模量比隨剪應變幅值γ變化曲線。由圖可見,不論土類,還是區域的不同,土的應力-應變關係都顯示出非線性和滯後性的一般規律。一般而言,歸一化等效動剪切模量隨動剪應變幅的增大而衰減的程度,主要受圍壓的影響,即隨着圍壓的降低衰減加快。本文所研究的土類也有類似的結論。且可以看出,歸一化的等效動剪切模量隨動剪應變幅的變化也與區域有關。同一種土類在不同的區域其大小也是有差別的。透過比較,發現陽江地區的動模量值偏大,尤其是陽江地區的淤泥質土和寧德地區的淤泥質土的數值明顯高於其他地區及其他土類。但是總體而言,不同地區的海岸海洋土還是比較集中的分佈在一條窄條帶內,歸一化的等效動剪切模量相差不大。

按土類劃分,將不同地區的相同土類集中研究。
  4.1.2 各種土類歸一化等效
  動剪切模量與動剪應變的關係取值範圍。由圖像得到淤泥質土的值最大,在其他土類的上部。而砂土的範圍比較大,其包絡線包含了粉質粘土,淤泥,全風化花崗岩以及互層土。其中粉質粘土(與粘土相同)的上下包絡線緊靠砂土包絡線內側,而淤泥則比較集中靠近粉質粘土的上包絡線附近。全風化的包絡線與淤泥比較相近,交叉在淤泥的兩側。互層土的上包絡線在淤泥附近,下包絡線基本與砂土重合。殘積土的上包絡線與砂土上包絡線很近,而下包絡線則在淤泥的附近。不同土類的包絡線範圍也體現了相應土類的歸一化等效動剪切模量集中範圍。

將不同地區的土類(淤泥,淤泥質土,粉質粘土,粘土,粉土,砂土,粉質粘土互粉砂,殘積土,全風化花崗岩,強風化花崗岩)歸一化等效動剪切模量的平均線集中體現在。可以看出不同土類動模量值由大到小依次是:粉土,殘積土,全風化,淤泥質土,淤泥,砂土,粘土,粉質粘土,粉質粘土互粉砂。而當剪應變爲5*10-4 時,由高到低G/Gmax 比爲:1.13:1.11:1.1:1.1:1.07:1.07:1.04:1.03:1。具體數值見表2.

4.1.3 中所有海岸海洋土土類的平均線再做處理,建議了一般海岸海洋土類歸一化等效動剪切模量與動剪應變關係的平均線和包絡線取值範圍。

4.2 阻尼比隨剪應變幅值γ變化曲線圖
  4.2.1 給出本文所研究的我們
  東部海岸地區土類的等效阻尼比隨剪應變幅值γ變化曲線。相關研究表明[2],動剪切模量越高阻尼比就越低,等效阻尼比隨動剪應變幅的增大而增大,隨圍壓的增大而減小。本文研究結果也進一步證實上述結論。 比較發現等效阻尼比隨動剪應變幅的變化比歸一化的等效動剪切模量隨動剪應變幅的變化離散度大。隨着動剪應變幅的增大,阻尼比上升也越快,表明土類進入較強的非線性,應變滯後於應力的現象更明顯。