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地震側脹儀(SDMT)在各類土中的應用經驗
發布時間:2012-05-27 瀏覽次數:2599 來源:歐美大地

地震側脹儀(SDMT)在各類土中的應用經驗

Marchetti 博士
 意大利羅馬Marchetti專家研究組
S. Marchetti, P. Monaco & G. Totani
意大利L'Aquila大學
 
 
摘要:地震側脹儀(SDMT)是由標準的平板側脹儀和測量剪切波速VS的地震測試模塊組成。文章概述了通過多年來大量SDMT不同地方測試的經驗并說明SDMT的應用能讓我們學到什么,特別是文中綜合描述了SDMT儀器及其操作流程,SDMT和其他方法測量得出的剪切波速VS 之間的比較,SDMT重要數據的選擇和相關說明。文章同時例舉了SDMT的最新應用和研究課題,主要集中在導出原位應力和土剛度衰減曲線的方法和基于SDMT結果的沙土液化阻抗系數預估。
 
1 緒論 

地震側脹儀 (SDMT)結合了傳統側脹儀DMT (Marchetti 1980)的特征與地震剪切波速 VS.的測量功能。最初設計用于研究,逐步發展成為原位測試市場的主要產品。SDMT產生和發展的最初動機源于以下幾點: 
 
- 增加需要VS為基本和多用參數輸出的地震分析,例如:專業地震修正最近引進到意大利,根據歐洲標準編號 8,必須指明國家所有地震區域建筑物基礎最上面30米的剪切波速I VS 。
- 隨著研究和設計人員的認識總結,了解到勘察中小應變情況下土體反映和應變剛度非線性的重要性
- 增加土液化阻抗的分析.
將常規的DMT數據結果(比如 . 約束模量 MDMT)應用于現代設計中 (例如. 沉降計算, 這可能是 DMT的主要作用).。
 
文章展示了2004-2007年30多個地方利用 SDMT勘察所得到的數據結果,包括SDMT測量和其他方法得出的 地震剪切波速VS 的比較。文章還指出了SDMT的主要研究課題和應用方向。
 
獲取非地震的傳統DMT資料可以查找其他文獻,關于DMT儀器,測試步驟,結果分析,設計應用等的通用說明清參見ISSMGE 技術委員會 TC16 (2001)的全面報道
 
 
2  地震側脹儀(SDMT)
 
地震側脹儀器 (SDMT)綜合了傳統標準側脹儀DMT (Marchetti 1980)與地震剪切波速VS.的測量功能。
 
測試同地震鉆孔觸探SCPT概念上基本相同。最初由Hepton 1988年引進,接著 SDMT 的技術在Georgia Tech, Atlanta, USA (Martin & Mayne 1997, 1998, Mayne et al. 1999).得到發展,最新的 SDMT系統(圖1-2)產生于意大利 。其中地震模塊為DMT blade鏟身上方的圓柱器件,配備了間距為 0.5米的兩個接收器。信號根據深度可以放大并數字化。 在捶擊時判定“零時刻”可以避免兩個接收器之間的時間間隔誤差,有時可以通過觀察單個接收器的失真間隔信號來了解“零時刻”,另外,兩個接收器為一組的地震測試模塊在測試深度記錄的應該是同一捶擊產生的信號,而不是后續其他捶擊產生的,所以不需要分辨捶擊情況。這樣地震剪切波速VS 測試的重復性也大大提高(VS 測試重復性約等于1%)。 VS 
 
                                                         
 DMT扁鏟和地震模塊                              地震側脹儀圖解說明
圖1
 
 

圖 2. 地震側脹儀圖片
 
 

圖 3. 地面剪切波震源
 
VS是通過震源與兩個接收器之間距離(圖1b)的差值和振動到第一和第二個接收器的脈沖延遲(?t)得出 (圖1b) 。 VS 測量為每0.5米深度測試一次,剪切震源為一個擺動錘(大約10KG)水平捶擊豎立在地面中的長方鋼塊。由于長方鋼塊與扁鏟軸線是平行的,所以產生的剪切波精確度高。
 
圖4 顯示的是通過地震側脹儀在FUCINO地區不同測試深度下得到的地震數據范例。SDMT地震側脹儀的延時通常都設定了,即使在一些地方地震模塊不夠規范。 (圖5 中示范例子? Avez-zano).
 
表 1 顯示SDMT 測試 VS 的重復性情況(Zelazny Most tailing dam, Poland)。圖中選定測試深度的每個 VS 值都是不同捶擊產生的。至今VS 的重復性仍然是一個奇跡。
 
 

圖 4. Fucino (意大利)場地不同深度SDMT測試地震波圖的數據示例。 ? 根據計算延遲記錄并轉換相位。
 
 

圖5. 示例: 正確辨識墻體或障礙等反射產生的不正規震波圖的延時情況 (Avezzano ? Castello Orsini,意大利)
 
Table 1. SDMT測量的VS 重復性示例(Zelazny Most tailing dam, 波蘭)

 

圖 6. Fucino (意大利)場地利用SDMT 得出的剖面圖
 
 
 
圖7. 比較 在英國Bothkennar試驗場地通過SDMT, SCPT 地震入射/折射試驗得出的VS 剖面圖 (Hepton 1988)
 
 
圖 8. 比較在Treporti (Venice), Italy (McGillivray & Mayne 2004)試驗場地通過SDMT, SCPTU得出的 VS 剖面圖。
圖9. 比較在意大利Fucino試驗場地通過SDMT, SCPT,跨孔和SASW表面波系統(AGI 1991)得出的 VS 剖面圖 。
 

圖10. 比較在Zelazny Most tailing dam site, 波蘭 (M?yna-rek et al. 2006)場地通過SDMT, SCPTU得出的 VS 圖轉換的G0 剖面圖
 
 
圖 6 (Fucino) 試驗場地 SDMT 標準圖形輸出格式示范。該輸出顯示了VS和其他四個基本DMT 參數的深度剖面圖 ? 材料索引參數 ID (土分類), 約束模量 M, 不排水剪切強度 cu 和水平應力值 KD (與OCR相關) ? 通過常規 DMT相關性得出。
 
 
3 比較通過SDMT與其他方法得出的 VS 

SDMT得出的VS 已經通過不同場地與其他方法的測量VS 值比較而獲得認可。最初的比較試驗是Hepton (1988)開始的,從而發現了利用SDMT, SCPT 和地震入射/折射方法測試出名的Bothkennar (UK)試驗場地粘土得出VS 非常好的一致性。
  

圖 11. SDMT推導G-? 曲線的假定方法
 
 
圖 8 顯示了2002年Georgia Tech 研究員(McGillivray & Mayne 2004) 在Treporti, Venice (意大利)試驗場地通過SDMT (true-interval and pseudo-interval) 和地震孔隙壓力觸探儀SCPTU得出的 VS 剖面圖的一致性。
 
地震側脹儀在80年代末期得到了大量推廣,在2004年應用于意大利Fucino 場地。由于在前期的大量實踐中證明,SDMT得出的VS 剖面圖(圖 9)同SCPC,跨孔,SASW表面波等技術得出的VS 剖面圖(AGI 1991)具有比較好的一致性。 圖10 (M?ynarek et al. 2006) 比較在Zelazny Most tailing dam site, 波蘭 (M?ynarek et al. 2006)場地通過SDMT, SCPTU得出的 VS 圖轉換的G0 剖面圖,同樣也顯示了非常好的一致性。

 
4 通過SDMT得出的原位 G-γ 曲線 

SDMT的一大重要特色是在微應變模量 (VS 引出G0)和工作應變模量中的正確判定。通過一些沉降量的實例DMT-預估, 約束模量 MDMT 可以當作合適的 工作應變模量 (例如. 此模量引入線性彈性公式, 通常能提供工作壓力下沉降量可靠的評估)
 
當前正在進行的研究想利用SDMT推導出應力情況下土剛度的原位衰減曲線(G-γ曲線或近似曲線)。該曲線可初步假定由"參考標準形態" 通過兩點的實驗室曲線 (圖. 11) 組成, 這兩點都是通過SDMT測得: (1) 通過 VS得出的初始模量 Gο, 和 (2) 相關MDMT 的工作應變模量。這兩點的定位必須知道, 最少也要有大致定位, 同時剪切應變與 MDMT相關。通過研究,2001年Mayne 將DMT模量定在G-γ曲線的(γ≈ 0.05-0.1 %) 應變范圍。類似,2001 年Ishihara歸類DMT和其他方法測量的土體變形相關特征在(0.01-1 %)應變范圍內。 綜合上述, 隨著原位研究的深入,將有可能通過SDMT推導出現場(原位) G-γ曲線。 
 
5 Gο /ED  

至今已經產生了一些Gο 和側脹模量ED 相關性說法(例如. Hryciw 1990 和其他很多研究人員)。  這些相關性 Gο -ED 通常都定位由ED 推導出Gο 。 這樣重要性并不大,自從發明SDMT 則ED 和 VS (hence Gο )可以同時測得。因此Gο -ED的相關性研究-  一部分被取代為 Gο -MDMT 相關性研究。實際上, 當Gο  ED 與 OCR不相關時, MDMT 反而可以通過相關系數KD 影響到OCR。因此相對于 Gο -ED 相關性,我們更期待 Gο -MDMT 的相關性。 
 
如今,隨著SDMT對土剛度的測量,研究的焦點集中在隨時判定微應變模量Gο 和工作應變模量 M。工作應變模量M 可用于沉降預估,Gο /M 比率可用于應變情況下土剛度衰減的評估。例如, Barcelona機場試驗(見后面圖19)SDMT 數據結果明顯反映了上層和下層土體模量衰減比的巨大區別。盡管這樣, 當前研究仍然關注Gο /ED 比率的可能用途 -通常利用 SDMT在不同深度測試得到-  這代表著傳統的獨立信息。
 
接下來講敘的是當前比較先進的技術。
 
圖 12 顯示不同材料參數ID (土類型)和水平應力參數KD 下,Gο /ED的不同。 
 
 
圖 12. 不同范圍的 KD (OCR)情況下Gο /Evs. ID (土類型) 
 

圖 13. 各種土類型
Gο /ED vs. KD (OCR) 的比值
 
 
(OCR). 圖 12 顯示粘土中 Gο /ED 數據點非常離散,但是沙土Gο /ED 比值都近似于2-3, 比粘土低,同時與KD (OCR)相獨立。類似圖 13, 同樣顯示各種土類中不同Gο /ED 與KD 的作用。說明Gο /E 比值在沙土中不受OCR影響,而在黏土中Gο /ED下降時OCR增加。

 
6 SDMT應用于液化

SDMT 常規提供的數據中, 包括KD  和 VS 的剖面圖- 都與沙土液化阻抗有關. 因此 SDMT 可以通過兩個平行的獨立數據來估計液化阻抗CRR, 其中一個來自 KD ,另一個來自 VS, 利用CRR-KD  和CRR-VS關系 –CRR 是循環阻抗率,是Seed & Idriss (1971)簡化程序的一個基本輸出/入參數。
 
利用VS來估測 CRR方法眾所周知。常用廣泛的是由Andrus & Stokoe (2000)提出的CRR-VS 關系 (Fig. 14) ,后來得到Andrus et al. (2004)修正完善。 CRR 可以通過如下步驟獲得: VS1VS (pa /σ'vο) 0.25, 剪切波速用于修正過載壓力σ'v0 (pa = 大氣壓力). 圖 14中的CRR-VS1  曲線是在 Mw = 7.5 的地震等級 (不同等級有不同等級比例)。
 
CRR-KD的相關性在過去20年得到了很大發展,了解到KD 的敏感度同已知的增加液化阻抗的一些因素如應力歷史,黏結情況,結構和關系KD密度和位置參數有關。
 
CRR-KD (Monaco & Schmertmann 2007, Monaco & Marchetti 2007)的一個關鍵要素是KD 能反映沙土的老化情況,而老化情況對液化有很大影響(這點2006年Leon et al曾提出)。
 
圖15 概要了由KD 估測CRR 的許多關系 (等級 M = 7.5 ,單純的沙土) –根據 "簡化程序" – 包括最新的 CRR-KD 關系 (Monaco et al. 2005),都建立在以前的試驗數據上。
 
比較利用SDMT在各種地方的沙土測量的KD和 VS 能發現在KDVS 提供的推導方法中,評估的CRR的值完全不同。(通常認為由VS得出的 CRR "更可靠")。這個發現產生了"哪個 CRR 更可信"的問題,這點我們將在下章討論說明。
 
7 SDMT 在各個測試場所的結果

這章將展示許多“備受爭議的例子”,其中都是SDMT在各個測試場所的結果。
 

圖 14.利用 VS估測純黏結土 CRR 的曲線 (Andrus & Stokoe 2000)
 
 
圖 15.通過KD 評估CRR 曲線(Monaco et al. 2005)
 
圖 16. SDMT 剖面圖Catania – San Giuseppe La Rena (意大利)
 

圖 17. SDMT剖面圖 Cassino (意大利)
 
 
– 沙土中OCRKD外形
"外殼狀" KD剖面圖, 非常類似與黏土發現的OC干燥土典型 KD 剖面圖 ,這些干燥土都是發現于沙土沉積的頂層。 各種顯示 (Maugeri & Monaco 2006) 指向 沙土中"KD crusts"反映應力歷史(OCR, 黏結, 老化 和/或其他作用),而不是相對密度。見下圖16(Catania),可見許多情況下,淺薄的“應力歷史層”在KD 剖面圖很明顯,但是在VS 剖面圖卻基本看不到。這說明VS 對液化的關系相對小多了。
 
– Role of the粒子連結
圖17中的SDMT剖面圖顯示了相對高的VS 值和非常小的KD 值和模量M. 可能的解釋如下: the shear wave travels fast thanks to the 粒子中的連結導致剪切撥傳播速度很快(最典型的是這塊區域的火山沙土,在小應變情況下保存的很好). 對比 KD 算 "低了" 因為它反映的是不同的材料,起碼有些粒子連接由于DMT的貫入而受到破壞。正如 Andrus & Stokoe (2000)所說, 微弱的離子連結能夠增大 VS (微應變下測量), 當不必要增加液化阻抗力時,中間將產生很高應變的現象。 (在KD 的測試范圍). 因此, for liquefiability, 用KD 預測液化在大地震時更為可行。 很小地震, 可能根本就沒有破壞粒子連結, 由 VS 預計CRR 在這些案例中可能合適。
 
–VS1和KD "無液化"值的限制
曲線 CRR-Vs1 (圖 14) 和 CRR-KD (圖 15) 的漸進線證實了VS1 和KD 的有限性。因此液化發生可以定義在任何地震等級上。在Zelazny Most (圖. 18)試驗場址, 當Vs1 > 215 m/s 表明 "無液化" ,即使地震強度再大, 而當 KD ≈ 1.5-2 顯示液化發生,只要一定的地震應力登記 (高循環應力比 CSR)。
 
Go  / MDMT 比值的效用
圖 19 (Barcelona) 顯示, 當模量 MDMT 在深度約等于12 m顯示一個突然的下降,這表面從上面一個較硬土層進入到下面一個較軟土層,而VS 只顯示一個很小的下降. 因此從VS 得到的Go 與工作應力下模量MDMT 完全不成比例。 這項發現直接質疑在工作應力模量下導出的"當前試驗規則"的合理性。
 
圖18. SDMT剖面圖  Zelazny Most tailing dam, 波蘭
 
圖19. SDMT剖面圖Barcelona – El Prat Airport (西班牙)
 
 
 
 
圖20. Details of offshore SDMT investigations and test profiles at the site of Vado Ligure (Savona), Italy
 
 
– 為沉降評估引入了線性彈性公式t – 通過減低微應變模量到一個固定的比例 (例如減低 50 %, Simpson 1999).
 
– 海上 SDMT應用
SMDT 同樣可以運行于海上進行勘察, 要求剪切波源在海底,測試結果同陸地上質量差不多。 (見圖. 20, Vado Ligure).
 
– SDMT應用于回填鉆孔
如果土壤太硬難以貫入 (或者在是在巖層中), SDMT 可以在利用沙土回填的鉆孔中進行試驗。 (只測量VS, 不包括DMT 其他測量). 同一地方,天然土中和回填鉆孔(圖. 21)中通過兩組平行的SDMT接受器可以看到一致性非常好的VS剖面圖, 證明了這種方法的可靠性和實用性。
(圖21). 比較天然土中和回填鉆孔中通過兩組平行的SDMT接受器可以看到VS剖面圖(實驗地點:Montescaglioso – Ginosa (Matera), 意大利)

8 結論

地震側脹儀 (SDMT)提供了精確,高重復性的剪切波速測試VS – 剪切波速是地質分析中最基本的要素。除了VS,SDMT還能完成所有常規DMT的測試 (例如. 約束模量 MDMT) 以滿足現代勘察應用。
 
到現在積累的經驗表面SDMT勘察可以提供很好的結果并適應很多特殊環境。如海面上或不可貫入土層(只能測量回填鉆孔中剪切波速)。
 
當前正在研究 利用SDMT導出應變等級下原位土剛度衰減曲線。這樣要求在"參考 G-? 曲線"中SDMT不用應力等級下提供的兩點間填充數據。這兩點分別是相關與MDMT.的微應變模量G0 (由 VS求得)和工作壓力模量。
 
SDMT 允許用戶通過VS –CRR關系(圖. 14)和KD (水平應力因子)-CRR關系(圖. 15)等兩種相互獨立平行的方法評估液化阻抗CRR,這是Seed & Idriss (1971)簡化步驟的框架。前期的研究已經指明了兩中方法將提供完全不同的CRR值。原理上,作者支持由KD (水平應力因子)-CRR關系導出的CRR值 ,原因很多-因為所有參數中KD 與應力歷史和老化情況間靈敏度高,而這些因素能大大增加液化阻抗。當然上敘觀點還需要大量研究和試驗來證明,這都需要生命的投入和奉獻。
 
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