实验研究的动态剪切模量比和阻尼比的第四纪沉积在黄海近海区域的土壤

文摘

海洋和大陆沉积环境的影响,地质年龄的动态剪切模量比和阻尼比第四纪沉积土壤分析了黄海近海的用共振柱装置(美国生殖芽细胞肿瘤)。结果表明:(1)各种海洋土壤增加深度和显示了一个典型的线性关系。(2)海洋罪过有显著不同的影响的动态剪切模量比和剪切应变振幅曲线(即, 曲线)和阻尼比与剪应变振幅曲线(即, 曲线)的不同土壤类型在黄海的近海区域。海侵的影响强烈的粘土,粉砂质粘土温和,轻微的淤积。(3)地质年龄有显著的影响 曲线的测试海洋粉砂质粘土,海洋淤积,和大陆粉砂质粘土,但地质年龄的影响 曲线是最小的。拟合参数和推荐的经验方程 和 测试曲线为每种类型的土壤(粉质粘土、粘土和淤泥)得到反映沉积环境和地质年龄的影响。

1。介绍

21世纪被广泛认为是海洋的时代。所有的沿海国家都放置了一个更高的优先级海洋在国家发展的总体框架。中国有18000多公里的海岸线很长,因此,中国先后提出了海洋战略计划如皮带和道路和黄海经济圈。特别是,黄海及其沿海地区正在经历密集的大量的规划和建设的海上交通工程和海洋工程。黄海及其沿海地区位于华北地震区,地震地质构造复杂,经常受到地震活动,包括一个6级地震在1764年黄海,在黄海6.5级地震,1764年和1668年在郯城共远场8.5级地震。可能有晚更新世和全新世断层带故障,这在未来增加破坏性地震的可能性。黄海的海上区域包含一个厚的第四纪沉积序列,这是由柔软的土壤。这些土壤主要海洋平原主要由粘性土和饱和砂质土壤。强烈的地震发生在这个地区可能会导致一个重要的场地放大效应,导致软土的沉降或液化砂土在这些领域,构成严重威胁安全的主要工程结构和社会经济活动的性能。

动态剪切模量比的变化 和阻尼比对剪切应变振幅直接反映了非线性和滞后的特点,土壤动态载荷下的应力-应变关系。他们不仅是基本的动态参数来描述的非线性滞回本构模型也是必不可少的准确分析土壤层次的地震响应。

的 和土壤强烈区域因为土壤在不同地区可能来自不同的地质时代,存在于不同的沉积相,有不同的沉积成因(1- - - - - -6]。目前,大量的研究已经进行海洋土壤。例如,Koutsoftas和费舍尔探索超固结比的影响OCR的动态特性和两种海洋粘土通过共振柱和循环三轴试验(7]。梁等人提出了一种新的相关函数的计算方法和在三轴测试和调查 和曲线的饱和珊瑚砂从南沙群岛,南中国海,考虑有效围压和相对密度的影响8]。杨等人建立了经验方程 曲线的原状土壤长江口(9]。Morsy等人评估埃及钙质砂的动态特性的中小剪切压力(10]。吴等人研究了海洋粉沙的微小应变硬化(11]。Senetakis和Payan微小应变共振柱试验进行扭转和弯曲振动模式的量化两种类型的阻尼率(12]。一些测试的动态特性进行细粒度的土壤,特别是对于高塑性粘土[13]。根据现场和实验室测试,研究人员研究了土壤在卡塔尼亚的静态和动态特性14]。Głuchowski等人研究的实验室表征compacted-unsaturated粉沙。结果提出,压实过程引起了超固结状态依赖于含水率在压实的努力(15]。峰等人用共振柱试验评估围压的影响,混合比例,养护年龄和水泥含量的动态特性水下sand-silt混合物(16]。Khosravi等人开发了一种新的方法来扩展现有的微小应变剪切模量模型来确定沿着不同的路径不饱和粉土的土壤保水曲线包括扫描循环(17]。

然而,一些测试注意的影响,沉积环境和地质年龄对土壤的动态属性,特别是如果他们有重大影响的动态剪切模量比和阻尼比。此外,实验研究和沿海地区的土壤特点黄海尚未报道。

填补这一知识空缺,在这项研究中,动态剪切模量比和阻尼比的一个典型地区土壤黄海沿海地区由共振柱试验测试。沉积相及地质年龄的影响进行了详细的探讨。这项研究的结果提供了一个科学和理论基础来分析地震为主要工程网站站点的影响。

2。研究地区的工程地质条件

研究区位于黄海海岸附近,和该地区的大部分地区海拔不到5米,在沿海海洋的范畴。该地区第四纪沉积物逾200厚,经历了早更新世末以来五次海侵。形成的河流、湖泊和海洋沉积交替,广泛的滨海相,冲积相软粘土层和饱和砂层形成了。

根据地层顺序,土壤沉积构造的特点如下:(1)在全新世期间,深度的地层葬8-25米,主要由粘土的潮滩相,粘土层间的淤泥,淤泥和粘土层间的,灰色的粘土(2)更新世后期,深度的地层葬月16米,主要由灰色粘土和淤泥洪水相和灰色湖积物(3)在晚更新世早期,深度的地层葬28-42米,主要由潮滩相的灰色粘土,淤泥砂粘土夹层的,粘土砂、淤泥和灰色粘土supertidal带存款(4)中更新世末,地层葬40-55米深,7-20米厚。下半部分主要由洪水相和高潮公寓,和上部湖相组成(5)mid-Pleistocene初,地层埋深70 - 106米,25-60米厚。下部是由灰色粘土泻湖相,潮滩相,部分与灰绿色的细沙河床相和灰色淤泥三角洲相,上部是由潮坪相、浅海相灰色粘土和淤泥砂

土壤的沉积环境和地质时代的动态变形特性产生重大影响。土壤样本识别基于颜色和壳的存在,钙质结核,铁锰氧化物。的识别与井眼之间的比较日志和有关地质地图占土壤类别的分类,沉积相,和地质年龄的测试样本。分类,总结在表1表明,有19个粘性土样品浅层次,在水下100米。75%的淤泥样品主要是在更新世沉积,这是由于这一事实海侵的海水进行大量的土壤颗粒从河流、湖泊和海洋相到平面分离和沉降发生的地方。全新世淤泥砂样品主要是海相沉积。粉质粘土样品从海洋和大陆相主要是沉积在全新世和更新世。

3所示。土壤采样和测试

3.1。土壤采样

总数89原状土样本收集来自14个沿海地区的水井黄海利用原位土壤管方法。土壤样品的深度从0到100。如图1钻孔地点分布接近彼此,更详细地揭示土壤的动态特性。每个原状土样例标本制备成固体圆柱形状的直径50毫米和100毫米的高度。

3.2。共振柱试验

测试是使用tsh - 100进行高精度fixed-free共振柱装置(美国生殖芽细胞肿瘤)研究所的自然灾害防治的应急管理(图2)。转矩(或旋转)和细胞压力独立的控制装置。提供的整合压力气动伺服系统,和一个完全自动化的浮动扭转驱动器激发样品的顶部。

首先,土壤制成固体圆柱样品直径50毫米和100毫米的高度。各向同性进行了整合后的土壤标本安装到试验装置,用膜外面拍摄的。有效围压是根据土层的深度决定。整合的持续时间超过3个小时和12小时无黏性土和粘性土壤,分别。整合后,共振柱试验是由应用多级扫频激励的顶部标本后ASTM d4105 - 92测量剪切模量和阻尼比的剪切应变范围10⁶~ 10³。共振柱试验的方案,特别是指数样本的属性和相应的有效的围岩压力,表中列出1。

4所示。测试结果和分析

以来的沉积环境和地质时代土壤产生重大影响的动态剪切模量比和阻尼比、土壤样本观察来确定他们的颜色和他们是否含有贝壳、钙质结核和/或铁锰氧化物。进行了观察与比较分析钻孔的日志和有关地质地图为了分类根据土壤样本土壤属性、沉积相、地质时代。结果(表2)透露,有很多粘质土壤浅层100米内的表面,而淤泥样品主要是在更新世沉积,这是由于这一事实海侵的海水进行大量的砾石土壤从河流、湖泊和海洋相到平面分离和沉降发生的领域。相比之下,粉质粘土样品从海洋和大陆相主要是沉积在全新世和更新世。全新世粘土样品主要是海相沉积。

图3显示了典型的共振柱试验的结果。样品在不同激励频率下的应变振幅图所示3(a),样品的共振频率f1在相应的激励下的最大负载。在共振频率时,样品的应变随时间的变化如图3(b)。在自由振动下,样品的应变随时间的变化如图3(c)。

4.1。的变化随深度

作为一个重要的参数评估土壤的动态特性和描述土壤的最大弹性刚度、最大动态剪切模量通常定义为当 。根据双曲土壤动态模量和动应变之间的关系在小哈丁提出的振动和Drnevich [18)之间的线性关系 和可以获得的 。然后,双曲模型( )之间的 和剪切应变可以用来获得最大动剪切模量土壤的海洋。

tsh - 100共振柱试验系统由生殖芽细胞肿瘤公司可以测量动态剪切模量土壤的范围 。方程(1)可以用来获得海洋土壤在不同深度范围从15到140 MPa。

图4显示了值的各种海洋土壤及其随深度变化。可以看出各种海洋土壤增加深度和显示了一个典型的线性关系。预测之间的关系和深度可以表示为 。的代表样本的深度,它的单位是米。

4.2。沉积环境的影响 和 曲线

采用参数Martin-Davidenkov模型研究动态剪切模量比的变化特征 对剪切应变振幅测试的土壤,因为它已被证明适合实验数据对江苏省土壤样本,中国5]。模型表示为

在这里, , ,和最佳拟合参数。特别是,在的情况下 和 ,Martin-Davidenkov模型简化H-D双曲模型(19),表示参考剪切应变和等于时剪切应变值 (20.]。

阻尼比与剪应变振幅( )每个测试样本曲线拟合和分析使用以下经验公式(3Chen等人提出的)。5]:

在这里,是一个土样的基本阻尼比在一个很小的压力,这是与土壤属性和整合状态。和的形状系数吗曲线。

图5说明了海洋和大陆沉积环境的影响 和 曲线的各种类型的土壤。全新世粉砂质粘土, 曲线的海洋粉砂质粘土是略低于大陆粉砂质粘土,而曲线的海洋粉砂质粘土是高于大陆粉砂质粘土。这主要归因于这样一个事实:海洋粉砂质粘土是由泥粉质粘土在全新世沉积,因此,他们表现出较强的非线性。更新世黏土, 曲线的海洋粘土是高于大陆黏土,而曲线的海洋粘土是低于大陆粘土,这可能是由于地壳的高强度粘土在海侵形成。海洋和大陆之间的差异的粉砂质粘土 和 曲线之间的差异小于海洋和大陆粘土。的 曲线的海洋粉砂质粘土是略低于大陆粉砂质粘土,而海洋和大陆粉砂质粘土相似曲线。更新世淤泥砂,海洋 和 曲线类似于大陆 和 曲线。一般来说,工作范围内的剪切应变(10⁶~ 10³共振柱设备), 曲线的海洋土壤是略高于大陆的土壤,和之间的差异 曲线的两种类型的土壤更小。

4.3。地质时代的影响 曲线和 曲线

由于采样站点的数量有限,更新世土壤没有进一步分为不同的更新世阶段。的 和 曲线的各种土壤类型比较考虑到两个地质年龄类别:更新世和全新世(图6)。结果表明,在一般情况下,地质时代的强烈影响 和 曲线的海洋土(粉砂粘土和淤泥砂)。的 曲线的更新世海洋土壤是高于海洋土壤而全新世曲线的更新世海洋土壤低于全新世海洋土壤。大陆沉积地质年龄有一个明确的影响 曲线的大陆淤泥粘土。的 曲线的更新世淤泥土明显高于大陆全新世大陆淤泥粘土。然而,地质年龄的影响 曲线很弱。总的来说,地质年龄影响不大 曲线的土壤比大陆海洋土壤。

正如之前所讨论的,土壤形成于第四纪海洋沉积环境在黄海近海明显不同的动态剪切模量比和阻尼比那些大陆形成于第四纪沉积环境。地质年龄的影响 类似于它的影响 ,而影响 是略大于 。为便于应用在实际工程中,拟合参数 曲线和 曲线得到的每种类型分类(表样本3)。粉质粘土和淤泥沉积时代新,小的价值和更大的价值 。平均 和值在不同的剪切应变水平由表中给出的推荐参数计算4。

5。结论

第四纪沉积特征的土壤中形成的过犯黄海近海地区。动态剪切模量比和阻尼比测试的土壤样本中考虑沉积环境的影响,地质年龄、和土壤类型。主要结论如下。(1)的各种海洋土壤增加深度和显示了一个典型的线性关系(2)的海侵的影响 和 曲线的近海地区的第四纪土,黄海是十分重要的。粘土的影响强烈,温和的粉砂质粘土,在泥浆和次要的。的 和 曲线的更新世海洋粘土更高和更低的比大陆的粘土,分别,这可能是由于地壳的高强度粘土在海侵形成(3)的地质年龄的影响 和 曲线的第四纪土黄海近海地区的土壤类型有显著差异。海洋上的影响是强烈的粉质粘土、海洋淤积,大陆粉砂质粘土(4)与沉积环境相比,地质时代通常有更大的影响 和 曲线的各种类型的第四纪黄海近海地区的土壤。的拟合参数 和 曲线得到每个土壤类型在不同沉积环境和地质时代。此外,每种类型的土壤的平均曲线是建议在实际工程中的应用

数据可用性

从实验产生的数据,可以提供相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然灾害研究所的研究资助,中国应急管理(没有。ZDJ2018-11)和中国国家重点研发项目(2017 yfc1500403)。

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