地震侧胀仪(SDMT)在各类土中的应用经验
发布时间:2012-05-27

地震侧胀仪(SDMT)在各类土中的应用经验

Marchetti 博士
 意大利罗马Marchetti专家研究组
S. Marchetti, P. Monaco & G. Totani
意大利L'Aquila大学
 
 
摘要:地震侧胀仪(SDMT)是由标准的平板侧胀仪和测量剪切波速VS的地震测试模块组成。文章概述了通过多年来大量SDMT不同地方测试的经验并说明SDMT的应用能让我们学到什么,特别是文中综合描述了SDMT仪器及其操作流程,SDMT和其他方法测量得出的剪切波速VS 之间的比较,SDMT重要数据的选择和相关说明。文章同时例举了SDMT的最新应用和研究课题,主要集中在导出原位应力和土刚度衰减曲线的方法和基于SDMT结果的沙土液化阻抗系数预估。
 
1 绪论 

地震侧胀仪 (SDMT)结合了传统侧胀仪DMT (Marchetti 1980)的特征与地震剪切波速 VS.的测量功能。最初设计用于研究,逐步发展成为原位测试市场的主要产品。SDMT产生和发展的最初动机源于以下几点: 
 
- 增加需要VS为基本和多用参数输出的地震分析,例如:专业地震修正最近引进到意大利,根据欧洲标准编号 8,必须指明国家所有地震区域建筑物基础最上面30米的剪切波速I VS 。
- 随着研究和设计人员的认识总结,了解到勘察中小应变情况下土体反映和应变刚度非线性的重要性
- 增加土液化阻抗的分析.
将常规的DMT数据结果(比如 . 约束模量 MDMT)应用于现代设计中 (例如. 沉降计算, 这可能是 DMT的主要作用).。
 
文章展示了2004-2007年30多个地方利用 SDMT勘察所得到的数据结果,包括SDMT测量和其他方法得出的 地震剪切波速VS 的比较。文章还指出了SDMT的主要研究课题和应用方向。
 
获取非地震的传统DMT资料可以查找其他文献,关于DMT仪器,测试步骤,结果分析,设计应用等的通用说明清参见ISSMGE 技术委员会 TC16 (2001)的全面报道
 
 
2  地震侧胀仪(SDMT)
 
地震侧胀仪器 (SDMT)综合了传统标准侧胀仪DMT (Marchetti 1980)与地震剪切波速VS.的测量功能。
 
测试同地震钻孔触探SCPT概念上基本相同。最初由Hepton 1988年引进,接着 SDMT 的技术在Georgia Tech, Atlanta, USA (Martin & Mayne 1997, 1998, Mayne et al. 1999).得到发展,最新的 SDMT系统(图1-2)产生于意大利 。其中地震模块为DMT blade铲身上方的圆柱器件,配备了间距为 0.5米的两个接收器。信号根据深度可以放大并数字化。 在捶击时判定“零时刻”可以避免两个接收器之间的时间间隔误差,有时可以通过观察单个接收器的失真间隔信号来了解“零时刻”,另外,两个接收器为一组的地震测试模块在测试深度记录的应该是同一捶击产生的信号,而不是后续其他捶击产生的,所以不需要分辨捶击情况。这样地震剪切波速VS 测试的重复性也大大提高(VS 测试重复性约等于1%)。 VS 
 
                                                         
 DMT扁铲和地震模块                              地震侧胀仪图解说明
图1
 
 

图 2. 地震侧胀仪图片
 
 

图 3. 地面剪切波震源
 
VS是通过震源与两个接收器之间距离(图1b)的差值和振动到第一和第二个接收器的脉冲延迟(t)得出 (图1b) 。 VS 测量为每0.5米深度测试一次,剪切震源为一个摆动锤(大约10KG)水平捶击竖立在地面中的长方钢块。由于长方钢块与扁铲轴线是平行的,所以产生的剪切波精确度最高。
 
图4 显示的是通过地震侧胀仪在FUCINO地区不同测试深度下得到的地震数据范例。SDMT地震侧胀仪的延时通常都设定了,即使在一些地方地震模块不够规范。 (图5 中示范例子 Avez-zano).
 
表 1 显示SDMT 测试 VS 的重复性情况(Zelazny Most tailing dam, Poland)。图中选定测试深度的每个 VS 值都是不同捶击产生的。至今VS 的重复性仍然是一个奇迹。
 
 

图 4. Fucino (意大利)场地不同深度SDMT测试地震波图的数据示例。 根据计算延迟记录并转换相位。
 
 

图5. 示例: 正确辨识墙体或障碍等反射产生的不正规震波图的延时情况 (Avezzano Castello Orsini,意大利)
 
Table 1. SDMT测量的VS 重复性示例(Zelazny Most tailing dam, 波兰)

 

图 6. Fucino (意大利)场地利用SDMT 得出的剖面图
 
 
 
图7. 比较 在英国Bothkennar试验场地通过SDMT, SCPT 地震入射/折射试验得出的VS 剖面图 (Hepton 1988)
 
 
图 8. 比较在Treporti (Venice), Italy (McGillivray & Mayne 2004)试验场地通过SDMT, SCPTU得出的 VS 剖面图。
图9. 比较在意大利Fucino试验场地通过SDMT, SCPT,跨孔和SASW表面波系统(AGI 1991)得出的 VS 剖面图 。
 

图10. 比较在Zelazny Most tailing dam site, 波兰 (Myna-rek et al. 2006)场地通过SDMT, SCPTU得出的 VS 图转换的G0 剖面图
 
 
图 6 (Fucino) 试验场地 SDMT 标准图形输出格式示范。该输出显示了VS和其他四个基本DMT 参数的深度剖面图 材料索引参数 ID (土分类), 约束模量 M, 不排水剪切强度 cu 和水平应力值 KD (与OCR相关) 通过常规 DMT相关性得出。
 
 
3 比较通过SDMT与其他方法得出的 VS 

SDMT得出的VS 已经通过不同场地与其他方法的测量VS 值比较而获得认可。最初的比较试验是Hepton (1988)开始的,从而发现了利用SDMT, SCPT 和地震入射/折射方法测试出名的Bothkennar (UK)试验场地粘土得出VS 非常好的一致性。
  

图 11. SDMT推导G- 曲线的假定方法
 
 
图 8 显示了2002年Georgia Tech 研究员(McGillivray & Mayne 2004) 在Treporti, Venice (意大利)试验场地通过SDMT (true-interval and pseudo-interval) 和地震孔隙压力触探仪SCPTU得出的 VS 剖面图的一致性。
 
地震侧胀仪在80年代末期得到了大量推广,在2004年应用于意大利Fucino 场地。由于在前期的大量实践中证明,SDMT得出的VS 剖面图(图 9)同SCPC,跨孔,SASW表面波等技术得出的VS 剖面图(AGI 1991)具有极佳的一致性。 图10 (Mynarek et al. 2006) 比较在Zelazny Most tailing dam site, 波兰 (Mynarek et al. 2006)场地通过SDMT, SCPTU得出的 VS 图转换的G0 剖面图,同样也显示了非常好的一致性。

 
4 通过SDMT得出的原位 G-γ 曲线 

SDMT的一大重要特色是在微应变模量 (VS 引出G0)和工作应变模量中的正确判定。通过一些沉降量的实例DMT-预估, 约束模量 MDMT 可以当作合适的 工作应变模量 (例如. 此模量引入线性弹性公式, 通常能提供工作压力下沉降量可靠的评估)
 
当前正在进行的研究想利用SDMT推导出应力情况下土刚度的原位衰减曲线(G-γ曲线或近似曲线)。该曲线可初步假定由"参考标准形态" 通过两点的实验室曲线 (图. 11) 组成, 这两点都是通过SDMT测得: (1) 通过 VS得出的初始模量 Gο, 和 (2) 相关MDMT 的工作应变模量。这两点的定位必须知道, 最少也要有大致定位, 同时剪切应变与 MDMT相关。通过研究,2001年Mayne 将DMT模量定在G-γ曲线的(γ≈ 0.05-0.1 %) 应变范围。类似,2001 年Ishihara归类DMT和其他方法测量的土体变形相关特征在(0.01-1 %)应变范围内。 综合上述, 随着原位研究的深入,将有可能通过SDMT推导出现场(原位) G-γ曲线。 
 
5 Gο /ED  

至今已经产生了一些Gο 和侧胀模量ED 相关性说法(例如. Hryciw 1990 和其他很多研究人员)。  这些相关性 Gο -ED 通常都定位由ED 推导出Gο 。 这样重要性并不大,自从发明SDMT 则ED 和 VS (hence Gο )可以同时测得。因此Gο -ED的相关性研究-  一部分被取代为 Gο -MDMT 相关性研究。实际上, 当Gο  ED 与 OCR不相关时, MDMT 反而可以通过相关系数KD 影响到OCR。因此相对于 Gο -ED 相关性,我们更期待 Gο -MDMT 的相关性。 
 
如今,随着SDMT对土刚度的测量,研究的焦点集中在随时判定微应变模量Gο 和工作应变模量 M。工作应变模量M 可用于沉降预估,Gο /M 比率可用于应变情况下土刚度衰减的评估。例如, Barcelona机场试验(见后面图19)SDMT 数据结果明显反映了上层和下层土体模量衰减比的巨大区别。尽管这样, 当前研究仍然关注Gο /ED 比率的可能用途 -通常利用 SDMT在不同深度测试得到-  这代表着传统的独立信息。
 
接下来讲叙的是当前最先进的技术。
 
图 12 显示不同材料参数ID (土类型)和水平应力参数KD 下,Gο /ED的不同。 
 
 
图 12. 不同范围的 KD (OCR)情况下Gο /Evs. ID (土类型) 
 

图 13. 各种土类型
Gο /ED vs. KD (OCR) 的比值
 
 
(OCR). 图 12 显示粘土中 Gο /ED 数据点非常离散,但是沙土Gο /ED 比值都近似于2-3, 比粘土低,同时与KD (OCR)相独立。类似图 13, 同样显示各种土类中不同Gο /ED 与KD 的作用。说明Gο /E 比值在沙土中不受OCR影响,而在黏土中Gο /ED下降时OCR增加。

 
6 SDMT应用于液化

SDMT 常规提供的数据中, 包括KD  和 VS 的剖面图- 都与沙土液化阻抗有关. 因此 SDMT 可以通过两个平行的独立数据来估计液化阻抗CRR, 其中一个来自 KD ,另一个来自 VS, 利用CRR-KD  和CRR-VS关系 –CRR 是循环阻抗率,是Seed & Idriss (1971)简化程序的一个基本输出/入参数。
 
利用VS来估测 CRR方法众所周知。最常用最广泛的是由Andrus & Stokoe (2000)提出的CRR-VS 关系 (Fig. 14) ,后来得到Andrus et al. (2004)修正完善。 CRR 可以通过如下步骤获得: VS1VS (pa /σ'vο) 0.25, 剪切波速用于修正过载压力σ'v0 (pa = 大气压力). 图 14中的CRR-VS1  曲线是在 Mw = 7.5 的地震等级 (不同等级有不同等级比例)。
 
CRR-KD的相关性在过去20年得到了很大发展,了解到KD 的敏感度同已知的增加液化阻抗的一些因素如应力历史,黏结情况,结构和关系KD密度和位置参数有关。
 
CRR-KD (Monaco & Schmertmann 2007, Monaco & Marchetti 2007)的一个关键要素是KD 能反映沙土的老化情况,而老化情况对液化有很大影响(这点2006年Leon et al曾提出)。
 
图15 概要了由KD 估测CRR 的许多关系 (等级 M = 7.5 ,单纯的沙土) –根据 "简化程序" – 包括最新的 CRR-KD 关系 (Monaco et al. 2005),都建立在以前的试验数据上。
 
比较利用SDMT在各种地方的沙土测量的KD和 VS 能发现在KDVS 提供的推导方法中,评估的CRR的值完全不同。(通常认为由VS得出的 CRR "更可靠")。这个发现产生了"哪个 CRR 更可信"的问题,这点我们将在下章讨论说明。
 
7 SDMT 在各个测试场所的结果

这章将展示许多“备受争议的例子”,其中都是SDMT在各个测试场所的结果。
 

图 14.利用 VS估测纯黏结土 CRR 的曲线 (Andrus & Stokoe 2000)
 
 
图 15.通过KD 评估CRR 曲线(Monaco et al. 2005)
 
图 16. SDMT 剖面图Catania – San Giuseppe La Rena (意大利)
 

图 17. SDMT剖面图 Cassino (意大利)
 
 
– 沙土中OCRKD外形
"外壳状" KD剖面图, 非常类似与黏土发现的OC干燥土典型 KD 剖面图 ,这些干燥土都是发现于沙土沉积的顶层。 各种显示 (Maugeri & Monaco 2006) 指向 沙土中"KD crusts"反映应力历史(OCR, 黏结, 老化 和/或其他作用),而不是相对密度。见下图16(Catania),可见许多情况下,浅薄的“应力历史层”在KD 剖面图很明显,但是在VS 剖面图却基本看不到。这说明VS 对液化的关系相对小多了。
 
– Role of the粒子连结
图17中的SDMT剖面图显示了相对高的VS 值和非常小的KD 值和模量M. 可能的解释如下: the shear wave travels fast thanks to the 粒子中的连结导致剪切拨传播速度很快(最典型的是这块区域的火山沙土,在小应变情况下保存的很好). 对比 KD 算 "低了" 因为它反映的是不同的材料,起码有些粒子连接由于DMT的贯入而受到破坏。正如 Andrus & Stokoe (2000)所说, 微弱的离子连结能够增大 VS (微应变下测量), 当不必要增加液化阻抗力时,中间将产生很高应变的现象。 (在KD 的测试范围). 因此, for liquefiability, 用KD 预测液化在大地震时更为可行。 很小地震, 可能根本就没有破坏粒子连结, 由 VS 预计CRR 在这些案例中可能合适。
 
–VS1和KD "无液化"值的限制
曲线 CRR-Vs1 (图 14) 和 CRR-KD (图 15) 的渐进线证实了VS1 和KD 的有限性。因此液化发生可以定义在任何地震等级上。在Zelazny Most (图. 18)试验场址, 当Vs1 > 215 m/s 表明 "无液化" ,即使地震强度再大, 而当 KD ≈ 1.5-2 显示液化发生,只要一定的地震应力登记 (高循环应力比 CSR)。
 
Go  / MDMT 比值的效用
图 19 (Barcelona) 显示, 当模量 MDMT 在深度约等于12 m显示一个突然的下降,这表面从上面一个较硬土层进入到下面一个较软土层,而VS 只显示一个很小的下降. 因此从VS 得到的Go 与工作应力下模量MDMT 完全不成比例。 这项发现直接质疑在工作应力模量下导出的"当前试验规则"的合理性。
 
图18. SDMT剖面图  Zelazny Most tailing dam, 波兰
 
图19. SDMT剖面图Barcelona – El Prat Airport (西班牙)
 
 
 
 
图20. Details of offshore SDMT investigations and test profiles at the site of Vado Ligure (Savona), Italy
 
 
– 为沉降评估引入了线性弹性公式t – 通过减低微应变模量到一个固定的比例 (例如减低 50 %, Simpson 1999).
 
– 海上 SDMT应用
SMDT 同样可以运行于海上进行勘察, 要求剪切波源在海底,测试结果同陆地上质量差不多。 (见图. 20, Vado Ligure).
 
– SDMT应用于回填钻孔
如果土壤太硬难以贯入 (或者在是在岩层中), SDMT 可以在利用沙土回填的钻孔中进行试验。 (只测量VS, 不包括DMT 其他测量). 同一地方,天然土中和回填钻孔(图. 21)中通过两组平行的SDMT接受器可以看到一致性非常好的VS剖面图, 证明了这种方法的可靠性和实用性。
(图21). 比较天然土中和回填钻孔中通过两组平行的SDMT接受器可以看到VS剖面图(实验地点:Montescaglioso – Ginosa (Matera), 意大利)

8 结论

地震侧胀仪 (SDMT)提供了精确,高重复性的剪切波速测试VS – 剪切波速是地质分析中最基本的要素。除了VS,SDMT还能完成所有常规DMT的测试 (例如. 约束模量 MDMT) 以满足现代勘察应用。
 
到现在积累的经验表面SDMT勘察可以提供很好的结果并适应很多特殊环境。如海面上或不可贯入土层(只能测量回填钻孔中剪切波速)。
 
当前正在研究 利用SDMT导出应变等级下原位土刚度衰减曲线。这样要求在"参考 G- 曲线"中SDMT不用应力等级下提供的两点间填充数据。这两点分别是相关与MDMT.的微应变模量G0 (由 VS求得)和工作压力模量。
 
SDMT 允许用户通过VS –CRR关系(图. 14)和KD (水平应力因子)-CRR关系(图. 15)等两种相互独立平行的方法评估液化阻抗CRR,这是Seed & Idriss (1971)简化步骤的框架。前期的研究已经指明了两中方法将提供完全不同的CRR值。原理上,作者支持由KD (水平应力因子)-CRR关系导出的CRR值 ,原因很多-因为所有参数中KD 与应力历史和老化情况间灵敏度最高,而这些因素能大大增加液化阻抗。当然上叙观点还需要大量研究和试验来证明,这都需要生命的投入和奉献。
 
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