我国东南沿海核电海工工程地基土静动力特性规律研究

王桂萱，张虎韦，赵 杰

(大连大学 土木工程技术研究与开发中心， 辽宁 大连 116622)

中国是最大的发展中国家，人口众多，地域分布不均且能源需求量大，传统能源日益匮乏。尤其是最近几年我国经济的快速发展，能源问题更加的突出。为此，越来越多的人意识到核能是解决这一问题的主要方法，并且在经济发展、环境改善、能源结构优化等方面发挥重要的作用。但核电厂选址问题一直是制约核电厂建设可行性的关键。调查资料显示，美国约有50%的核电修建在非基岩上，法国大概有60%的核电修建于软弱土层上，在日本有一部分核电修建在断层地带或者地基不均匀的土层上。

核电海工工程由防护建筑物及取排水设施组成，主要包括护岸、防波堤、导流堤、取排水明渠(箱涵、隧洞)、直立墙等，具有抵御外海波浪侵袭、保证取排水通畅、提供核反应堆循环冷却水、确保地震等突发情况下安全堆所需的冷却水供应等重要功能，是核安全相关物项。由于核电海工工程投资费用巨大，建设工期长，因此其安全性至关重要。而海洋地基土大多是工程性质不佳的软黏土、粉土和残积土等。就这些软土而言，在土结构相互作用下以及动力荷载作用下很容易发生地基失稳的现象。因此，深入开展核电地基土的静动力特性研究任重而道远。国内外学者做了大量的试验研究，刘齐建[1]、陈国兴等[2]、周健等[3]以及李晓飞等[4]学者分别对上海、南京、和武汉等区域分布的软弱土层做了许多动力特性试验研究。关于土体动力特性的研究一直备受人们的关注，学术界也有大量的学者们通过采用动三轴试验的研究方式，取得了很多卓有成效的结论[5-6]。张勇等[7]、魏星等[8]、柳艳华等[9]学者对饱和重塑的软黏土采用动三轴试验进行了大量的研究，提出该类土样在循环荷载作用下，其土样在动荷载作用下达到稳定性时的累积应变方程。丁伯阳等[10]对杭州地区的软土进行了一系列动三轴试验，得出了本地区软土的应力-应变曲线和动力特性参数等结果。霍华阳等[11]学者研究了天津滨海新区特殊结构性的软土，采用室内循坏三轴试验的方式，对在交通荷载作用下的结构性淤泥质粉质黏土进行了动力特性研究，得出该类土在长期动荷载作用下的动应力-动应变关系随着加载的频率、围压以及土体本身固结状态的变化规律等结论。陈清华等[12]以珠江三角洲区域的淤泥质软土为研究对象，对其进行物理力学指标的检测以及采用室内动三轴试验，对不同围压以及剪应变等条件下的软土进行了动力特性试验研究。国外在1960年就开始了关于软土的动力特性试验研究，Hardin等[13-15]和Yashuara等[16]研究者将动三轴试验设备做了改进，通过大量的室内动力特性试验，在此基础上 得出了跟软土动力特性相关的很多结论，而且给出了土动剪模量和阻尼比的计算公式，这对于土体动力特性的研究具有很大的指导意义。在此研究之后，YashuaraK[17]、FujikawaK[18]和Chaijc等[19]分别对土体的动模量、动阻尼比和动累积塑性变形等特性进行了试验研究，也得出了很多关于土体动力特性的重要结论，在试验过程中，YashuaraK发现振动频率这一因素对软黏土的动强度和变形量的影响不大。

本文以大连大学土木工程技术研究与开发中心近些年完成的国内核电海工工程地基抗震安全评价分析的实验数据为基础，归纳统计了田湾、宁德、霞浦、漳州、昌江等沿海核电地基土动力特性的相关参数以及引用了核电厂海工构筑物抗震演算方法的改进与海床地基土参数研究的部分数据[20]，总结出了一些核电场地土的规律性，以供类似工程抗震设计参考。

1 试验设备及性能

试验是在中国地震局工程力学研究所研制的GZ-II型共振柱试验机上进行。

多功能动三轴试验是通过计算机进行控制的，在整个试验过程中所需要加的动应力、动变形和孔压值均由微机系统进行采集处理。

2 核电地基土静、动力变形与强度参数分析

利用大连大学土木工程技术研究与开发中心近些年完成的国内核电(漳州、宁德、霞浦、田湾、昌江等)海工工程抗震安全评价的基础实验数据以及引用了文献[20]中的部分数据，进行了地基土静、动力三轴试验分析，在此基础上整理了相关地基土的试验参数，从统计学的角度获得一些沿海核电工程的地基土的规律性。此次试验所研究的对象有淤泥土、黏土、粉质黏土、残积土、砂等五类土体，在进行静、动力三轴试验时所施加的固结围压分别取100 kPa、150 kPa、200 kPa，按邓肯-张E-B模型整理试验参数。

2.1 初始模量和最大动剪切模量

在1963年，由简布(Janbu )提出了土体在进行三轴试验中的初始弹性模量Ei与围压σ3符合指数函数关系，公式如下：

(1)

式中:K、n分别为变形模量系数与指数，均为试验参数。

此公式在土力学中为大多数土体本构模型所釆纳，Ei是静三轴试验中土试样的重要参数，一般称为土的静弹性模量。Ei在整个试验推导过程中是以εa→0 的方式被定义的，但是在试验过程中要求较土样在小应变时基本是处于弹性状态的，这时土体所对应的模量值就是静弹性模量。在进行静三轴试验时，土样的轴向应变是通过百分表测量得到的，根据测量的数值来计算所需要的初始模量。

(2)

式中:K、n为试验参数;σ0为初始平均静应力;Pa为标准大气压。

2.2 抗剪强度

在此次三轴试验中，取σ-ε关系曲线出现峰值时的所对应的值作为破坏标准，此时峰值所对应的应力即为土样的抗剪强度；对于在整个试验过程中没有出现峰值的土样，取轴向应变的5%作为该试样的屈服强度值，对应的应力值为试验土样的抗剪强度值，也就是三轴试验中的破坏应力差(σ1-σ3)f，用qf来表示，由摩尔-库仑准则可得到抗剪强度的表达式如下

(3)

2.3 最大动剪切模量

通过整理振动三轴试验数据结果，可以得出试验土样的最大动剪切模量Gmax、最大动模量Emax的值，以及试验土样所对应的动剪应变幅值γ,Gmax,Emax指的是当土样的γ=10-6时，所对应的动剪模量和动弹性模量，一般也称为土样的最大动剪切模量和最大动弹性模量。两者的关系式表示如下：

Emax=2(1+v)Gmax

(4)

式中:v为土样的泊松比，不排水试验时取0.5。

2.4 动强度

动强度是指土试样在一定动应力重复次数Nf的作用下，所产生的某一指定破坏应变时所需的动应力[21]。震动次数可参照Seed提出的不同震级作用下等效循环次数来进行确定，如表1所示。

表1 地震震级与等效循环振次表

在三轴试验中随着土样破坏应变判断标准不同，其所对应的动强度也不尽相同。所以，在进行动强度的试验中，要求得动强度的值，首先破坏标准是首要条件。

3 实验结果整理

3.1 变形与强度参数统计

将漳州、宁德、霞浦、田湾、昌江以及参考文献[21]等核电海工工程实验数据进行统计归纳。各土类的试验参数统计见表2，以及各类土固结排水剪、固结不排水剪、动强度试验的强度参固结不排水剪、动强度试验的强度参数黏聚力c、内摩擦角φ的统计见表3。

各土类的变形模量系数K与土体强度参数c、φ的平均值与计算标准差见表4。统计试验数据表明，不同土样在不同的三轴试验条件下，其土样的变形模量系数K都比在固结排水试验条件下的KCD小，在固结不排水试验条件下的KCU次之，而且土样的动模量系数Kd有最大值。当不同土样在相同的试验条件下时，有如下结果，其各类土样的变形模量系数K的大小较为明显，试验数据显示淤泥最小、其次是黏土、全风化土、粉质黏土、残积土、砂最大。在试验数据统计的强度参数φ值中一般有固结排水剪条件下土样的强度φCD最大，然而固结不排水剪试验土样的强度与φCU动强度φd大小是不确定的。

3.2 静模量与强度关系

根据表2、表3中三轴试验数据统计，并采用邓肯-张E-B模型中的初始模量计算公式(1)以及摩尔-库仑强度准则关系式(2)，能求得各类土(淤泥土、黏土、粉质黏土、砂、全分化土)在三轴排水以及三轴不排水试验条件下的初始弹性模量Ei及抗剪强度qf的值，Ei-qf关系如图1所示，坐标采用双对数坐标。

从图1可以看出一般规律：无论是三轴排水剪试验(CD)还是三轴不排水条件下的三轴试验(CU)，可以看出各类土样的初始模量与抗剪强度的关系基本上成正相关，当围压值逐渐增大时，其试验土样的初始弹性模量Ei和强度qf都有明显增大的趋势，但是其Ei/qf无明显的规律性，而各类土这一比值均分布在1∶10～1∶100之间；在相同的围压条件下，不同试验土样的三轴不排水试验的Ei/qf都比三轴排水试验的Ei/qf值大。

表2 试验各土类的变形模量系数

注：(1) *数据来源于文献[20]。(2) CD代表固结排水；CU代表固结不排水；d代表动态。以下表格相同。

图1 各类土静模量与强度关系

土样类型干密度/(g·cm-3)cCDφCDcCUφCUcdφd核电项目淤泥粉质黏土黏土粉细砂中粗砂粉砂全风化土残积土1.17710.4317.9425.639.29——福清*1.6414.1418.001.2413.409.507.70漳州0.95113.9010.8010.207.109.908.00田湾1.2128.4611.006.9216.809.808.00霞浦1.15617.9321.1012.2820.4019.8010.00霞浦1.15212.0023.905.9311.48——宁德*1.9770.7824.8046.7816.3015.67.80漳州1.597——27.1317.35——福清*1.55033.9013.6030.6011.6023.609.80田湾1.66060.3018.2057.8015.2024.7012.90田湾1.55625.2324.1020.0328.5024.6012.90霞浦1.56843.0720.3036.4919.4040.0013.90霞浦1.98552.8622.2048.8319.3015.607.80漳州1.29511.7423.9012.0214.8110.8017.20宁德1.14618.7620.8614.0412.5911.4016.80宁德1.35020.5014.6017.2012.2017.4011.70田湾0.9706.3016.2017.0013.60—— 阳江*1.4000.3733.30246.000.174.704.50漳州1.5504.8030.80135.000.652.309.60漳州1.64013.7034.005.9214.709.7020.30 宁德*1.4207.7034.70158.000.894.307.10漳州1.63010.1331.70186.000.356.745.00漳州1.55010.7035.70——17.707.80田湾1.68010.56 32.45——2.5417.40昌江1.65018.0038.60——23.609.80田湾1.4600.6234.20——14.707.70霞浦1.68318.4132.6015.3428.605.1018.40漳州1.37921.6526.2824.1818.7811.5018.30 福清*1.4079.1428.12————福清*1.52026.8025.0018.5023.1017.4019.70 阳江*

注：*数据来源于文献[20]。

表4 核电地基土的变形模量系数与强度参数统计

3.3 动模量与动强度关系

由试验数据统计表3中各类土的动模量试验参数Kd、nd以及通过最大动剪切模量公式(2)和剪切模量与弹性模量之间的换算关系式(4)，可以计算得出不同类型土在不同试验条件下(淤泥、粉质黏土、黏土和砂)的最大弹性模量Emax的值，通过试验数据统计表5中各类土的动强度试验参数cd、φd以及通过摩尔-库仑公式(3)，可以求解出不同类型土的强度值qmax，做出二者关系图Emax-qmax，坐标采用双对数坐标。

从图2可以看出，在不排水条件下进行各类土的室内循环荷载试验时，当施加的围压值增大时，其各类土本身的动弹性模量Emax所对应的强度qmax值都有明显增大的趋势，但是Emax/qmax的比值基本上在减小。图3显示，其动弹性模量Emax与对应的强度qmax的值砂土比黏土和粉质黏土大。

图2 各类土动模量与强度关系

图3 各类土Emax与qmax的关系(CU)

3.4 静、动模量关系

将各地区土类的Emax和Ei关系汇总见图4，同时与日本龙冈文夫教授等研究软岩所得出Emax和Ei的比值范围为2～20的结论(见图5)进行对比，统计分析结果表明两者结论基本吻合。

日本的龙冈文夫教授认为，一般在进行传统的室内三轴试验时，测量试样的轴向应变的过程中没有考虑实验端部对试样土体本身的影响，这就会导致在使用试验所测得的数据来计算土样的弹性模量时会出现偏小的情况，这时计算出的弹性模量被称为土样的静弹性模量(Ei),由于该数值在线弹性变形范围内对于岩土体需要进行数值分析时过于偏小，所以不能作为真正的弹性模量来对岩土本身的性质做出评价，这个结果在本文试验数据统计中也得到了验证。

图4 海洋地基土Emax与Ei的关系

图5 软岩Emax与Ei的比较[22]

4 结 论

本文在系统研究国内核电海工工程地基土参数的基础上，通过统计分析得出试样在相同围压下动弹性模量与强度比值Emax/qmax大于静弹性模量与强度比值Ei/qf，这一结论在文献[15]中也有提到。由图1可以总结出各类土在静三轴试验不排水条件下的Ei/qf值大于在排水试验条件下的数值。

通过实际核电海工工程的相关试验资料，整理了静、动三轴试验(淤泥、粉质黏土、全风化土、黏土和砂)的变形参数K、n以及强度参数c、φ，得出以下结论：

(1) 不管是在三轴排水剪试验(CD)条件下还是在不排水剪试验(CU)条件下，均有各类土的初始模量与其本身的抗剪强度成正相关关系这一结论，当围压值增大时，土样的初始弹性模量Ei和强度qf也都增大，但是Ei/qf的比值没有特别明显的规律性，不同类型试验土样的Ei/qf这一比值都分布在1∶10～1∶100这一区间内；当围压相同时，不同类型土试样在三轴固结不排水剪试验(CU)条件下的Ei/qf都大于三轴固结排水剪试验(CD)的Ei/qf。

(2) 在不排水条件下进行室内循环荷载试验时，当围压增大时，其各类土试样的动弹性模量Emax与对应的强度qmax都增大，但是Emax/qmax的比值基本上呈递减趋势。

(3)通过对部分海工工程地基土的静、动弹性模量统计分析可得，Emax/Ei比值范围在2～20区间内。