地震側(cè)脹儀(SDMT)在各類土中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) 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(xué)
摘要：地震側(cè)脹儀（SDMT）是由標(biāo)準(zhǔn)的平板側(cè)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(jīng)驗(yàn)并說明SDMT的應(yīng)用能讓我們學(xué)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(shù)據(jù)的選擇和相關(guān)說明。文章同時(shí)例舉了SDMT的ZX應(yīng)用和研究課題，主要集中在導(dǎo)出原位應(yīng)力和土剛度衰減曲線的方法和基于SDMT結(jié)果的沙土液化阻抗系數(shù)預(yù)估。
1 緒論
地震側(cè)脹儀 (SDMT)結(jié)合了傳統(tǒng)側(cè)脹儀DMT (Marchetti 1980)的特征與地震剪切波速 VS.的測量功能。Z初設(shè)計(jì)用于研究，逐步發(fā)展成為原位測試市場的主要產(chǎn)品。SDMT產(chǎn)生和發(fā)展的Z初動機(jī)源于以下幾點(diǎn)：
- 增加需要VS為基本和多用參數(shù)輸出的地震分析，例如：專業(yè)地震修正Z近引進(jìn)到意大利，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)編號 8，必須指明國家所有地震區(qū)域建筑物基礎(chǔ)Z上面30米的剪切波速I VS 。
- 隨著研究和設(shè)計(jì)人員的認(rèn)識總結(jié)，了解到勘察中小應(yīng)變情況下土體反映和應(yīng)變剛度非線性的重要性
- 增加土液化阻抗的分析.
– 將常規(guī)的DMT數(shù)據(jù)結(jié)果(比如 . 約束模量 MDMT)應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)計(jì)中 (例如. 沉降計(jì)算, 這可能是 DMT的主要作用).。
文章展示了2004-2007年30多個(gè)地方利用 SDMT勘察所得到的數(shù)據(jù)結(jié)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(yīng)用方向。
獲取非地震的傳統(tǒng)DMT資料可以查找其他文獻(xiàn)，關(guān)于DMT儀器，測試步驟，結(jié)果分析，設(shè)計(jì)應(yīng)用等的通用說明清參見ISSMGE 技術(shù)委員會 TC16 (2001)的全面報(bào)道
2 地震側(cè)脹儀(SDMT)
地震側(cè)脹儀器 (SDMT)綜合了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)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。Z初由Hepton 1988年引進(jìn)，接著 SDMT 的技術(shù)在Georgia Tech, Atlanta, USA (Martin & Mayne 1997, 1998, Mayne et al. 1999).得到發(fā)展，ZX的 SDMT系統(tǒng)(圖1-2)產(chǎn)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(gè)接收器。信號根據(jù)深度可以放大并數(shù)字化。 在捶擊時(shí)判定“零時(shí)刻”可以避免兩個(gè)接收器之間的時(shí)間間隔誤差，有時(shí)可以通過觀察單個(gè)接收器的失真間隔信號來了解“零時(shí)刻”，另外，兩個(gè)接收器為一組的地震測試模塊在測試深度記錄的應(yīng)該是同一捶擊產(chǎn)生的信號，而不是后續(xù)其他捶擊產(chǎn)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(fù)性也大大提高（VS 測試重復(fù)性約等于1%）。 VS
DMT扁鏟和地震模塊 地震側(cè)脹儀圖解說明
圖1
圖 2. 地震側(cè)脹儀圖片
圖 3. 地面剪切波震源
VS是通過震源與兩個(gè)接收器之間距離(圖1b)的差值和振動到DY和第二個(gè)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(gè)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(chǎn)生的剪切波精確度高。
圖4 顯示的是通過地震側(cè)脹儀在FUCINO地區(qū)不同測試深度下得到的地震數(shù)據(jù)范例。SDMT地震側(cè)脹儀的延時(shí)通常都設(shè)定了，即使在一些地方地震模塊不夠規(guī)范。 (圖5 中示范例子? Avez-zano).
表 1 顯示SDMT 測試 VS 的重復(fù)性情況(Zelazny Most tailing dam, Poland)。圖中選定測試深度的每個(gè) VS 值都是不同捶擊產(chǎn)生的。至今VS 的重復(fù)性仍然是一個(gè)奇跡。
圖 4. Fucino (意大利)場地不同深度SDMT測試地震波圖的數(shù)據(jù)示例。 ? 根據(jù)計(jì)算延遲記錄并轉(zhuǎn)換相位。
圖5. 示例： 正確辨識墻體或障礙等反射產(chǎn)生的不正規(guī)震波圖的延時(shí)情況 (Avezzano ? Castello Orsini,意大利)
Table 1. SDMT測量的VS 重復(fù)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(yàn)場地通過SDMT, SCPT 地震入射/折射試驗(yàn)得出的VS 剖面圖 (Hepton 1988)
圖 8. 比較在Treporti (Venice), Italy (McGillivray & Mayne 2004)試驗(yàn)場地通過SDMT, SCPTU得出的 VS 剖面圖。
圖9. 比較在意大利Fucino試驗(yàn)場地通過SDMT, SCPT，跨孔和SASW表面波系統(tǒng)(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(zhuǎn)換的G0 剖面圖
圖 6 (Fucino) 試驗(yàn)場地 SDMT 標(biāo)準(zhǔn)圖形輸出格式示范。該輸出顯示了VS和其他四個(gè)基本DMT 參數(shù)的深度剖面圖 ? 材料索引參數(shù) ID (土分類), 約束模量 M, 不排水剪切強(qiáng)度 cu 和水平應(yīng)力值 KD (與OCR相關(guān)) ? 通過常規(guī) DMT相關(guān)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(jīng)通過不同場地與其他方法的測量VS 值比較而獲得認(rèn)可。Z初的比較試驗(yàn)是Hepton (1988)開始的，從而發(fā)現(xiàn)了利用SDMT, SCPT 和地震入射/折射方法測試出名的Bothkennar (UK)試驗(yàn)場地粘土得出VS 非常好的一致性。
圖 11. SDMT推導(dǎo)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(yàn)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(cè)脹儀在80年代末期得到了大量推廣，在2004年應(yīng)用于意大利Fucino 場地。由于在前期的大量實(shí)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(shù)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(zhuǎn)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(yīng)變模量 (VS 引出G0)和工作應(yīng)變模量中的正確判定。通過一些沉降量的實(shí)例DMT-預(yù)估， 約束模量 MDMT 可以當(dāng)作合適的 工作應(yīng)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(dāng)前正在進(jìn)行的研究想利用SDMT推導(dǎo)出應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)形態(tài)" 通過兩點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室曲線 (圖. 11) 組成, 這兩點(diǎn)都是通過SDMT測得: (1) 通過 VS得出的初始模量 Gο, 和 (2) 相關(guān)MDMT 的工作應(yīng)變模量。這兩點(diǎn)的定位必須知道, Z少也要有大致定位, 同時(shí)剪切應(yīng)變與 MDMT相關(guān)。通過研究，2001年Mayne 將DMT模量定在G-γ曲線的(γ≈ 0.05-0.1 %) 應(yīng)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(guān)特征在(0.01-1 %)應(yīng)變范圍內(nèi)。 綜合上述, 隨著原位研究的深入，將有可能通過SDMT推導(dǎo)出現(xiàn)場（原位） G-γ曲線。
5 Gο /ED
至今已經(jīng)產(chǎn)生了一些Gο 和側(cè)脹模量ED 相關(guān)性說法(例如. Hryciw 1990 和其他很多研究人員)。 這些相關(guān)性 Gο -ED 通常都定位由ED 推導(dǎo)出Gο 。 這樣重要性并不大，自從發(fā)明SDMT 則ED 和 VS (hence Gο )可以同時(shí)測得。因此Gο -ED的相關(guān)性研究- 一部分被取代為 Gο -MDMT 相關(guān)性研究。實(shí)際上, 當(dāng)Gο 和 ED 與 OCR不相關(guān)時(shí), MDMT 反而可以通過相關(guān)系數(shù)KD 影響到OCR。因此相對于 Gο -ED 相關(guān)性，我們更期待 Gο -MDMT 的相關(guān)性。
如今，隨著SDMT對土剛度的測量，研究的焦點(diǎn)集中在隨時(shí)判定微應(yīng)變模量Gο 和工作應(yīng)變模量 M。工作應(yīng)變模量M 可用于沉降預(yù)估，Gο /M 比率可用于應(yīng)變情況下土剛度衰減的評估。例如, Barcelona機(jī)場試驗(yàn)（見后面圖19）SDMT 數(shù)據(jù)結(jié)果明顯反映了上層和下層土體模量衰減比的巨大區(qū)別。盡管這樣, 當(dāng)前研究仍然關(guān)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(tǒng)的獨(dú)立信息。
接下來講敘的是當(dāng)前比較先進(jìn)的技術(shù)。
圖 12 顯示不同材料參數(shù)ID (土類型)和水平應(yīng)力參數(shù)KD 下，Gο /ED的不同。
圖 12. 不同范圍的 KD (OCR)情況下Gο /ED vs. 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(shù)據(jù)點(diǎn)非常離散，但是沙土Gο /ED 比值都近似于2-3, 比粘土低，同時(shí)與KD (OCR)相獨(dú)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(shí)OCR增加。
6 SDMT應(yīng)用于液化
SDMT 常規(guī)提供的數(shù)據(jù)中, 包括KD 和 VS 的剖面圖- 都與沙土液化阻抗有關(guān). 因此 SDMT 可以通過兩個(gè)平行的獨(dú)立數(shù)據(jù)來估計(jì)液化阻抗CRR, 其中一個(gè)來自 KD ，另一個(gè)來自 VS, 利用CRR-KD 和CRR-VS關(guān)系 –CRR 是循環(huán)阻抗率，是Seed & Idriss (1971)簡化程序的一個(gè)基本輸出/入?yún)?shù)。
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(guān)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： VS1 = VS (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(guān)性在過去20年得到了很大發(fā)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(yīng)力歷史，黏結(jié)情況，結(jié)構(gòu)和關(guān)系KD密度和位置參數(shù)有關(guān)。
CRR-KD (Monaco & Schmertmann 2007, Monaco & Marchetti 2007)的一個(gè)關(guān)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(diǎn)2006年Leon et al曾提出）。
圖15 概要了由KD 估測CRR 的許多關(guān)系 (等級 M = 7.5 ，單純的沙土) –根據(jù) "簡化程序" – 包括ZX的 CRR-KD 關(guān)系 (Monaco et al. 2005),都建立在以前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上。
比較利用SDMT在各種地方的沙土測量的KD和 VS 能發(fā)現(xiàn)在KD與VS 提供的推導(dǎo)方法中，評估的CRR的值完全不同。(通常認(rèn)為由VS得出的 CRR "更可靠")。這個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了"哪個(gè) CRR 更可信"的問題，這點(diǎn)我們將在下章討論說明。
7 SDMT 在各個(gè)測試場所的結(jié)果
這章將展示許多“備受爭議的例子”，其中都是SDMT在各個(gè)測試場所的結(jié)果。
圖 14.利用 VS估測純黏結(jié)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OCR 和 KD外形
"外殼狀" KD剖面圖, 非常類似與黏土發(fā)現(xiàn)的OC干燥土典型 KD 剖面圖 ，這些干燥土都是發(fā)現(xiàn)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(yīng)力歷史(OCR, 黏結(jié), 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(yīng)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(guān)系相對小多了。
– Role of the粒子連結(jié)
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(jié)導(dǎo)致剪切撥傳播速度很快(Z典型的是這塊區(qū)域的火山沙土，在小應(yīng)變情況下保存的很好). 對比 KD 算 "低了" 因?yàn)樗从车氖遣煌牟牧?，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(jié)能夠增大 VS (微應(yīng)變下測量), 當(dāng)不必要增加液化阻抗力時(shí)，中間將產(chǎn)生很高應(yīng)變的現(xiàn)象。 (在KD 的測試范圍). 因此, for liquefiability, 用KD 預(yù)測液化在大地震時(shí)更為可行。 很小地震, 可能根本就沒有破壞粒子連結(jié), 由 VS 預(yù)計(jì)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(jìn)線證實(shí)了VS1 和KD 的有限性。因此液化發(fā)生可以定義在任何地震等級上。在Zelazny Most (圖. 18)試驗(yàn)場址, 當(dāng)Vs1 > 215 m/s 表明 "無液化" ，即使地震強(qiáng)度再大, 而當(dāng) KD ≈ 1.5-2 顯示液化發(fā)生，只要一定的地震應(yīng)力登記 (高循環(huán)應(yīng)力比 CSR)。
–Go / MDMT 比值的效用
圖 19 (Barcelona) 顯示, 當(dāng)模量 MDMT 在深度約等于12 m顯示一個(gè)突然的下降,這表面從上面一個(gè)較硬土層進(jìn)入到下面一個(gè)較軟土層，而VS 只顯示一個(gè)很小的下降. 因此從VS 得到的Go 與工作應(yīng)力下模量MDMT 完全不成比例。 這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)直接質(zhì)疑在工作應(yīng)力模量下導(dǎo)出的"當(dāng)前試驗(yàn)規(guī)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(yīng)變模量到一個(gè)固定的比例 (例如減低 50 %, Simpson 1999).
– 海上 SDMT應(yīng)用
SMDT 同樣可以運(yùn)行于海上進(jìn)行勘察, 要求剪切波源在海底，測試結(jié)果同陸地上質(zhì)量差不多。 (見圖. 20, Vado Ligure).
– SDMT應(yīng)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(jìn)行試驗(yàn)。 (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(shí)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：Montescaglioso – Ginosa (Matera), 意大利）
8 結(jié)論
地震側(cè)脹儀 (SDMT)提供了精確，高重復(fù)性的剪切波速測試VS – 剪切波速是地質(zhì)分析中Z基本的要素。除了VS，SDMT還能完成所有常規(guī)DMT的測試 (例如. 約束模量 MDMT) 以滿足現(xiàn)代勘察應(yīng)用。
到現(xiàn)在積累的經(jīng)驗(yàn)表面SDMT勘察可以提供很好的結(jié)果并適應(yīng)很多特殊環(huán)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(dāng)前正在研究 利用SDMT導(dǎo)出應(yīng)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(yīng)力等級下提供的兩點(diǎn)間填充數(shù)據(jù)。這兩點(diǎn)分別是相關(guān)與MDMT.的微應(yīng)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(guān)系(圖. 14)和KD （水平應(yīng)力因子）-CRR關(guān)系(圖. 15)等兩種相互獨(dú)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(jīng)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(yīng)力因子）-CRR關(guān)系導(dǎo)出的CRR值 ，原因很多-因?yàn)樗袇?shù)中KD 與應(yīng)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(dāng)然上敘觀點(diǎn)還需要大量研究和試驗(yàn)來證明，這都需要生命的投入和奉獻(xiàn)。
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