0 引言

研究深厚土层对地震动的作用时，土体的动剪切模量与阻尼比是不可或缺的基础参数(陈国兴，2007)。许多学者通过实验研究了不同地区土壤的动剪切模量比G/G_max (其中G_max为最大剪切模量、G为应变状态下的剪切模量)和阻尼比λ随剪应变幅值γ的变化规律(李小军，2001；吕悦军，2008；刘薛宁，2020)。杨伟林等(2009)利用江苏地区的数字地震动记录研究了汶川地震远场地震动特征，指出深厚覆盖层上的高层建筑对地面震动有放大作用。蔡辉腾等(2011)以福州市区的粉质黏土为实验对象，分析了应变幅值等动荷载条件对动剪切模量比与阻尼比的影响。战吉艳等(2012)研究了苏州地区第四纪土在海相与陆相沉积环境中分布的特征，指出海侵作用与土层埋深对该地区各类土的G/G_max-γ与λ-γ曲线具有明显不同的影响。周正龙等(2022)研究了琼州海峡饱和粉土的动力特性，并探究了与陆域砂、粉土的异同。陈国兴等(2023)开展剪应变幅值变化下，动剪切模量比和阻尼比变化的特征实验，对徐州城区黏性土和粉土原状土样进行有效围压、塑性指数和地质年代对G/G_max-γ和λ-γ关系影响的分析。吴琪等(2023)采用联合共振柱仪和循环三轴仪实验，研究漫滩相软土动剪切模量比G/G_max和阻尼比λ在不同固结条件下的变化规律。赵云辉等(2019)研究了非饱和砂土动剪切模量和阻尼比在不同黏粒含量下的区别。骆超荣等(2025)研究还发现桂林地区的红黏土动剪切模量和阻尼比与干湿循环次数有着密切联系。刘璐等(2025)经过系统研究发现微生物加固珊瑚砂在小应变范围内其动剪切模量G随加固次数N_b和有效围压σ₀增加而显著增长，表明经微生物加固后珊瑚砂的刚度得到了增强。综上，由于土体的形成受沉积环境、地质年代、地质成因等因素的影响，土体的动剪切模量比与阻尼比表现出显著的区域性差异。

江苏东部近海地区含有深厚的第四纪沉积层，主要是由粉质黏土和饱和粉砂土构成。若该地区有强烈地震，可能发生显著的场地放大效应，并引起软土沉降或砂土液化，严重威胁重大工程结构及社会经济活动。但是，到目前为止尚未见到该区域土体动剪切模量及阻尼比特征方面的研究成果。针对江苏东部近海地区(如盐城)深厚第四纪沉积土，综合考虑海陆交互沉积环境和地质年代的系统性动力参数研究仍较为缺乏。本文以“盐城市活断层探测与地震小区划”重大工程项目所采集的典型土样(包括粉质黏土、黏土、粉砂)为研究对象，采用美国GCTS公司的TSH-100型高精度共振柱实验系统，开展相关土动力学实验，结果给出全新统和更新统粉质黏土、黏土以及更新统粉砂的G/G_max-γ和λ-γ关系曲线的分布范围；同时对沉积环境(海相、陆相)与地质年代对此类参数的显著影响进行了分析。为便于工程实践应用，本文按根据土类(粉质黏土、黏土、粉砂)分别结合其沉积环境和地质年代，统计推荐不同土类在不同条件下的G/G_max-γ和λ-γ参数值，其结果可提供可靠的土动力学参数，用于对江苏东部近海地区工程场地地震的反应分析，为该地区地震风险评估与减灾措施提供基础数据。

1 研究区工程地质概况与研究土样

盐城地处滨海平原，区域大部分地区海拔不到5m，西北部和东南部相对较高，中部较为低洼，东北部地区相对较低。其地表河道纵横交错形成网状分布，分属淮河水系(废黄河以南)和沂沭泗水系(废黄河及废黄河以北)，以灌河、东台河及大纵湖等为主。盐城地区深度300m以内的浅含水层受第四纪地层严格控制。盐城东部地区根据成因及水系分布，属滨海平原地貌，地面高程一般在2.0~2.5m之间；西部属江淮平原地貌，地面高程一般为2.2~2.6m(图 1(a)。

盐城大部分地区覆盖有厚度在80~300m之间的深厚且软弱的第四纪沉积物，个别地区厚度甚至达到400m。自晚更新世以来，经历河、湖、海相交替沉积的多次海陆变迁活动，造成了广泛的滨海相、冲湖积相的软弱黏性土层、饱和粉土和砂土层(刘瑞辰等，2025；李寿寅等，1990)。

其第四纪地层主要包含：下更新统地层、中更新统地层和全新统地层。其中，全新统主要由海相潟湖相地层组成，岩性多以灰黑色粉质黏土、淤泥质粉质黏土(富含贝壳)、粘质粉土、粉砂及粉质黏土与粉砂互层为主。冲积相的灰黄色粉质黏土、粘质粉土仅在顶部有所发现。上更新统的下段主要为河流相湖相地层，南部多灰黑色粉质黏土、粉砂地层，北部多褐黄色、灰黄色的粉质黏土、粘质粉土以及粉砂。上段则为海相地层，间夹河流相的灰黑色粉质黏土、粘质粉土、粉砂及粉质黏土与粉砂互层(多含蚌壳)，一般埋深在30~55m，厚约80~150m。下更新统地层主要为南部的古长江沉积物，岩性为粉细砂，一般埋深在220~270m，厚度在100m以上；中更新统地层为陆相湖积物，间夹河流相地层，多为灰色、黄褐色粉质黏土、粉砂、细砂，局部有深灰色粉质黏土、粘质粉土及细粉砂，一般埋深在110~200m。

盐城市活断层探测与地震小区划项目共实施205个钻孔(图 1(b))。本文进行土体动剪切模量和阻尼比特性研究的实验土样取自其中14个钻孔(图 1(b)中红色标示钻孔)，共90个土样，深度范围分布在20~140m，覆盖了研究区的主要工程影响深度。钻孔在空间上分布于研究区主要地貌单元，即滨海平原与江淮平原过渡带(图 1(c))，同时涵盖海相-陆相交替沉积的典型地层。其中，粉质黏土51个样本、黏土20个、粉砂19个，表 1按照土样岩性、沉积环境、地质时代进行了分类统计，图 2为其中3个典型钻孔的钻孔柱状图。

考虑到土体的沉积相及地质年代对土体的动剪切模量比与阻尼比会产生显著影响，表 1是通过观察土的颜色、有无含贝壳、钙质结核及铁锰氧化物等物质，结合对比钻孔柱状图及相关地质图件，按照土样岩性、沉积相及地质年代进行分类统计的。由 表 1中可以看出，100m以浅地层中黏性土样较多，而粉砂主要形成于更新统时期，这与海侵时期海水携带大量河、湖、海相砂砾土在地势平坦地区发生分选、沉积有关，而粉质黏土则广泛形成于全新统和更新统，且海相或陆相均有所涉及。全新统时产生的黏土以海相沉积为主。

2 实验方法与分析方法

实验设备采用应急管理部国家自然灾害防治研究院引进的美国GCTS公司的TSH-100型高精度固定-自由型共振柱实验系统，该系统能够实现高精度的动剪切模量与阻尼比测定(图 3)。

实验共分为3步：①将原状土样制成实心圆柱样，直径50mm、高100mm；②首先将试样安装在底座，再将顶部与浮动扭转驱动装置及位移传感器连接，随后封闭压力室，根据原状土样所处的深度，按其天然应力状态对试样进行均等固结，固结压力通过气压伺服系统控制；③当试样固结至平均应变率低于1×10^-3%/min时结束。采用全自动悬浮动扭转装置，激振取样样件顶部，遂逐级提高激振频率至扫频达到共振频率。读取动剪应变、剪切波速、动剪切模量等数值。

为保证土样结构完整，减小实验误差，取样采用薄壁取土器，土样取出后立即蜡封，并在恒温恒湿条件下运输和储存，在整个过程中最大程度保持其原状结构。另需要说明的是，土样以饱和或近饱和土为主。实验前根据土样初始饱和度，在固结过程中采用反压饱和法使其达到充分饱和，所有实验均在饱和条件下进行。

根据地震波传播理论，由式(1)确定剪切模量G，即

$ G=\rho\left(\frac{2 \pi f H}{\beta}\right)^2 $

(1)

其中，G为土样的动剪切模量，单位为MPa；ρ为土样的质量密度，单位为g/cm³；f为扭转振动共振频率，单位为Hz；H为土样的高度，单位为m；β为扭转振动频率方程的特征值。

假定在动载作用下，土的动剪应力τ和剪应变幅值γ之间的关系符合双曲线规律(Hardin et al，1972)，即

$ \tau=\frac{\gamma}{a+b \gamma} $

(2)

动剪切模量定义为

$ G=\frac{\tau}{\gamma} $

(3)

则有

$ G=\frac{1}{a+b \gamma} $

(4)

令

$ G_{\max }=\frac{1}{a} $

(5)

$ \gamma_r=\frac{a}{b} $

(6)

则

$ a=\frac{1}{G_{\max }} $

(7)

$ b=\frac{1}{\gamma_r G_{\max }} $

(8)

由式(4)可知1/G-γ呈线性关系，其中，a为截距，b为斜率，γ_r为该线的截距和斜率之比。

由于该模型参数较少，对部分土样拟合的效果不理想，因此采用三参数的Davidenkov模型(Martin et al，1982；陈国兴，2007)对各类土的G/G_max-γ关系曲线进行拟合，实践表明该模型适用性较强。Davidenkov模型的函数关系式为

$ G=G_{\max }[1-H(\gamma)] $

(9)

其中，函数H(γ)定义为

$ H(\gamma)=\left[\frac{\left(\gamma / \gamma_0\right)^{2 B}}{1+\left(\gamma / \gamma_0\right)^{2 B}}\right]^A $

(10)

其中，A、B和γ₀为拟合参数。

Davidenkov模型可较好描述剪应变幅值γ在10^-6~10^-2范围内的G/G_max-γ关系曲线。土的阻尼比λ随剪应变幅值γ的变化而变化，经验关系总结如下

$ \lambda=\lambda_{\min }+\lambda_0\left(1-G / G_{\max }\right)^{n_\lambda} $

(11)

其中，λ_min为土的基本阻尼比，其与固结状态和土的性质等因素有关。

根据扭转自由振动的实验结果，在10^-6~10^-2剪应变幅值范围内用双对数坐标绘制λ-(1-G/G_max)关系曲线，可求出λ_min、λ_min、λ₀、n₂，并将λ-γ关系曲线与G/G_max-γ曲线绘在同一图中。

本文采用的共振柱实验适用于小应变范围(10^-6~10^-3)的动力特性研究，其结果对于评价场地在地震作用下的初始刚度、非线性衰减及阻尼特性至关重要，并可作为一维等效线性化场地反应分析的输入参数。然而，对于大应变条件下的土体液化或软化行为，需结合循环三轴等实验进行综合评估。

3 实验结果与分析

图 4为共振柱实验的典型结果，图 4(a)展示了试样在不同激振频率下的应变幅值。可以在相应激振负载条件下得到试样的最大γ所对应的共振频率f₁，在这个共振频率下，试样的应变时间历程如 图 4(b)所示。在自由振动条件下，试样的应变时间历程如 图 4(c)所示。

3.1 G_max随深度的变化

最大动态剪切模量G_max作为评估土壤动态特性和表征土壤最大弹性刚度的重要参数，通常定义为当γ_a小于或等于10^-6时的G值。根据式(4)，可以利用1/G与剪切应变γ_a之间的双曲模型(当γ_a→0时)来求取土的最大动态剪切模量G_max，即

$ G_{\max }=\lim\limits _{\gamma \rightarrow 0} \frac{1}{a+b \gamma} $

(12)

GCTS公司开发的TSH-100共振柱测试系统可以测量土壤在10^-6~10^-3范围内的动态剪切模量G。式(12)可以用来求取土样在不同深度范围内的G_max值，范围为15~140MPa。

图 5显示了各种土的G_max值及其随深度的变化，可以看出，各种土的G_max随着深度的增加而增大，并呈现典型的线性关系。

总体上，各类土样的G_max均随深度增加而增大(图 5(a))，但在相同的深度范围内，不同土类的G_max取值存在差异，具有明显的分布区间(图 5(b))。同一深度处不同土类的数据点分布不同，反映出土体类型对G_max具有显著影响。G_max与深度的预测关系可以表示为

$ G_{\max }=15.37 \times h+1.13 $

(13)

其中，h代表样品的深度，单位为m。

3.2 沉积环境对G/G_max-γ和λ-γ曲线的影响

三参数的Martin-Davidenkov模型(式(9)、(10))已被证明能很好地拟合江苏省土样的实验数据(陈国兴等，2007；王炳辉等，2007；战吉艳等，2012)，本研究也采用该模型来研究测试土壤的动态剪切模量比G/G_max与剪切应变幅度γ_a的变化特性。

特别地，当A=1和B=0.5时，公式(9)、(10)给出的Martin-Davidenkov模型可以简化为H-D双曲模型，其中，γ₀为参考剪切应变，即G/G_max=0.5时对应的剪切应变值(Darendeli，2001)。

图 6展示了海相和陆相沉积环境对不同类型土壤的G/G_max-γ和λ-γ曲线的影响。对于全新世粉黏土，海相粉黏土的G/G_max-γ曲线略低于陆相粉黏土，而海相粉黏土的λ-γ曲线高于陆相粉黏土。这主要归因于海相粉黏土在全新世沉积期间由泥质粉黏土主导，因此表现出更强的非线性特征。

对于更新世黏土，海相黏土的G/G_max-γ曲线高于陆相黏土，而海相黏土的λ-γ曲线低于陆相黏土，这可能是由于海侵作用形成的黏土壳层强度较高所致。海相和陆相粉黏土之间的G/G_max-γ和λ-γ曲线的差异小于海相和陆相黏土之间的差异。

对于更新世砂粉土，海相G/G_max-γ和λ-γ曲线与陆相G/G_max-γ和λ-γ曲线相似。总体而言，在共振柱设备的剪切应变工作范围(10^-6~10^-3)内，海相土的G/G_max-γ曲线略高于陆相土，而两种土壤之间的λ-γ曲线差异则更小。

更新统海相黏土表现出更高的G/G_max和更低的λ，推测可能与海退过程中经历更长时间的暴露、蒸发、胶结作用以及可能存在的碳酸盐或铁锰氧化物胶结有关，形成了强度较高的“硬壳层”；而陆相黏土沉积环境相对稳定，胶结作用较弱，故表现出更强的非线性与阻尼特性。

3.3 地质年代对G/G_max-γ曲线和λ-γ曲线的影响

由于采样点数量有限，更新世土壤未进一步划分为不同的更新世阶段。比较不同土壤类型的G/G_max-γ曲线和λ-γ曲线，考虑了两个地质年代类别：更新世与全新世(图 7)。结果表明，地质年代通常对海相土壤(粉黏土和粉砂)的G/G_max-γ曲线和λ-γ曲线有显著影响。更新世海相土的G/G_max-γ曲线高于全新世海相土，而更新世海相土的λ-γ曲线低于全新世海相土。对于陆相沉积土，地质年代对陆相粉黏土的G/G_max-γ曲线有明显影响。更新世陆相粉黏土的G/G_max-γ曲线显著高于全新世陆相粉黏土。然而，地质年代对λ-γ曲线的影响相对较弱。总体而言，地质年代对陆相土壤的λ-γ曲线的影响较海相土壤小。

综上所述，江苏东部近海地区第四纪海相沉积环境中形成的土壤，其动态剪切模量比和阻尼比与第四纪陆相沉积环境中形成的土壤有显著不同。地质年代对G/G_max的影响与其对λ的影响相似，但对G/G_max的影响略大于对λ的影响。为了便于实际工程应用，针对每种分类样品获得了G/G_max-γ曲线和λ-γ曲线的拟合参数(表 2)。对于粉黏土和粉土，沉积年龄越新，A值越小，B值越大。通过推荐参数计算得到的各种剪切应变水平下的平均G/G_max和λ值(表 3)。

本研究获得的地区性参数可为今后修订或补充我国沿海软土地区相关抗震设计规范中的土动力参数提供区域案例和数据参考。

4 结论

本文以江苏东部近海地区的第四纪沉积土为研究对象，重点分析其受海侵影响下的沉积特征，综合考虑沉积环境、沉积的地质年代与土体类型等因素，对该区域沉积土的动剪切模量比G/G_max与阻尼比λ特性展开实验研究。主要结论如下：

(1) 各种海相土的最大剪切模量G_max随埋深增加呈线性上升趋势。

(2) 海侵作用在该区域第四纪沉积土中的影响具有显著差异：对于黏土而言影响最为显著；粉质黏土受到一定影响；而粉砂则几乎不受影响。此外，更新统海相黏土的G/G_max-γ与λ-γ曲线分别高于及低于其陆相同类黏土，这可能是由于更新统海退期形成的黏土硬壳具有更高强度。

(3) 地质年代对黄海近海岸第四纪各类沉积土的G/G_max-γ和λ-γ关系曲线影响程度有明显差异，其中海相粉质黏土、粉砂及陆相粉质黏土受其影响尤为明显。

(4) 综合来看，地质年代对动剪切模量比与阻尼比的影响大于沉积环境(即海相与陆相)的差异。研究中根据工程应用需求，分别针对粉质黏土、黏土、粉砂三类土体，结合沉积相与地质年代，提供本区第四纪沉积土G/G_max-γ与λ-γ平均拟合曲线的模型参数以及参数推荐值。

本研究推荐的动力参数可直接应用于江苏东部近海地区工程场地的一维等效线性化地震反应分析，可为场地类别划分、设计地震动参数确定以及重大工程抗震设计提供关键的本土化数据支撑。需要指出的是，更新统海相黏土的G/G_max更高、λ更低，可能因海退期长期暴露与蒸发导致碳酸盐或铁锰氧化物胶结，形成较强“硬壳层”；陆相黏土胶结弱，因此非线性更强、阻尼更大。

本文关于“地质年代影响大于沉积环境影响”的初步判断，主要基于参数曲线形态的对比与模型参数值的变化趋势。由于样本数量的限制，未进行严格的数理统计检验，后续研究可通过增加样本量，并辅以方差分析等方法，对此结论进行更严格的验证。