付海清， 袁曉銘， 汪云龍

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；2.山東省地震局，濟(jì)南 250014)

液化問題是土動(dòng)力學(xué)和巖土地震工程研究的重要課題之一，近些年也取得了一些進(jìn)展[1-2]。相對(duì)密度、土體結(jié)構(gòu)、前期固結(jié)壓力、圍壓等土性條件是影響砂土抗液化強(qiáng)度的重要因素，這些因素又與砂土的剪切模量正相關(guān)。理論上，剪應(yīng)力τ、剪切模量G和剪應(yīng)變?chǔ)萌咧g存在γ=τ/G的關(guān)系。這意味著，在控制砂土液化時(shí)的孔壓上，應(yīng)變比應(yīng)力的作用更顯著，而且孔壓和剪應(yīng)變的關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)潔，離散性小。另外，基于應(yīng)變的液化判別法日益得到重視和發(fā)展。因此，深入研究飽和砂土液化過程中的孔壓和剪應(yīng)變的關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步揭示砂土液化機(jī)理、發(fā)展液化分析方法和探討土動(dòng)力學(xué)的基本理論具有重要意義。

目前，有關(guān)飽和砂土的孔壓與應(yīng)變(含體積應(yīng)變和軸向應(yīng)變)的研究成果并不多[3-10]，且對(duì)描述應(yīng)變的指標(biāo)，又以軸應(yīng)變或廣義剪應(yīng)變居多，而非剪應(yīng)變。近些年來，也有一些特殊類砂土的孔壓與應(yīng)變的關(guān)系研究[11-12]。這些認(rèn)識(shí)多數(shù)是作為研究砂土動(dòng)力特性中的一種現(xiàn)象描述，未深入分析研究，而且研究成果幾乎全部通過室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)得到。Dobry等曾以應(yīng)變式動(dòng)三軸為試驗(yàn)手段，進(jìn)行了大量工況的系統(tǒng)研究，并得到一些有價(jià)值的結(jié)論并沿用至今。采用動(dòng)三軸手段研究飽和砂土液化過程中孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系，由于儀器本身的固有限制，除去模擬條件方面的不足，其加載方式只能通過分組分級(jí)加載以“擬動(dòng)力”方式完成，液化的過程被人為分解。同時(shí)，循環(huán)數(shù)和應(yīng)變幅值人為設(shè)定，意義不明確。而且Chang等[13]基于現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)得到的飽和砂土的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系與Dobry等的結(jié)果在定量上存在明顯差異。也就是說，動(dòng)三軸等室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)雖然是目前認(rèn)識(shí)和研究液化的主要手段，但模擬條件與土層在實(shí)際場(chǎng)地下的真實(shí)狀態(tài)存在較大差距，難以全面復(fù)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)地液化發(fā)展過程。因此，其對(duì)液化的認(rèn)識(shí)尚需通過其他研究手段的補(bǔ)充和對(duì)比驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)，其模擬條件更接近實(shí)際場(chǎng)地條件，且以“地震動(dòng)”形式直接對(duì)土體施加荷載，而非一般動(dòng)三軸儀器的應(yīng)力控制或應(yīng)變控制加載模式，更符合實(shí)際情況。特別是機(jī)械震動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以控制條件，進(jìn)行多工況下的重復(fù)試驗(yàn)，為掌握實(shí)際場(chǎng)地土體液化發(fā)展提供了一種新的手段。因此可以從一個(gè)新的角度了解和掌握實(shí)際場(chǎng)地中土體液化響應(yīng)規(guī)律和液化土體特征。目前，現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外已有少量開展[14-19]，通過該手段對(duì)實(shí)際場(chǎng)地下土體液化的孔壓特征、孔壓增長(zhǎng)模式、孔壓發(fā)展與剪應(yīng)變、剪切模量的關(guān)系規(guī)律、液化對(duì)地表運(yùn)動(dòng)影響規(guī)律等問題進(jìn)行了初步的探討，但是總體成果十分有限，還有待于深入研究和更多研究成果的豐富完善。

鑒于此，本文采用自行發(fā)展的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)技術(shù)與方法，設(shè)計(jì)了兩種形式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)飽和砂土液化過程中剪應(yīng)變和孔壓關(guān)系進(jìn)行研究，并給出兩者關(guān)系的定量表達(dá)式。為深入了解實(shí)際場(chǎng)地下砂土液化時(shí)的孔壓與剪應(yīng)變的響應(yīng)規(guī)律，豐富土動(dòng)力學(xué)基本理論提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均采用哈爾濱砂，其物性指標(biāo)詳見表1。本文實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)，均是在試驗(yàn)場(chǎng)地通過重塑的飽和砂土進(jìn)行液化試驗(yàn)。飽和砂土采用水沉法在現(xiàn)場(chǎng)制備，并在自然狀態(tài)下固結(jié)時(shí)間在24 h。

表1 試驗(yàn)用砂物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用自行研發(fā)的動(dòng)力加載系統(tǒng)，在試驗(yàn)場(chǎng)地中激勵(lì)產(chǎn)生等幅的正弦波地震動(dòng)，以此直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)。動(dòng)力加載系統(tǒng)由激振器、剛性基礎(chǔ)、變頻控制器、電動(dòng)機(jī)及配套設(shè)備組成。該系統(tǒng)能夠激勵(lì)剛性基礎(chǔ)一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生地震動(dòng)，實(shí)測(cè)最大加速度幅值可達(dá)0.7g。該系統(tǒng)既可進(jìn)行垂向加載，也可進(jìn)行水平加載。以此開展現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)的技術(shù)方法的可行性和可靠性已被前期研究所證實(shí)。由于動(dòng)力加載系統(tǒng)的水平加載更適合地震下土體的受力狀態(tài)，本文均為水平加載試驗(yàn)結(jié)果。

加速度傳感器采用LC0113M型內(nèi)裝IC壓電傳感器，量程±2g，靈敏度2 500 mv/g?？讐簜鞲衅鞑捎肈BS300型硅壓阻液位變送器，量程0～50 kPa。數(shù)據(jù)采集儀，采用TMR-211多功能記錄儀，最高采樣率100 kHz，具備數(shù)據(jù)處理和分析功能。

1.3 試驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)兩種不同形式的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)用于研究飽和砂土液化過程中孔壓與剪應(yīng)變的關(guān)系。

1.3.1 基于模型箱的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)(T1試驗(yàn))

基于模型箱的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)布置，如圖1所示。為表述方便，在本文稱為T1試驗(yàn)。該試驗(yàn)中，模型箱埋置于試驗(yàn)場(chǎng)地中，激勵(lì)的地震動(dòng)直接對(duì)飽和砂土施加荷載，使模型箱內(nèi)的飽和砂土發(fā)生液化。

圖1 T1試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.1 Arrangement plan of the in-situ test T1

設(shè)計(jì)該試驗(yàn)中的砂土分為兩組(分別稱為近臺(tái)組和遠(yuǎn)臺(tái)組)。每組由相對(duì)密度分別為30%，50%和70%的飽和砂土組成，分別代表砂土的疏松、中密和密實(shí)三種物理狀態(tài)。模型箱中的飽和砂土直徑31 cm，高度32 cm，傳感器布置方案如圖2所示。激勵(lì)產(chǎn)生的地震動(dòng)，為頻率15 Hz的正弦波，實(shí)測(cè)近臺(tái)組加速度幅值為0.125g，遠(yuǎn)臺(tái)組為0.075g。兩組砂土同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，避免了分批次進(jìn)行試驗(yàn)可能導(dǎo)致的模擬條件差異，使得加速度、相對(duì)密度等因素對(duì)砂土液化的影響能更真實(shí)、可靠地反映到試驗(yàn)結(jié)果中。

圖2 T1試驗(yàn)傳感器布置圖Fig.2 Sketch of sensor distribution for in-situ test T1

1.3.2 基于試坑的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)(T2試驗(yàn))

基于試坑的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)布置，如圖3所示，為表述方便，在本文又稱為T2試驗(yàn)?；谠嚳拥默F(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)中，激勵(lì)產(chǎn)生的地震動(dòng)通過土體直接傳遞給飽和砂土，能夠得到更接近真實(shí)場(chǎng)地的土體液化響應(yīng)規(guī)律。

設(shè)計(jì)在場(chǎng)地開挖的試坑內(nèi)制備飽和砂土進(jìn)行液化試驗(yàn)，砂土的相對(duì)密度約45%，體積1 m3。輸入地震動(dòng)為15 Hz的正弦波，實(shí)測(cè)地表加速度幅值約0.1g?，F(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)的傳感器布置示意圖，如圖4所示。以坑底位置為0 cm參考點(diǎn)，在飽和砂土的15 cm，50 cm和85 cm處同時(shí)布置加速度傳感器和孔壓傳感器。為完整地采集到預(yù)期設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和相互驗(yàn)證同一測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，砂土內(nèi)部傳感器均采用“備份原則”布置。

圖3 T2試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.3 Arrangement plan of the in-isitu test T2

圖4 T2試驗(yàn)傳感器布置圖Fig.4 Sketch of sensor distribution for in-situ test T2

前期的研究工作已證實(shí)，設(shè)計(jì)的兩種形式的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)均是成功的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，可用于相關(guān)液化問題的分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系，定義為液化過程中土體剪應(yīng)變幅值與累積孔壓比之間的關(guān)系。考慮到基于模型箱和基于試坑現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)的模擬條件存在一定的差異，因此分別給出兩種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系。

2.1 剪應(yīng)變計(jì)算方法

由于目前土體位移測(cè)量上的困難，對(duì)于土層中位移更是沒有直接測(cè)試的成熟方法。目前土體的剪應(yīng)變無法直接測(cè)量，靠計(jì)算得到。計(jì)算方法主要分為基于位移和基于波傳理論的兩種方法?；谖灰频募魬?yīng)變方法應(yīng)用較多，計(jì)算精度也能保證。

本文采用兩點(diǎn)位移法計(jì)算土體剪應(yīng)變。具體方法如下：即首先獲取土體地表和底部測(cè)點(diǎn)的加速度，然后以加速度記錄經(jīng)過兩次積分得到土體位移，進(jìn)而通過土體位移計(jì)算得到剪應(yīng)變。以加速度兩次積分得到位移求解土體剪應(yīng)變的方法，實(shí)際上也存在一定爭(zhēng)議。本文選用此法，主要基于以下原因：①在地震工程學(xué)中，經(jīng)常通過地震加速度記錄積分獲得位移，技術(shù)成熟；②加速度記錄容易獲取，應(yīng)用廣泛，便于推廣；③加速度為單一頻率的諧波時(shí)，計(jì)算精度更能得到保證；④課題組曾以位移計(jì)實(shí)測(cè)的位移為參照，通過多次不同工況(含地震波輸入)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)作對(duì)比分析，測(cè)量位移與積分所得位移存在很高的吻合度；⑤采用此法計(jì)算得到的土體剪應(yīng)變與目前為數(shù)不多的“應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果”相吻合，即當(dāng)飽和砂土剪應(yīng)變達(dá)到約0.01%時(shí)累積孔壓開始發(fā)展。

圖5給出了T1試驗(yàn)中遠(yuǎn)臺(tái)組相對(duì)密度30%飽和砂土的剪應(yīng)變和累積孔壓比時(shí)程。剪應(yīng)變時(shí)程由實(shí)測(cè)加速度時(shí)程計(jì)算得到，累積孔壓比時(shí)程為實(shí)測(cè)的孔壓時(shí)程略去動(dòng)態(tài)波動(dòng)孔壓后與上覆有效壓力的比值。

圖5 飽和砂土剪應(yīng)變與累積孔壓比時(shí)程(T1試驗(yàn)，遠(yuǎn)臺(tái)組，Dr=30%)Fig.5 Shear strain and residual pore pressure ratio time histories of saturated sand (in-situ test T1, far-base group, Dr=30%)

2.2 T1試驗(yàn)結(jié)果分析

將T1試驗(yàn)中得到的砂土剪應(yīng)變幅值和對(duì)應(yīng)的孔壓比示，如圖6所示。由于遠(yuǎn)臺(tái)組相對(duì)密度70%砂土的底部加速度數(shù)據(jù)采集意外缺失，該砂土剪應(yīng)變數(shù)據(jù)未能給出。

從圖6可知：T1試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分布在一個(gè)相對(duì)集中的條帶中，盡管5個(gè)砂土模型的相對(duì)密度和加速度幅值有所不同，但是孔壓開始發(fā)展的應(yīng)變門檻值均接近0.01%。對(duì)于近臺(tái)組而言，同樣的加速度幅值下，不同相對(duì)密度的砂土在同一剪應(yīng)變下孔壓比差值<0.2，而且中密砂和密實(shí)砂的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系差別更??；對(duì)于遠(yuǎn)臺(tái)組而言，松砂和中密砂的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系差別也很小，甚至有部分的重疊現(xiàn)象。

圖6 T1試驗(yàn)中飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Residual pore pressure-strain relationship of saturated sand obtained from in-situ test T1

由圖6可知：①飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系，與加速度幅值和相對(duì)密度均有一定的相關(guān)性。這種相關(guān)性表現(xiàn)為加速度幅值越大，相對(duì)密度越小時(shí)，同樣的剪應(yīng)變下砂土的孔壓增長(zhǎng)越快，不過，這種規(guī)律的可區(qū)分性并不明顯；②相對(duì)密度、加速度幅值對(duì)孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系的影響較小，從工程實(shí)用的角度，可以考慮忽略相對(duì)密度、加速度幅值的影響；③就相對(duì)密度、加速度幅值兩個(gè)影響因素而言，加速度幅值對(duì)孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系的影響程度要大于相對(duì)密度。

由于數(shù)據(jù)相對(duì)集中地分布在一個(gè)條帶中，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到T1試驗(yàn)的平均曲線。根據(jù)已有認(rèn)識(shí)：累計(jì)孔壓在剪應(yīng)變到一定程度時(shí)才開始發(fā)展，而且孔壓比存在理論上限1。剪應(yīng)變隨著土體液化后，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展，即不存在理論上限。基于以上事實(shí)和分析，提出數(shù)學(xué)和液化物理過程一致的表達(dá)，其公式寫為式

U=1-exp(aγ+b)，(U≥0)

(1)

式中：U為累積孔壓比；γ為剪應(yīng)變幅值，%；a和b為試驗(yàn)擬合參數(shù)。

根據(jù)T1試驗(yàn)的結(jié)果，擬合得到的飽和砂土液化過程中孔壓和剪應(yīng)變關(guān)系的定量表達(dá)式寫為

U=1-exp(-18γ+0.11)

(2)

將擬合得到的平均曲線也繪于圖6中，可進(jìn)一步得到以下結(jié)論：①T1試驗(yàn)結(jié)果顯示的應(yīng)變門檻值約為0.007%，略小于通常認(rèn)為的門檻剪應(yīng)變值0.01%，兩者在數(shù)值上差別不大，結(jié)果趨于一致；②土體剪應(yīng)變?cè)?.03%～0.30%時(shí)，累積孔壓迅速發(fā)展；③由擬合平均曲線外推可知，當(dāng)土體剪應(yīng)變達(dá)到0.30%時(shí)，孔壓比發(fā)展到1。

2.3 T2試驗(yàn)結(jié)果分析

將該試驗(yàn)得到的砂土剪應(yīng)變幅值和對(duì)應(yīng)的孔壓比如圖7所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均曲線的擬合，仍采用式(1)的形式。T2試驗(yàn)得到的飽和砂土液化過程中孔壓和剪應(yīng)變關(guān)系的定量表達(dá)式寫為

U=1-exp(-9γ+0.47)

(3)

將該擬合得到的平均曲線同樣繪于圖7中，可得到：①土體孔壓開始增長(zhǎng)的剪應(yīng)變門檻值約為0.007%，這和T1試驗(yàn)結(jié)果一致；②土體剪應(yīng)變?cè)?.03%～0.30%時(shí)，累積孔壓迅速發(fā)展，這和T1試驗(yàn)結(jié)果一致；③兩次工況下，砂土的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系幾乎完全一致，在這兩個(gè)工況中，輸入加速度相同，唯一的不同是T2-2工況中的砂土密實(shí)程度有所增加。這進(jìn)一步說明相對(duì)密度對(duì)孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系影響不大；④從擬合平均曲線外推可知，當(dāng)土體剪應(yīng)變達(dá)到0.5%時(shí)，孔壓發(fā)展到1。

圖7 T2試驗(yàn)中飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Residual pore pressure-strain relationship of saturated sand obtained from in-situ test T2

2.4 T1和T2試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

將T1和T2試驗(yàn)中得到的飽和砂土孔壓比與對(duì)應(yīng)剪應(yīng)變幅值的數(shù)據(jù)點(diǎn)、平均曲線一并繪于圖8中。從圖8可知，盡管加速度幅值變化范圍在0.075g～0.125g，砂土的相對(duì)密度范圍30%～70%，但數(shù)據(jù)點(diǎn)仍然集中在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)，而且通過T1,T2液化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得到平均曲線也是十分接近的。

圖8 T1和T2試驗(yàn)飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系Fig.8 Residual pore pressure-strain relationship of saturated sand obtained from in-situ tests T1 and T2

相比于T1試驗(yàn)，T2試驗(yàn)的模擬條件更接近真實(shí)場(chǎng)地。從孔壓增長(zhǎng)模式上看，T2試驗(yàn)中飽和砂土的孔壓增長(zhǎng)速率緩慢，這不同于T1試驗(yàn)結(jié)果。而由T1，T2試驗(yàn)所得到的飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系，兩者不但在定性上一致，而且在定量上也基本相同。本文現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)進(jìn)一步說明：飽和砂土液化過程中，孔壓與剪應(yīng)變的關(guān)系是相對(duì)穩(wěn)定且單一的。

3 對(duì)比分析與討論

Dobry等以應(yīng)變式動(dòng)三軸為試驗(yàn)手段，通過相對(duì)密度范圍為20%～80%，圍壓范圍為25～200 kPa的八種砂土試樣，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，系統(tǒng)研究砂土的孔壓與剪應(yīng)變的關(guān)系。其主要認(rèn)識(shí)如下：飽和砂土的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定且單一，即不同相對(duì)密度、不同圍壓、不同砂土的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系曲線在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)變化，從工程角度可以歸結(jié)為一條平均意義的曲線。飽和砂土的剪應(yīng)變門檻值為0.01%～0.02%。這些認(rèn)識(shí)，基本沿用至今。

Chang等進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)和本文T2現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)是類似的。為表述上的方便，下文簡(jiǎn)稱Chang現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)為Chang等的試驗(yàn)。該試驗(yàn)，是通過震蕩震源車作為激勵(lì)震源，激勵(lì)產(chǎn)生頻率為20 Hz的正弦波豎向地震動(dòng)，在試驗(yàn)場(chǎng)地通過試坑內(nèi)重塑的飽和砂土進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中所用的Aggregate砂的物理指標(biāo)、顆粒級(jí)配等指標(biāo)與本文試驗(yàn)所用哈爾濱砂的指標(biāo)均相近，制備的飽和砂土相對(duì)密度約為40%。

3.1 Chang等的試驗(yàn)和Dobry等的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Chang等就其現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)結(jié)果和與Dobry等的應(yīng)變式動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。兩個(gè)試驗(yàn)中得到飽和砂土的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系，如圖9所示。具體試驗(yàn)控制條件也見圖9。

由圖9可知：兩個(gè)試驗(yàn)中，飽和砂土的孔壓與剪應(yīng)關(guān)系曲線的發(fā)展模式是趨于一致的，剪應(yīng)變與孔壓關(guān)系也相對(duì)單一，但是在定量上存在如下差別：孔壓快速發(fā)展階段，土體剪應(yīng)變發(fā)展的量級(jí)大小不同。Dobry等的試驗(yàn)結(jié)果顯示在0.03%～0.30%，大于Chang等的試驗(yàn)中得到約為0.01%的結(jié)果。

圖9 Chang等的試驗(yàn)和Dobry等的試驗(yàn)中的飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系比較Fig.9 Comparison for residual pore pressure-strain relationship of saturated sand obtained from Chang’s tests and Dobry’s tests

需做說明的是：這兩個(gè)試驗(yàn)中的孔壓比的計(jì)算略有差異(即瞬態(tài)孔壓和累積孔壓的區(qū)別，無實(shí)質(zhì)性影響)。另外，Chang等的試驗(yàn)中的砂土剪應(yīng)變基于有限元方法計(jì)算得到；Dobry等的試驗(yàn)中的砂土剪應(yīng)變，基于公式γ=(1+υ)ε，以泊松比υ=0.5和相應(yīng)的軸應(yīng)變?chǔ)呸D(zhuǎn)換得到。

3.2 Chang等的試驗(yàn)、Dobry等的試驗(yàn)和本文試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

把Chang等的試驗(yàn)、Dobry等的試驗(yàn)和本文T2試驗(yàn)中得到的飽和砂土的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系曲線一起繪于圖10中。其中，T2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)段由實(shí)線表示，擬合外推段由虛線表示；Dobry等的試驗(yàn)采用圖9中所述工況的試驗(yàn)平均曲線數(shù)據(jù)。Chang試驗(yàn)采用圖9中所述工況中一次加載完成(即n=20)的結(jié)果。

圖10 三種試驗(yàn)中飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系比較Fig.10 Comparison for residual pore pressure-strain relationship of saturated sand obtained from Chang’s tests， Dobry’s tests and T2 test

從定性上看，三種不同試驗(yàn)得到的飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展模式是趨于一致的。從定量上，本文T2試驗(yàn)與Dobry等的試驗(yàn)結(jié)果更為吻合。這主要表現(xiàn)為：孔壓迅速發(fā)展的剪應(yīng)變范圍在0.03%～0.30%，當(dāng)土體剪應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)，孔壓比已經(jīng)達(dá)到約0.8。

感到意外的是：本文T2試驗(yàn)和Chang等的試驗(yàn)差別存在較大差別。兩者均是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，且模擬條件、砂土的物理指標(biāo)、密實(shí)度、上覆壓力均相近，但孔壓比與剪應(yīng)變的關(guān)系差別較大。分析最可能原因是：Chang等的試驗(yàn)中的土體剪應(yīng)變是通過有限元方法計(jì)算得到，盡管有限元方法本身是一種可靠成熟的數(shù)值計(jì)算方法，但是對(duì)于大變形的液化的土體而言，有限元方法的適用性較差，對(duì)剪應(yīng)變的計(jì)算可能存在較大誤差。因此以此得到的剪應(yīng)變與孔壓關(guān)系的可靠性值得商榷。

3.3 加載模式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

機(jī)械人工源現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)，雖然可以控制地震動(dòng)大小并進(jìn)行多次不同工況重復(fù)試驗(yàn)，但加載部位為地表向下，而實(shí)際地震波從地下自下而上，這種差異的確是存在的。但是對(duì)于任何單元土體，液化均由往返荷載作用所觸發(fā)，只與該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，與荷載何方向傳入無關(guān)，最典型的例子為動(dòng)三軸液化試驗(yàn)。本文中，機(jī)械人工源只是提供了一種土體在現(xiàn)場(chǎng)條件下發(fā)生液化的外荷載，研究目標(biāo)不是土體液化場(chǎng)的空間分布，只是研究飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變之間的關(guān)系規(guī)律。本文中T1和T2現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)中，加載模式就存在自上而下和自下而上的差別，然而分別得到的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系平均曲線卻十分接近。另外，土體在機(jī)械和波浪荷載下也存在液化問題，區(qū)別于地震荷載，這些荷載則是自上而下傳播的。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)可從一個(gè)新的角度了解和掌握實(shí)際場(chǎng)地中土體液化響應(yīng)規(guī)律和液化土特征，用于補(bǔ)充室內(nèi)試驗(yàn)的不足，并與已有認(rèn)識(shí)相互對(duì)比、相互驗(yàn)證。本文采用自行發(fā)展的現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)技術(shù)與方法，設(shè)計(jì)完成了兩種形式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了飽和砂土液化過程中剪應(yīng)變和孔壓關(guān)系，給出了兩者關(guān)系的定量表達(dá)式，并與他人基于動(dòng)三軸試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)得到結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和討論。主要結(jié)論如下：

(1)兩種現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)結(jié)果均表明，相對(duì)密度對(duì)飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系的影響較小。從工程意義上，可忽略這種因素的影響。這與基于室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的認(rèn)識(shí)一致。

(2)通過本文現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加速度對(duì)飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變的關(guān)系同樣影響較小。從工程意義上，也可忽略這種因素的影響，但其對(duì)孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系的影響程度要大于相對(duì)密度。

(3)兩種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)M條件雖然存在一定差異，孔壓增長(zhǎng)模式也有所不同，但是試驗(yàn)所得到的孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系十分接近。這進(jìn)一步表明：飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變的關(guān)系是相對(duì)穩(wěn)定且單一的。

(4)飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變的關(guān)系，可用數(shù)學(xué)和液化物理過程表達(dá)一致的公式 [U=1-exp(aγ+b),U≥0]進(jìn)行定量描述。

(5)本文現(xiàn)場(chǎng)液化試驗(yàn)結(jié)果表明：土體剪應(yīng)變?cè)?.03～0.30%時(shí)，累積孔壓快速發(fā)展。當(dāng)剪應(yīng)變約為0.5%左右時(shí)，孔壓比能達(dá)到1。這一結(jié)果，與Dobry等的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果基本一致，而與Chang等的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果存在差異。

(6)本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和Chang等的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件基本類似，但是得到的飽和砂土孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系在定量上存在較大差異，原因是Chang等的土體剪應(yīng)變?yōu)橛邢拊?jì)算得到，而有限元方法在土體液化大變形條件下并不成熟，計(jì)算出的土體剪應(yīng)變的可靠性值得商榷。