等應(yīng)變循環(huán)加載下飽和含礫砂土的液化特性

邢明源，趙少飛

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

礫性土是指由卵石、礫、砂、粉粒、黏粒等部分或全部組成的礫粒含量從 0～100%的寬級(jí)配土，是礫質(zhì)土、礫砂、粉礫土、砂礫土和礫類土的統(tǒng)稱[1]。我國(guó)疆域遼闊，礫性土地理分布廣泛。同時(shí)礫性土作為重要工程建設(shè)材料，由于它易于取材、工程造價(jià)低且具有抗剪強(qiáng)度高、剪切模量高及壓縮性低的工程特性，常作為建筑物或構(gòu)筑物或天然地基的土工填充材料。礫性土由于粒徑較大、孔隙水壓力消散較快，通常認(rèn)為不會(huì)發(fā)生地震液化現(xiàn)象。然而，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外地震災(zāi)害實(shí)測(cè)資料證明礫性土在自然和人工場(chǎng)地都曾發(fā)生過(guò)地震液化現(xiàn)象。例如，1995年日本阪神地震[2]、1999年臺(tái)灣集集地震[3]、2008年汶川地震[4]、2016年新西蘭凱庫(kù)拉地震[5,6]等震后現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)中均發(fā)現(xiàn)大規(guī)模礫性土液化現(xiàn)象，給人類生命安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大危害。

由于礫性土定義包含范圍較廣，因此，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)、離心機(jī)模型試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等對(duì)含礫砂土的振動(dòng)液化特性進(jìn)行研究。關(guān)于含礫砂土的液化機(jī)理，陳國(guó)興等[7]指出含礫砂土在等向固結(jié)和非等向固結(jié)兩種試驗(yàn)條件下對(duì)應(yīng)著兩類破壞機(jī)理，即含礫砂土有效應(yīng)力下降至零的循環(huán)液化和發(fā)生較大累積軸向應(yīng)變的循環(huán)失效。對(duì)于含礫量對(duì)液化特性的影響，飽和含礫砂土隨著含礫量的增加含礫砂土抗液化強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著的非線性遞增趨勢(shì)[8]。王炳輝等[9]通過(guò)室內(nèi)小型土箱振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了含礫量、土的相對(duì)密度對(duì)含礫砂土抗液化特性的影響，結(jié)果表明隨著含礫量和相對(duì)密度增大，其抗液化性能而增加。Yamamoto等[10]對(duì)含礫砂土進(jìn)行部分排水條件下的三軸循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在部分排水條件下的最小抗液化能力，可作為改良砂土的抗液化參數(shù)。Ghodrati等[11]利用動(dòng)三軸儀研究了含礫砂土的動(dòng)力特性，指出圍壓和含礫量是決定含礫砂土剪切模量和阻尼比的關(guān)鍵因素。Pender等[12]研究了滲透性對(duì)含礫砂土循環(huán)荷載下孔壓積累與消散的影響。姜印熙[13]通過(guò)循環(huán)動(dòng)三試驗(yàn)分析了含礫量對(duì)飽和砂土的液化特性影響，但采用了應(yīng)力控制，當(dāng)含礫量增加時(shí)液化所需循環(huán)次數(shù)過(guò)高，容易產(chǎn)生試樣破壞。關(guān)于循環(huán)動(dòng)三軸分析飽和砂土的液化特性問(wèn)題，現(xiàn)有資料大多采用等應(yīng)力控制，等應(yīng)變控制下飽和含礫砂土的液化特性研究尚缺乏。

由于含礫砂土液化機(jī)理較為復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)較為困難，室內(nèi)試驗(yàn)成為了研究其機(jī)理的主要方法。就控制砂土中孔壓的變化而言，應(yīng)變比應(yīng)力作用更為顯著，而且孔壓比與剪應(yīng)變之間的關(guān)系比較穩(wěn)定[14]。因此，本文在動(dòng)三軸儀上采用等應(yīng)變幅控制加載，進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)，分析不同含礫量、初始有效圍壓和軸向應(yīng)變幅值對(duì)飽和含礫砂土液化特性的影響。

1 動(dòng)三軸儀

試驗(yàn)采用張家港晟泰克智能儀器有限公司的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)備的圍壓采用氣壓提供，一定程度上緩解了循環(huán)荷載下圍壓的波動(dòng)，氣壓的施加和卸載較快可以減少試驗(yàn)所需時(shí)間。同時(shí)，由于含礫砂土試樣的礫粒直徑最大達(dá)到5 mm，該設(shè)備可容許直徑為61.8 mm的較大試樣，更好的考慮含礫量的影響。設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 動(dòng)三軸儀

表1 動(dòng)三軸儀的基本性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

選取粒徑范圍0.075～2 mm的福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為基礎(chǔ)骨架料，如圖2(a)所示。篩選2～5 mm的三門峽黃河砂作為礫粒摻和料，如圖2(b)所示。

圖2 試驗(yàn)所用材料

將篩選出的2～5 mm的礫粒摻和料與0.075～2 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂基礎(chǔ)骨架料，采用質(zhì)量配比法，按照表2的含礫量進(jìn)行配比，得到含礫量分別為0%、10%、20%和30%共四種不同顆粒級(jí)配的含礫砂土料，并繪制級(jí)配曲線如圖3所示。

表2 試驗(yàn)重塑含礫砂土料物理指標(biāo)

圖3 含礫砂土料級(jí)配曲線

所有試樣的相對(duì)密實(shí)度Dr控制為0.5，分別采用土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[15]的振動(dòng)錘擊法和漏斗量筒法測(cè)定四種試樣組的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin。根據(jù)式(1)，計(jì)算出控制干密度ρd。

(1)

2.2 試樣制備

砂土重塑試樣的三種主要制樣方法[16]包括濕搗法、空中砂雨法、水中砂雨法。水中砂雨法是在容器內(nèi)提前加入水，然后倒入干砂，得到的試樣更容易飽和且較為松散。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯匡柡秃[砂土的液化特性問(wèn)題，同時(shí)控制相對(duì)密實(shí)度Dr為0.5，所以本文選取水中砂雨法制備出直徑為61.8 mm、高度為120 mm的試樣。具體制備步驟為：

(1) 根據(jù)表2中的含礫量，配制出四種待用材料組。

(2) 根據(jù)試樣尺寸和控制干密度，計(jì)算出含礫砂土試樣所需的總質(zhì)量，然后稱取一個(gè)圓柱試樣所需的含礫砂土料總質(zhì)量，將其等分成4份。

(3) 在壓力室內(nèi)套好的橡皮膜中加入1/4高度的純凈水，加入1份含礫砂土料，輕微敲擊對(duì)開(kāi)模，依次加入另外3份，直至裝樣完成。

2.3 試驗(yàn)方案

利用動(dòng)三軸儀對(duì)飽和含礫砂土進(jìn)行了等應(yīng)變控制下的動(dòng)力特性研究。分析了含礫量、初始有效圍壓、軸向應(yīng)變幅值對(duì)飽和含礫砂土的動(dòng)力特性影響，得到含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力比Ru的發(fā)展曲線和有效應(yīng)力路徑。設(shè)計(jì)了10種試驗(yàn)工況，見(jiàn)表3，在初始有效圍壓下采用等向固結(jié)，制備試樣。

表3 試驗(yàn)方案

3 結(jié)果與分析

3.1 含礫量影響

對(duì)于摻入量分別為0%、10%、20%和30%四種工況，在初始有效圍壓為100 kPa的條件下，采用軸向等應(yīng)變幅值為1.67%的循環(huán)加載，分析含礫量變化對(duì)含礫砂土液化特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 含礫量對(duì)超靜孔隙水壓力比影響

在液化發(fā)生之前的幾次循環(huán)加載過(guò)程中，每次循環(huán)加載后的超靜孔隙水壓力值都明顯高于本次循環(huán)加載之前的值。這表明，含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力沒(méi)有及時(shí)消散，造成了含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力累積，最后超靜孔隙水壓力比達(dá)到1.0，試樣發(fā)生液化。對(duì)于不含礫的純砂試樣，如圖4(a)所示，在第9次循環(huán)加載過(guò)程，當(dāng)試樣正向加載時(shí)超靜孔隙水壓力急劇上升，正向卸載時(shí)超靜孔隙水壓力開(kāi)始小幅回落；當(dāng)反向加載開(kāi)始時(shí)超靜孔隙水壓力比開(kāi)始重新上升，超靜孔隙水壓力比達(dá)到1.0發(fā)生液化，當(dāng)開(kāi)始反向卸載時(shí)超靜孔隙水壓力大幅下降。

圖4表明，由于摻礫料的加入使得試樣的超靜孔隙水壓力比上升趨于緩慢，表明礫粒的加入改變了砂土的滲透性。隨著含礫量的增加，重塑含礫砂土試樣液化所需振次也在增加，抗液化能力在增強(qiáng)。當(dāng)含礫量為0%、10%、20%和30%時(shí)，試樣發(fā)生液化所需振次分別為9次、14次、27次和51次，如圖5所示。這表明液化所需振次隨著含礫量的增加，呈顯著非線性增加。

圖5 含礫量與液化振次的關(guān)系

3.2 初始有效圍壓的影響

為了反映初始有效圍壓對(duì)含礫砂土液化特性的影響，對(duì)于含礫量為10%、軸向應(yīng)變幅值為1.67%的條件，進(jìn)行了含礫砂土試樣在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四種圍壓下三軸試驗(yàn)。液化振動(dòng)次數(shù)和有效應(yīng)力路徑試驗(yàn)結(jié)果，分別如圖6、圖7所示。

圖6 圍壓與液化振次的關(guān)系

圖7 不同圍壓下的應(yīng)力路徑

圖6表明，隨著有效圍壓的增大，液化所需的振次呈非線性增長(zhǎng)，這說(shuō)明試樣的抗液化能力在增強(qiáng)。這是由于圍壓的增大使得試樣更加密實(shí)，開(kāi)始循環(huán)加載時(shí)相應(yīng)的試樣孔隙比變小。

根據(jù)圖7可以得出，第一次加載時(shí)平均有效應(yīng)力路徑偏向右側(cè)，試樣出現(xiàn)剪脹。同時(shí)隨著圍壓的增加，偏應(yīng)力q的峰值越來(lái)越大了。這是由于兩個(gè)方面原因，其一是制備土樣的相對(duì)密實(shí)度為0.5，所制試樣比較密實(shí)；其二是因?yàn)橛行鷫禾岣吡嗽嚇用軐?shí)度，所以發(fā)生1.67%軸向應(yīng)變，產(chǎn)生剪脹，出現(xiàn)負(fù)的孔隙壓力，平均有效應(yīng)力p′隨著偏應(yīng)力q的增大而增大，相應(yīng)的應(yīng)力路徑偏向右側(cè)。

3.3 軸向應(yīng)變幅值影響

為了反映軸向動(dòng)應(yīng)變幅值對(duì)液化的影響，在含礫量10%、初始有效圍壓為100 kPa的條件下，進(jìn)行了幅值為0.83%、1.25%、1.67%和2.08%共四種工況的三軸循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 軸向應(yīng)變幅值對(duì)超靜孔隙水壓力比影響

隨著軸向應(yīng)變幅值的增大，液化所需振次呈現(xiàn)非線性減少，當(dāng)軸向應(yīng)變幅值大于1.67%時(shí)趨于穩(wěn)定，如圖9所示。

圖9 軸向應(yīng)變幅值與液化振次的關(guān)系

4 結(jié)論

采用動(dòng)三軸儀，進(jìn)行了等應(yīng)變幅控制循環(huán)加載下飽和含礫砂土的固結(jié)不排水試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)重塑含礫砂土試樣的含礫量在0～30%范圍內(nèi)，試樣的液化振次隨含礫量的增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明其抗液化能力在增強(qiáng)。

(2) 隨著等應(yīng)變幅值的增加，重塑含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力累積加快，試樣發(fā)生液化所需的次數(shù)減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) 當(dāng)初始有效圍壓增大時(shí)，試樣的液化所需振次顯著增加，表明試樣的抗液化能力也在提高。

本文只考慮了含礫量為0～30%的飽和含礫砂土的液化特性問(wèn)題，對(duì)較高含礫量時(shí)飽和含礫砂土液化特性缺少研究。后續(xù)研究將補(bǔ)充，同時(shí)考慮礫粒形狀和制樣方法對(duì)飽和含礫砂土液化特性的影響。