循環(huán)預(yù)剪作用對飽和粉土抗液化強(qiáng)度和孔壓發(fā)展的影響

豐土根，王 飛，張福海

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098)

近年來，越來越多的海洋建筑物修建在粉土地基上，對海洋粉土在波浪荷載作用下動力特性的研究顯得日益重要.波浪荷載具有周期長、作用時(shí)間長等特點(diǎn)，尤其是波浪荷載作用的持續(xù)性使海洋建筑物在經(jīng)受巨大的波浪荷載作用之前，已經(jīng)受若干較小波浪荷載的作用，這些小波浪將會對?；a(chǎn)生影響，形成“預(yù)剪效應(yīng)”.W.L.Finn等［1］研究發(fā)現(xiàn)了對飽和砂土二次加載液化強(qiáng)度影響的門檻剪應(yīng)變.A.K.Ishihar等［2］研究發(fā)現(xiàn)小預(yù)剪作用會提高飽和砂土的液化強(qiáng)度.M.Oda等［3］認(rèn)為砂土二次加載液化強(qiáng)度的顯著降低，主要是由預(yù)剪過程中土體所形成的高度各向異性結(jié)構(gòu)造成的.張振東［4］認(rèn)為，隨著循環(huán)應(yīng)力幅值的增加，飽和砂土的抗液化強(qiáng)度不斷得到提高.蘇棟等［5］發(fā)現(xiàn)小地震極大地提高了飽和砂土的抗液化能力，而遭強(qiáng)震下液化的砂土可能在以后強(qiáng)度相對較小的地震中再次液化.曹宇春等［6］提出了粉土孔隙水壓力發(fā)展模型，并與細(xì)砂的孔隙水壓力發(fā)展模型進(jìn)行了對比.曾長女等［7］提出了振動孔隙水壓力比與振次之間滿足雙曲線的發(fā)展模式.張健等［8］利用空心圓柱儀對飽和粉土進(jìn)行了一系列模擬波浪荷載的循環(huán)三軸－扭剪耦合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)歸一化后的振動孔隙水壓力比與振次比之間的關(guān)系可以用反正弦三角函數(shù)來擬合，擬合參數(shù)θ與偏應(yīng)力比和相對密實(shí)度成正比，與頻率無關(guān).可見，以往學(xué)者多以砂土為預(yù)剪效應(yīng)研究對象，研究粉土的較少，因?yàn)樽钤缫夯瘑栴}的研究主要是針對砂土，粉土液化問題是后期提出的，且砂土試驗(yàn)容易操作，粉土在成樣上較困難，研究受到局限.考慮波浪荷載預(yù)剪效應(yīng)時(shí)忽略了波浪荷載長期性的特點(diǎn)，循環(huán)預(yù)剪振次較少;對飽和粉土孔隙水壓力發(fā)展模式的建立沒有考慮波浪荷載的預(yù)剪效應(yīng).

本研究通過循環(huán)三軸試驗(yàn)，針對飽和粉土，在均等固結(jié)條件下，研究不同循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力和循環(huán)預(yù)剪振次對飽和粉土抗液化強(qiáng)度的影響，對不同情況下的振動孔隙水壓力比與振次比歸一化曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，并對擬合參數(shù)的影響因素進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

DDS－70微機(jī)控制電磁式振動三軸儀用于研究土動力特性，適用直徑39.1 mm，高80 mm圓柱體試樣，軸向最大力1370 N，側(cè)向壓力為0～0.6 MPa，反壓0～0.3 MPa，頻率范圍0.1～10 Hz，最大允許軸向位移20 mm.具有自動采集數(shù)據(jù)和處理功能.

1.2 試驗(yàn)材料

粉土采自東營黃河口.制備試樣尺寸φ39.1 mm×80 mm.級配曲線如圖1所示，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%.

圖1 級配曲線

試樣為粉土重塑試樣，控制干密度為1.55 g·cm－3，初始含水率為12%，制樣采取分層擊實(shí)法，分5層擊實(shí)，擊實(shí)到相應(yīng)高度后，各層接觸面刮毛，以保證上下層接觸良好.試樣飽和采取真空飽和法，確?？紫端畨毫ο禂?shù)B≥0.98.粉土基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下:相對體積質(zhì)量為2.71，液限為28.88%，塑限19.52%，塑性指數(shù)為9.36.

1.3 試驗(yàn)方案

控制三向均等初始固結(jié)條件，周圍壓力σ3=100 kPa.首先，試樣在σ3下固結(jié)排水，當(dāng)試樣固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥.其次，不排水條件下對試樣施加較小的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力σd1，并設(shè)定循環(huán)預(yù)剪振次Np.在循環(huán)預(yù)剪作用完成之后(試樣未發(fā)生破壞)，重新打開排水閥固結(jié)排水.最后，施加一定幅值的二次循環(huán)應(yīng)力σd2直至試樣液化破壞.循環(huán)預(yù)剪和二次循環(huán)作用階段循環(huán)荷載的振動頻率都為1 Hz.

試驗(yàn)分4組，σd2不變，研究不同σd1和Np對飽和粉土抗液化強(qiáng)度和孔壓發(fā)展的影響.方案見表1.

表1 試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)結(jié)束控制條件

破壞標(biāo)準(zhǔn)分為孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)，本研究的粉土試樣在振動過程中孔隙水壓力不能達(dá)到有效圍壓，因此，取試樣雙幅軸向動應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)的初始液化狀態(tài)［9］作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，其相對應(yīng)的振次為破壞振次Nf.

2 結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)預(yù)剪階段孔隙水壓力和軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力 σd1為25.6，33.8和38.2 kPa，設(shè)定最大循環(huán)預(yù)剪振次為150次，此時(shí)，循環(huán)預(yù)剪階段不同循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力下的孔壓增長曲線和軸向應(yīng)變增長曲線如圖2所示.

由圖2可知:在3種不同的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力作用下，預(yù)剪階段飽和粉土孔隙水壓力增長較慢，后期孔壓的發(fā)展基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，最終孔隙水壓力最大約40 kPa，未達(dá)到圍壓.不同的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力作用下，預(yù)剪階段軸向應(yīng)變變化非常小，遠(yuǎn)未達(dá)到5%軸向應(yīng)變的破壞標(biāo)準(zhǔn).所以本試驗(yàn)預(yù)剪階段試樣未發(fā)生破壞，對循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力的選取較為合理.

圖2 循環(huán)預(yù)剪階段孔壓應(yīng)變曲線

2.2 循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力對飽和粉土抗液化強(qiáng)度的影響

當(dāng)循環(huán)預(yù)剪振次Np分別為50，100和150次時(shí)，不同的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力作用下，飽和粉土的孔隙水壓力發(fā)展曲線如圖3所示.循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力σd1與二次加載時(shí)破壞振次Nf之間的關(guān)系如圖4所示.

圖3 不同的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力作用下，振次－孔隙水壓力關(guān)系曲線

圖4 循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力與破壞振次關(guān)系

由圖3，4可知:無循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)，在二次循環(huán)應(yīng)力σd2=58.1 kPa作用下，飽和粉土破壞振次為15次;循環(huán)預(yù)剪振次 Np=100次時(shí)，在 σd1=25.6 kPa時(shí)振次為 29次，σd1=33.8 kPa時(shí)為68次，σd1=38.2 kPa時(shí)為82次，破壞振次提高了67次;循環(huán)預(yù)剪振次為50，150次時(shí)，兩者有相似的提高規(guī)律.

因此，相同循環(huán)預(yù)剪振次下，隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力的增大，二次加載時(shí)飽和粉土達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的振動次數(shù)大大增加.循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力對飽和粉土在二次加載時(shí)的孔壓發(fā)展有很大影響，在循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力未能造成土體液化時(shí)，較小的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力可以提高飽和粉土的抗液化強(qiáng)度，但影響不大.隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力的增大，飽和粉土抗液化強(qiáng)度的提高更加明顯，說明在飽和粉土遭受破壞荷載之前經(jīng)歷的較小荷載可以提高其抗液化強(qiáng)度，延緩液化的發(fā)生.

由于多數(shù)試驗(yàn)都是沿用研究地震荷載的思路，直接施加破壞荷載，破壞振次較少，忽略了波浪荷載的預(yù)剪效應(yīng).因此，只有考慮了預(yù)剪效應(yīng)，對波浪荷載下飽和粉土液化特性的研究才能更接近實(shí)際，才能更好地揭示波浪荷載下粉土液化的機(jī)理，為工程設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)，避免參數(shù)選取過于安全帶來不必要的浪費(fèi).

循環(huán)預(yù)剪作用可以提高飽和粉土的抗液化強(qiáng)度，主要是因?yàn)檠h(huán)預(yù)剪作用下飽和粉土的孔壓有部分提高，重新排水固結(jié)之后其微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，其強(qiáng)度得到了提高.一方面，因?yàn)橥令w粒在循環(huán)預(yù)剪過程中發(fā)生了重新排列，孔隙比減小，且孔隙更加均勻，從而土體變得更密實(shí)，使土體結(jié)構(gòu)更加均勻與穩(wěn)定;另一方面，在循環(huán)預(yù)剪過程中，砂粒間咬合作用得到一定程度的提高，粘粒的存在也使得土體膠結(jié)作用增強(qiáng)，從而飽和粉土形成了更加穩(wěn)定結(jié)構(gòu).

循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力作用下，粉土試樣不會發(fā)生液化，土顆粒僅重新排列而未發(fā)生破碎，較小循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力對粉土影響小，與無循環(huán)荷載相比，粉土孔隙變化較小，粉土振動壓密現(xiàn)象不明顯，顆粒咬合作用和膠結(jié)作用增強(qiáng)較少，因此粉土抗液化強(qiáng)度提高較少;隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力增大，粉土振動壓密現(xiàn)象越明顯，砂粒咬合作用和粘粒膠結(jié)作用提高較多，試樣結(jié)構(gòu)更加均勻和穩(wěn)定，所以粉土抗液化強(qiáng)度大大提高.

2.3 循環(huán)預(yù)剪振次對飽和粉土抗液化強(qiáng)度的影響

當(dāng)循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力σd1為25.6，33.8和38.2 kPa時(shí)，不同的循環(huán)預(yù)剪振次下，飽和粉土的孔隙水壓力發(fā)展曲線如圖5所示，循環(huán)預(yù)剪振次Np與二次加載時(shí)破壞振次Nf之間的關(guān)系如圖6所示.

圖5 不同循環(huán)預(yù)剪振次下，振次－孔隙水壓力關(guān)系曲線

圖6 循環(huán)預(yù)剪振次與破壞振次關(guān)系

由圖 5，6可知:當(dāng)循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力 σd1=33.8 kPa，循環(huán)預(yù)剪振次 Np=50，100，150 次時(shí)，飽和粉土在σd2=58.1 kPa作用下達(dá)到破壞時(shí)的振次為56，68，75次，破壞振次得到提高，循環(huán)預(yù)剪為25.6 kPa和38.2 kPa時(shí)有相似的提高規(guī)律.

因此，相同循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力下，隨著循環(huán)預(yù)剪振次的增加，二次加載時(shí)飽和粉土達(dá)到液化時(shí)的振次有所增大.循環(huán)預(yù)剪振次對粉土的抗液化強(qiáng)度有影響，當(dāng)循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力較小時(shí)，隨著循環(huán)預(yù)剪振次的增加，粉土達(dá)到液化時(shí)的振次有所提高卻不明顯，其抗液化強(qiáng)度提高的較小;在較高的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力下，隨預(yù)剪時(shí)間的增長，飽和粉土的抗液化強(qiáng)度提高的較多，但是當(dāng)循環(huán)預(yù)剪振次超出某一值時(shí)，飽和粉土的抗液化強(qiáng)度可能不會繼續(xù)得到提高.

循環(huán)預(yù)剪作用可以使飽和粉土振動壓密，隨著循環(huán)預(yù)剪振次增加，飽和粉土的抗液化強(qiáng)度有所提高.循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力較小時(shí)，飽和粉土振動壓密水平較低，在較少的循環(huán)預(yù)剪振次時(shí)已達(dá)到該水平，隨著循環(huán)預(yù)剪振次的提高，土顆粒不會破碎也無法重新排列，土體的壓密程度、顆粒的咬合作用和膠結(jié)作用不會再得到提高，其結(jié)構(gòu)變化較小，土體強(qiáng)度不會再得到提高，從而在較高的循環(huán)預(yù)剪振次作用下，飽和粉土的抗液化強(qiáng)度提高不明顯.

循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力較大時(shí)，達(dá)到該循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力下的振動壓密水平所需振次較高，所以隨著循環(huán)次數(shù)增加，飽和粉土抗液化強(qiáng)度提高得較多，但是當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到某一值時(shí)，土體達(dá)到該循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力水平下的穩(wěn)定密實(shí)狀態(tài)，其抗液化強(qiáng)度不會再提高.

2.4 循環(huán)預(yù)剪作用對孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律的影響

有無循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)，飽和粉土孔壓比－振次比歸一化曲線如圖7所示.

圖7 振次－孔壓歸一化曲線

由圖7可知:無循環(huán)預(yù)剪荷載施加時(shí)，飽和粉土的孔隙水壓力增長模式為雙曲線，在振動初期孔隙水壓力快速增長，后期發(fā)展緩慢.有循環(huán)預(yù)剪荷載作用時(shí)，飽和粉土孔隙水壓力發(fā)展模式為反正弦，不同循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力和循環(huán)預(yù)剪振次下的孔壓比－振次比歸一化曲線離散性較小，孔隙水壓力發(fā)展模式不依賴于循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力和循環(huán)預(yù)剪振次.

反正弦孔隙水壓力模式呈現(xiàn)快→平穩(wěn)→急劇上升的現(xiàn)象，循環(huán)荷載施加初期孔壓上升較快，中期孔壓以較小的增長率發(fā)展，在后期孔壓急劇上升達(dá)到初始液化［10］.

孔壓增長規(guī)律受到土性、動荷條件、初始固結(jié)條件等的影響.無循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)孔壓增長模式不一定只是雙曲線.為此，有無循環(huán)預(yù)剪作用飽和粉土的孔壓發(fā)展模式不同.由于粉土的滲透系數(shù)較小，在振動初始階段，孔壓不易消散和轉(zhuǎn)移，致使孔隙水壓力增長較快，在該階段有無循環(huán)預(yù)剪作用孔壓增長方式相似.

由于粘粒的存在，在循環(huán)預(yù)剪作用之后，粉土中粘粒的膠結(jié)作用提高，致使試樣的強(qiáng)度提高，結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定，因此循環(huán)預(yù)剪作用后粘粒的這種作用更大程度阻礙了孔隙水壓力的快速發(fā)展，使孔壓的發(fā)展處于一個穩(wěn)定階段，而本研究較高的二次振動荷載使得無循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)粘粒的作用不明顯，孔壓持續(xù)快速發(fā)展.循環(huán)預(yù)剪作用延緩了孔壓在中期的快速發(fā)展，到后期時(shí)，試樣發(fā)生軟化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低，致使孔壓急劇增長，而無循環(huán)預(yù)剪作用的粉土在后期孔壓已經(jīng)很大不會急劇上升，此時(shí)孔壓增長緩慢并最終將接近圍壓處于穩(wěn)定階段.

有循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)飽和粉土孔隙水壓力發(fā)展模式與H.B.Seed等［11］建議的飽和砂土液化時(shí)得到的反正弦振動孔壓發(fā)展規(guī)律曲線形態(tài)相接近，其擬合關(guān)系可以表達(dá)為

不同的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力和循環(huán)預(yù)剪振次下的飽和粉土振動孔壓比－振次比歸一化曲線與擬合曲線如圖8所示.

由8圖可知:在不同循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力和不同循環(huán)預(yù)剪振次作用下，擬合參數(shù)θ=0.2～0.4.當(dāng)循環(huán)預(yù)剪振次Np=50次時(shí)，隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力的增大，θ呈先增大后減小趨勢，整體上呈減小趨勢;Np=100次時(shí)，θ隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力的增大逐漸減小;Np=150次時(shí)，隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力的增大，θ呈先減小后增大趨勢，整體呈減小趨勢.σd1=25.6 kPa和σd1=33.8 kPa時(shí)，循環(huán)預(yù)剪振次對θ的影響較小;σd1=38.2 kPa時(shí)，θ隨著循環(huán)預(yù)剪振次的增大而逐漸減小.

圖8 歸一化曲線與Seed公式擬合孔壓發(fā)展曲線

3 結(jié)論

通過不同循環(huán)預(yù)剪作用下的動三軸試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論:

1)在較小的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力作用下飽和粉土在預(yù)剪階段不會發(fā)生破壞.

2)循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力越大，二次加載時(shí)飽和粉土達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的振動次數(shù)越多，抗液化強(qiáng)度越高.

3)循環(huán)預(yù)剪振次的增多能提高飽和粉土的抗液化強(qiáng)度，但循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力較小時(shí)提高得不明顯，當(dāng)循環(huán)預(yù)剪振次達(dá)到某一值時(shí)，其抗液化強(qiáng)度不會再得到提高.

4)無循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)，飽和粉土孔壓發(fā)展模式為雙曲線;有循環(huán)預(yù)剪作用時(shí)為反正弦，反正弦擬合參數(shù)較小，為0.2～0.4.

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