南黃海輻射沙脊群粉質(zhì)砂土液化后大變形特性試驗研究＊

張振東，曹 培，宗鐘凌

（1.淮海工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

南黃海輻射狀沙脊群位于現(xiàn)代長江三角洲以北、舊黃河三角洲以南的蘇北岸外淺海區(qū)，向海洋呈輻射狀分布，規(guī)模巨大，形態(tài)特殊，沙脊群間形成了多條深水潮流通道，是天然的港口資源。因此，在輻射沙脊群上進行外海人工島的開發(fā)與建設(shè)對于港口資源的保護與利用具有十分重要的意義。然而，由于該區(qū)域地基土體主要為粉質(zhì)砂土，易在地震等荷載作用下發(fā)生液化。而與單純的液化相比，砂土液化后引起的大變形所導(dǎo)致的破壞往往更為嚴(yán)重，而且它的發(fā)生極為普遍，幾乎每次地震導(dǎo)致的砂土液化都會伴隨有大變形的發(fā)生，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此對地震液化后砂土應(yīng)力和變形特性的研究就顯得尤為重要。

Seed［1］較早就注意到地震作用不僅會導(dǎo)致飽和砂土的液化，同時砂土的液化會誘發(fā)地基產(chǎn)生較大的水平向永久變形，對各種堤壩及與其相鄰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞。1986年日本學(xué)者Hamada等［2］利用航空照片對1964年的新瀉地震及1983年的日本海中部地震震害進行了廣泛的調(diào)查。調(diào)查顯示，由于地表傾斜以及靠近河岸海岸的場地中有驅(qū)動剪應(yīng)力的存在，地震荷載作用下的砂土地基發(fā)生液化后，會進一步產(chǎn)生較大的水平向永久變形，造成工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)與破壞。

針對飽和砂土液化后大變形的相關(guān)問題很多學(xué)者都做了深入的研究［3－9］，但由于問題的復(fù)雜性和變異性，關(guān)于液化大變形機理的認(rèn)識仍然不夠確切，特別是針對粉質(zhì)砂土的研究較少，尚有諸多理論上的問題需要深入研究。因此，本文擬針對南黃海輻射沙脊群地區(qū)的特殊粉質(zhì)砂土，通過室內(nèi)循環(huán)三軸試驗，在砂土試樣液化后進行靜力加載，以探討該粉質(zhì)砂土液化后的應(yīng)力與變形特性。

1 試驗條件

1.1 試驗土樣與試驗方法

本文所用土樣取自江蘇如東洋口港太陽島上的吹填粉砂，該粉質(zhì)砂土主要來源于南黃海輻射沙脊群中的砂土。其土粒比重為Gs＝2.71，最大與最小干密 度 分 別 為ρd，max＝ 1.51g／cm3，ρd，min＝ 1.25 g／cm3。試驗中控制土料的相對密實度分別為Dr＝90%和Dr＝75%，控制干密度分別為ρd＝1.479 g／cm3和ρd＝1.435g／cm3。由顆粒分析實驗得到其粒徑分布如表1所示。

表1 粒徑分布Table 1 Particle size distribution

試件采用多層濕搗法制作。本次試驗采用分3層擊實的方法，先計算每層土的質(zhì)量，分3次裝入制樣模具中，并擊實到相應(yīng)的高度，每層擊實完后將接觸面拉毛，以保證層與層之間接觸良好，直至擊完第3層。擊實成型后將成型試件放入飽和容器內(nèi)，采用反壓飽和的方法抽真空飽和24h，使試件充分飽和。最后將飽和后的試件取出，裝入三軸室內(nèi)進行動三軸試驗。根據(jù)循環(huán)三軸試驗的條件，在試樣達到控制液化標(biāo)準(zhǔn)后即停止動力加載，并打開排水閥排出試樣內(nèi)多余的孔隙水。在試樣內(nèi)超孔隙水壓力完全消散后繼續(xù)進行不排水單調(diào)剪切試驗。其試驗過程如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)備及液化控制標(biāo)準(zhǔn)

本研究采用英國GDS公司研制生產(chǎn)的動三軸試驗設(shè)備。試驗均采用實心圓柱試樣，其直徑D＝39.1mm，高H＝80mm。

圖1 砂土液化后強度變形特性試驗的加載過程Fig.1 Loading process of deformation characteristic test of sand after liquefaction

由于試驗主要在非均等固結(jié)條件下進行，在振動過程中孔隙水壓力一般達不到初始固結(jié)有效平均應(yīng)力，因此無法按照通常的初始液化定義作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。雖然在振動過程中孔隙水壓力達不到有效平均固結(jié)壓力，而是穩(wěn)定在某一水平附近，但是試驗變形的發(fā)展仍然很迅速，因此，在非均等固結(jié)條件下本文選取應(yīng)變達到5%（取殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變之和達5%）作為試驗破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 周圍壓力對飽和粉質(zhì)砂土液化后大變形特性的影響

如圖2所示為振動頻率f＝1Hz，Dr＝90%，Kc＝2.0條件下，砂土試驗達到液化控制標(biāo)準(zhǔn)并固結(jié)排水穩(wěn)定后再次施加軸向應(yīng)力作用時的固結(jié)不排水單調(diào)剪切試驗結(jié)果，其中周圍壓力σ3分別取100，200和300kPa。由圖2可見，不同周圍壓力對飽和粉砂應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線影響較大，周圍壓力越大，其所達到的峰值應(yīng)力越大。而由偏應(yīng)力比與應(yīng)變關(guān)系曲線可知，周圍壓力對峰值偏應(yīng)力比的影響較小，3種條件下，試樣所達到的峰值偏應(yīng)力比基本相同。

圖2 f＝1Hz，Dr＝90%，Kc＝2.0條件下飽和粉砂液化后大變形試驗曲線Fig.2 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for f＝1Hz，Dr＝90%and Kc＝2.0

2.2 振動頻率對飽和粉質(zhì)砂土液化后大變形特性的影響

如圖3所示為考慮不同振動頻率影響的飽和粉質(zhì)砂土液化后單調(diào)剪切試驗曲線。由圖3可見，振動頻率對達到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后飽和粉質(zhì)砂土固結(jié)不排水單調(diào)剪切特性影響很小。

2.3 密實度與固結(jié)比對飽和粉質(zhì)砂土液化后大變形特性的影響

如圖4所示為考慮不同相對密實度與固結(jié)比影響的飽和粉質(zhì)砂土液化后單調(diào)剪切試驗曲線。由圖4可見，粉砂試驗前的相對密實度及固結(jié)比均對其液化后大變形特性有一定影響。然而，由于在動三軸液化試驗過程中，其動力試驗結(jié)束時的試樣狀態(tài)難以控制達到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此該試驗結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映實際土體相關(guān)因素的影響，但是該試驗結(jié)果所反映的趨勢是合理的。

另外，由圖2、圖3以及圖4可以看出，無論是在哪一種試驗條件下，試樣在動力三軸試驗過程中達到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后，其對后期的固結(jié)不排水單調(diào)剪切特性都將會產(chǎn)生非常顯著的影響。在整個單調(diào)剪切試驗過程中，試樣一直呈現(xiàn)出硬化變形的特性，在產(chǎn)生很小的正孔隙水壓力后，孔隙水壓力就向負(fù)的方向發(fā)展，試樣始終處于剪脹狀態(tài)，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同振動頻率條件下飽和粉砂液化后大變形試驗曲線Fig.3 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for different vibration frequency

圖4 不同相對密實度與固結(jié)比條件下飽和粉砂液化后大變形試驗曲線Fig.4 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for different relative density and consolidation ratio

3 結(jié)論

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析與整理，得出如下結(jié)論：

（1）不同周圍壓力對飽和粉質(zhì)砂土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線影響較大，周圍壓力越大，其所達到的峰值應(yīng)力越大。而由偏應(yīng)力比—應(yīng)變關(guān)系曲線可知，周圍壓力對峰值偏應(yīng)力比的影響較小，3種條件下，試樣所達到的峰值偏應(yīng)力比基本相同。

（2）振動頻率對達到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后飽和粉質(zhì)砂土固結(jié)不排水單調(diào)剪切特性影響很小。粉質(zhì)砂土試驗前的相對密實度以及固結(jié)應(yīng)力比均對其液化后大變形特性有一定影響，試驗結(jié)果所反映的趨勢是合理的。

（3）無論是哪種試驗條件，試樣在動力三軸試驗過程中達到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后，其對后期的單調(diào)剪切特性都將會產(chǎn)生非常顯著的影響。在整個單調(diào)剪切過程中，試樣一直呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，產(chǎn)生很小的正孔隙水壓力后，孔隙水壓力就向負(fù)的方向發(fā)展，試樣始終處于剪脹狀態(tài)，并最終達到穩(wěn)定。

［1］ SEED H B.Landslides during earthquakes due to soil liquefaction［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundation Engineering，1968，94（5）：1055－1122.

［2］ HAMADA M，TOWHATA I，YASUDA S，et al.Study on permanent ground displacement induced by seismic liquefaction［J］.Computers and Geotechnics，1987，4（4）：197－220.

［3］ 張建民，時松孝次，田屋裕司.飽和砂土液化后的剪切吸水效應(yīng)［J］.巖土工程學(xué)報，1999，21（4）：398－402.

［4］ 魯曉兵.飽和砂土液化引起的變形研究［J］.中國造船，2002（1）：345－348.

［5］ 劉漢龍，周云東，高玉峰.砂土地震液化后大變形特性試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24（2）：142－146.

［6］ 周云東，劉漢龍，高玉峰，等.砂土地震液化后大位移室內(nèi)試驗研究探討［J］.地震工程與工程振動，2002，22（1）：152－157.

［7］ 張建民，王剛.砂土液化后大變形的機理［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（7）：835－840.

［8］ 劉漢龍，陳育民.動扭剪試驗中砂土液化后流動特性分析［J］.巖土力學(xué)，2009（6）：1537－1541.

［9］ 陳育民，劉漢龍，邵國建，等.砂土液化及液化后流動特性試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2009，31（9）：1408－1413.

［10］ 張振東.江蘇近海輻射沙脊群人工島建設(shè)工程問題初探［J］.淮海工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，19（3）：89－92.