錢(qián)塘江河口淺層粉土吹填后的動(dòng)力特性試驗(yàn)

陳式華，欒姍姍，沈水進(jìn)，方華建，馬慶宏

（1．浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2．浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；3．桐廬縣水利局，浙江 桐廬 315000）

1 問(wèn)題的提出

浙江省錢(qián)塘江河口兩岸地區(qū)多為粉土，在治江圍墾的工程建設(shè)、圍區(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，常采用粉土作為填筑料。粉土是一種塑性較低的土層，其性質(zhì)與粉砂相近，但同時(shí)又兼有黏性土的性質(zhì)，雖然具有一定的可塑性但同時(shí)韌性又很低，強(qiáng)度也很低，相關(guān)工作者一般視其為過(guò)渡性土來(lái)考慮［1］。由于粉土顆粒組成的特殊性，水力吹填后結(jié)構(gòu)不均勻，工程特性較差，在車(chē)輛、波浪或地震等動(dòng)荷載作用下，循環(huán)剪切而造成液化的現(xiàn)象，直接影響海堤工程穩(wěn)定與安全［2］。因此探討粉土吹填后的動(dòng)力特性，對(duì)堤壩運(yùn)行管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用土取自錢(qián)塘江河口堤壩經(jīng)水力沖填方法填筑的淺層粉土，通過(guò)鉆孔取得原狀土樣。

試驗(yàn)所用儀器為國(guó)外引進(jìn)的先進(jìn)GDS計(jì)算機(jī)控制動(dòng)三軸儀 （見(jiàn)圖1～2），試驗(yàn)過(guò)程可實(shí)時(shí)監(jiān)視，并記錄儲(chǔ)存試驗(yàn)過(guò)程中的土樣孔隙水壓力、軸向應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

圖1 GDS計(jì)算機(jī)控制動(dòng)三軸儀圖

圖2 GDS高級(jí)壓力控制器圖

試樣制備及試驗(yàn)方法參照SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》［3］?？紤]粉土的排水固結(jié)比黏性土要快，試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間定為72h左右。

具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1［4］。

表1 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 粉土的基本物理性質(zhì)

經(jīng)過(guò)對(duì)鉆孔取得的原狀土樣進(jìn)行基本物理性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：土樣的比重為2．68；顆粒組成中粉粒 （0．075～0．005mm）含量占絕大部分為92．8%，而黏粒 （＜0．005 mm）含量為7．2%；液限含水率為34．3%，塑限含水率為24．5%，塑性指數(shù)為9．8，土的定名為粉土［3］。試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 土的基本物理性質(zhì)成果表

3．2 粉土的動(dòng)力變形特性

在振動(dòng)荷載作用下，粉土孔壓的上升導(dǎo)致有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度降低，土體的變形增大，圖3為試樣1的軸應(yīng)變時(shí)程曲線圖。由圖3可見(jiàn)，飽和粉土軸應(yīng)變的發(fā)展是非線性的，呈現(xiàn)出3級(jí)階梯型發(fā)展的趨勢(shì)，即初始固結(jié)階段、平衡固結(jié)階段和剪切破壞階段。第1階段屬于初始固結(jié)階段，軸應(yīng)變幅度較??；接著進(jìn)入平衡固結(jié)階段，變化幅度小，應(yīng)變值趨于穩(wěn)定；而在剪切破壞階段，試樣的軸應(yīng)變幅度加大，很快達(dá)到破壞。這主要由于在第3階段，飽和粉土中的孔隙水壓力上升很快達(dá)到初始圍壓，有效應(yīng)力減小，試樣破壞。

圖3 試樣1的軸應(yīng)變時(shí)程曲線圖

3．3 粉土的動(dòng)強(qiáng)度

由于粉土的變形不是瞬間產(chǎn)生并完成的，而是以一定的速度增長(zhǎng)，故其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系受時(shí)間的影響比較明顯。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同，吹填土的變形有時(shí)是極其緩慢的，最后趨于停止；有時(shí)又逐漸增長(zhǎng)，直到最終破壞。圖4為飽和粉土在不同振動(dòng)頻率下應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線圖。從圖4中可以看出，軸向應(yīng)力隨軸應(yīng)變的發(fā)展過(guò)程盡管有相似之處，但隨著頻率的增大，試樣的動(dòng)應(yīng)力適當(dāng)提高，說(shuō)明試樣達(dá)到破壞所需的振動(dòng)次數(shù)也增多。

3．4 粉土的動(dòng)力響應(yīng)特性

圖5為粉土在不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)次數(shù)與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線圖。由圖5可見(jiàn)，隨著振動(dòng)頻率的增大，土體的變形增大，在較少的振次下軸應(yīng)變就達(dá)到了5%的破壞標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)頻率越大，土體越容易發(fā)生液化或破壞。

圖4 不同振動(dòng)頻率下軸向應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系曲線圖

圖5 不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)次數(shù)與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線圖

3．5 孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律

圖6為試樣2的孔隙水壓力的發(fā)展過(guò)程曲線圖?？梢钥闯觯紫端畨毫Φ陌l(fā)展與圖3中軸應(yīng)變的發(fā)展過(guò)程有相似之處，試驗(yàn)開(kāi)始后在前1／5時(shí)間內(nèi)，孔隙水壓力上升較快，很快達(dá)到102kPa，隨后保持很長(zhǎng)一段時(shí)間，直到在動(dòng)荷載作用下，經(jīng)歷9～10次循環(huán)，孔隙水壓力迅速上升到圍壓值 （即288kPa），達(dá)到剪切破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 試樣2孔隙水壓力發(fā)展時(shí)間過(guò)程曲線圖

當(dāng)用孔壓比與振次比的關(guān)系表示孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7可見(jiàn)，在振動(dòng)的前一段時(shí)間內(nèi)孔壓上升速度迅速，當(dāng)振次比達(dá)到0．2以后，孔隙水壓力增長(zhǎng)漸趨緩和。在較高頻率振動(dòng)荷載作用下，且只需要幾個(gè)振次試樣的動(dòng)應(yīng)變就達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，而此時(shí)孔壓有一定的滯后性，尚未達(dá)到初始圍壓值，還需要幾個(gè)振次時(shí)間后才能達(dá)到圍壓值。其孔隙水壓力的增長(zhǎng)規(guī)律可用3次多項(xiàng)式擬合，擬合曲線見(jiàn)圖8虛線，擬合表達(dá)式為［5］：

式中：ud為孔隙水壓力，kPa；σ3c為有效圍壓值，kPa；N為振動(dòng)次數(shù)；Nf為破壞時(shí)振動(dòng)次數(shù)；a、b、c、d為擬合參數(shù)。

圖7 土樣1的孔隙水壓力隨振次關(guān)系曲線圖

當(dāng)振動(dòng)頻率為0．5Hz時(shí)，各參數(shù)值如下：a＝2．003，b＝－4．466，c＝3．252，d＝0．073，通過(guò)擬合相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)R2＝0．979。

從圖8可以看出，模擬的3次多項(xiàng)式曲線與實(shí)測(cè)曲線吻合良好，因此，粉土在低頻率振動(dòng)荷載作用下變形破壞過(guò)程中的孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律可以用式 （1）來(lái)描述。

圖8 土樣1孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律圖

以上試驗(yàn)中孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律表明，粉土在循環(huán)動(dòng)荷載的作用下，其孔壓經(jīng)歷了產(chǎn)生、發(fā)展、部分消散和累積的過(guò)程。在最初的振次內(nèi)，飽和粉土的孔隙水壓力急劇上升到最終孔壓的50%～60%，然后逐漸穩(wěn)定發(fā)展直至試樣破壞。這主要是因?yàn)榉弁恋臐B透系數(shù)較小，所以在動(dòng)荷載施加初期，孔壓不容易消散；而土體的孔隙率變小，會(huì)產(chǎn)生較大的體變，導(dǎo)致振動(dòng)開(kāi)始孔壓急劇上升。另一方面，由于粉土中含有一定量的黏粒成分，使得其具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和黏聚力，減緩了孔壓的發(fā)展，致使振動(dòng)后期孔壓增長(zhǎng)較緩慢直至趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)分析了粉土的變形、強(qiáng)度、動(dòng)力響應(yīng)特性及孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律。從試驗(yàn)成果可知，粉土的軸應(yīng)變隨時(shí)間的發(fā)展是非線性的，呈現(xiàn)出3級(jí)階梯型發(fā)展的趨勢(shì)。頻率是影響粉土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的重要因素，隨著頻率的增大，試樣的動(dòng)應(yīng)力適當(dāng)提高，說(shuō)明粉土達(dá)到破壞所需的振動(dòng)次數(shù)也增多。在動(dòng)荷載的作用下，其孔壓的發(fā)展在最初的振次內(nèi)，會(huì)急劇上升到最終孔壓的50%～60%，然后逐漸穩(wěn)定發(fā)展直至試樣破壞。

［1］吳波，孫德安 ．非飽和粉土的液化特性研究 ［J］．巖土力學(xué)，2013，34 （2）：411－416．

［2］劉瑞民，葉銀燦，陳小玲．杭州灣淺層粉土動(dòng)力特性研究［J］．海洋學(xué)研究，2013，31 （3）：49－54．

［3］南京水利科學(xué)研究院．SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程 ［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，1999．

［4］朱小可，胡敏云，朱燁．循環(huán)荷載作用下近海粉土工作性狀的試驗(yàn)研究 ［J］．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（2）：214－220．

［5］曾長(zhǎng)女，劉漢龍，豐土根，等．飽和粉土孔隙水壓力性狀試驗(yàn)研究．巖土力學(xué)，2005，26（12）：1963－1967．