沖擊荷載作用下飽和粉土孔壓發(fā)展規(guī)律及液化特性研究

喬瑩瑩， 馮文凱，2， 楊 翔

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 四川 成都 610059)

沖擊荷載作用下飽和粉土孔壓發(fā)展規(guī)律及液化特性研究

喬瑩瑩1， 馮文凱1，2， 楊 翔3

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 四川 成都 610059)

對(duì)四川三溪村滑坡地區(qū)的覆蓋層粉土進(jìn)行試驗(yàn)研究，在循環(huán)周期荷載作用下通過(guò)改變振動(dòng)頻率等主觀因素，分析其飽和重塑粉土液化特性.通過(guò)改變外界條件，包括圍壓、動(dòng)應(yīng)力以及振動(dòng)頻率等多個(gè)因素，研究飽和粉土的孔壓變化，進(jìn)而分析在不同沖擊荷載作用下，粉土的液化程度.試驗(yàn)結(jié)果表明，在振動(dòng)頻率為5 Hz時(shí)，粉土極易發(fā)生液化，當(dāng)頻率在其他范圍時(shí)則明顯看出其液化程度降低；在同一圍壓下，粉土孔壓隨動(dòng)荷載的增大呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，其液化程度逐漸降低.

重塑性粉土；粉土液化；孔壓；振動(dòng)頻率；沖擊荷載

0 引 言

粉土介于砂土與黏土之間，既含有一定量的砂粒，又存在一定的黏塑性，屬于塑性指數(shù)Ip小于或等于10的土[1].針對(duì)砂土液化，Seed等[2]運(yùn)用振動(dòng)三軸試驗(yàn)分析了砂土液化，建立了振動(dòng)孔隙水壓力與振動(dòng)次數(shù)比之間的孔壓模型.此外，吳世明[3]認(rèn)為，孔隙水壓力是影響土質(zhì)液化的重要因素之一.作為研究的對(duì)象，四川省都江堰三溪村的滑坡發(fā)生于“5·12”汶川大地震以后，由于受到地震作用以及之后的暴雨影響，造成了嚴(yán)重的后果.針對(duì)此滑坡覆蓋層粉土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)研究，分析其在沖擊荷載作用下孔壓的發(fā)展規(guī)律及液化特性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本試驗(yàn)主要研究除粉土黏粒外，振動(dòng)頻率對(duì)飽和粉土液化的影響，以及在沖擊荷載作用下飽和粉土孔壓的發(fā)展規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用MTS810Teststar程控液壓伺服土動(dòng)三軸儀，其適用于直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試樣，振動(dòng)波形有方波、三角波、正弦波3種，頻率范圍為1～10 Hz.試驗(yàn)可根據(jù)實(shí)際動(dòng)荷載特點(diǎn)對(duì)振動(dòng)波形、振動(dòng)頻率等進(jìn)行控制，具有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和處理功能.

1.2 試樣制備與方法

1.2.1 試樣制備.

試驗(yàn)用土來(lái)自三溪村滑坡覆蓋層0.5 m深的粉土，取樣在保證干密度不變的情況下，以含水率為20%制成的重塑土試樣進(jìn)行試驗(yàn).原狀土樣經(jīng)過(guò)土工試驗(yàn)得出其基本參數(shù)如表1所示.重塑土試樣在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抽氣飽和，具體為，抽氣4 h，飽水5 h，以確保飽和度在0.95以上，同時(shí)試樣采用等壓固結(jié)，固結(jié)應(yīng)力比利用Kc=σ1/σ3計(jì)算.

表1 試樣基本參數(shù)

1.2.2 試驗(yàn)方法.

試驗(yàn)的目的主要為研究某單一因素對(duì)飽和粉土液化產(chǎn)生的影響，故試驗(yàn)均在固結(jié)比為1的條件下進(jìn)行，通過(guò)觀察其應(yīng)變， 判斷其破壞標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究的結(jié)果[4]，本試驗(yàn)主要研究在試樣破壞時(shí)達(dá)到的孔壓值，進(jìn)而判斷其是否發(fā)生液化.具體過(guò)程為：將試樣安裝到三軸儀上進(jìn)行抽氣飽和，等壓固結(jié)后測(cè)孔壓增量，為保證試樣達(dá)到完全飽和，試驗(yàn)設(shè)定當(dāng)飽和度B值≥0.97時(shí)，可認(rèn)為試樣完全飽和.試樣液化的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下2種：孔壓達(dá)到圍壓(液化)標(biāo)準(zhǔn)；孔壓破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn).

根據(jù)地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范[5]，判斷試驗(yàn)結(jié)束條件為滿(mǎn)足以下三者之一：應(yīng)變達(dá)到10%；孔壓基本達(dá)到圍壓大??；振次達(dá)到500次.MTS試驗(yàn)機(jī)提供3種波形，根據(jù)該地區(qū)地震的劇烈運(yùn)動(dòng)情況，確定本試驗(yàn)采用三角波來(lái)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況.

2 振動(dòng)頻率對(duì)粉土液化程度影響

粉土的黏粒含量是表示粉土液化特性的一個(gè)重要指標(biāo).除了粉土中黏粒含量的影響，試驗(yàn)過(guò)程中一些客觀因素也對(duì)粉土液化有著一定的影響[6-9].本試驗(yàn)擬在相同的黏粒含量條件下分析荷載頻率對(duì)粉土產(chǎn)生的液化特性影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同振動(dòng)頻率粉土抗液化強(qiáng)度曲線(xiàn)

從圖1可以看出，由于試驗(yàn)中振動(dòng)頻率的不同，相同循環(huán)周數(shù)比所達(dá)到的循環(huán)應(yīng)力比有很大差異.當(dāng)試驗(yàn)振動(dòng)頻率分別為1 Hz和8 Hz時(shí)，重塑粉土試樣沒(méi)有出現(xiàn)液化現(xiàn)象，其發(fā)生的破壞主要是由于土體變形增大引起的；當(dāng)試驗(yàn)振動(dòng)頻率為5 Hz時(shí)，重塑粉土試樣很快達(dá)到液化程度.由此可見(jiàn)，該滑坡地區(qū)覆蓋層土發(fā)生液化的振動(dòng)頻率大致可以確定在5 Hz左右，此可作為判定地震波的一個(gè)依據(jù).

3 孔壓試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

將重塑粉土試樣制成高100 mm，直徑為50 mm的圓柱體，制樣過(guò)程中保證其干密度不變.將制好的試樣立即安裝上機(jī)，按設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)程序和技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)試，之后將試樣進(jìn)行充分的抽氣飽水，施加不同的圍壓及動(dòng)荷載.

3.2 結(jié)果與分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)給重塑粉土試樣施加循環(huán)應(yīng)力，研究其變化規(guī)律，結(jié)果如圖2所示.

圖2 孔壓比與循環(huán)周數(shù)比關(guān)系曲線(xiàn)

圖2顯示，試樣的變化規(guī)律基本一致.在不同的循環(huán)應(yīng)力比條件下，隨循環(huán)周數(shù)比的增加，孔壓比增長(zhǎng)速率出現(xiàn)先急劇上升后緩慢持續(xù)增長(zhǎng)的過(guò)程，試樣最終達(dá)到液化.

3.2.1 動(dòng)荷載對(duì)孔壓的影響.

研究發(fā)現(xiàn)，在粉土液化過(guò)程中，孔壓的變化是一個(gè)至關(guān)重要的因素，在圍壓一定的條件下固結(jié)，不同的動(dòng)應(yīng)力引起土中孔壓產(chǎn)生很大的變化[10].因此，在圍壓一定的情況下，施加動(dòng)荷載至試樣發(fā)生破壞，孔壓比的最終值可以判定該試樣是否發(fā)生破壞.為研究動(dòng)荷載作用對(duì)孔壓的影響，本試驗(yàn)通過(guò)施加3種不同的圍壓，并通過(guò)改變動(dòng)荷載的變化來(lái)觀察孔壓變化，結(jié)果如圖3所示.

圖3 孔壓比在動(dòng)荷載影響下的變化

由圖3可看出，當(dāng)圍壓一定時(shí)，孔壓比隨著動(dòng)荷載的增大呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，說(shuō)明對(duì)于該滑坡覆蓋層粉土來(lái)說(shuō)，動(dòng)荷載越大，粉土發(fā)生液化的程度越??；在同一種動(dòng)應(yīng)力條件下，當(dāng)圍壓處于35 kPa時(shí)，試樣更易于發(fā)生液化，隨著圍壓的增大，試樣液化程度則越來(lái)越弱.

3.2.2 振幅對(duì)孔壓的影響.

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，振幅的變化對(duì)孔壓的變化也有一定的影響，其結(jié)果如圖4所示.

圖4 振幅對(duì)孔壓比的影響

由圖4可知，當(dāng)沖擊荷載值從0～300 kPa時(shí)，孔壓比變化緩慢，持續(xù)時(shí)間較短，其液化程度較之沖擊荷載從-300 kPa～300 kPa時(shí)變化緩慢，此可作為沖擊液化考慮的主要影響因素之一.

4 結(jié) 論

在土動(dòng)三軸試驗(yàn)中，判別粉土液化的標(biāo)準(zhǔn)有很多，本試驗(yàn)主要研究了振動(dòng)頻率的變化對(duì)粉土的影響，得出適用于該滑坡覆蓋層粉土的最適合頻率.同時(shí)，孔壓的變化可以作為另一個(gè)判別粉土液化的標(biāo)準(zhǔn).對(duì)此，本試驗(yàn)主要通過(guò)動(dòng)荷載的變化來(lái)分析粉土在試驗(yàn)過(guò)程中孔壓的變化，得出在同一圍壓下，隨動(dòng)應(yīng)力增大，孔壓逐漸減小，試樣發(fā)生液化程度也逐漸減小的結(jié)論.需說(shuō)明的是，由于本次試驗(yàn)僅對(duì)粉土進(jìn)行了小范圍動(dòng)荷載變化試驗(yàn)，是否可以應(yīng)用在各種圍壓與動(dòng)應(yīng)力情況下還有待進(jìn)一步的研究.

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Development Law of Pore Pressure of Saturated Silt and Its Liquefaction Behavior under Impact Loading

QIAOYingying1,FENGWenkai1，2,YANGXiang3

(1.College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；2.State key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu Unversity of Technology, Chengdu 610059, China;3.College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

The paper analyzed the liquefaction behavior of saturated remodeling silt influenced by subjective factors such as the change of frequency under load effects in a cycle period after the research on the covering layer of silt on the landslide areas in Sanxi Village in Sichuan.In addition,the paper also studied the pore pressure change of saturated silt by changing external conditions,including factors like confining pressure,dynamic stress and frequency,etc.，so as to further analyze the liquefaction degree of silt under different impact loading.The experiment results showed that when the frequency was 5 Hz,the silt was pretty prone to be liquefied.In an area around 5 Hz,it was obvious to see that the liquefaction degree decreased. However, under the same confining pressure,the pore pressure of the silt decreased with the increase of the dynamic loading and the liquefaction of the silt also decreased gradually.

remodeling of silt;liquefaction of silt;pore pressure;frequency;impact loading

1004-5422(2016)04-0419-03

2016-09-09.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41172278)資助項(xiàng)目.

喬瑩瑩(1989 — )， 女， 碩士研究生， 從事地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)研究.

TU411

A