循環(huán)荷載下杭州粉砂土動(dòng)孔壓模型研究

孟凡麗，呂　筱，來(lái)淑娜

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014;2．杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心, 浙江 杭州 310016)

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循環(huán)荷載下杭州粉砂土動(dòng)孔壓模型研究

孟凡麗1，呂筱1，來(lái)淑娜2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014;2．杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心, 浙江 杭州 310016)

摘要：通過(guò)杭州典型粉砂土的固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了不同圍壓、頻率和固結(jié)比條件下的循環(huán)荷載對(duì)杭州粉砂土動(dòng)孔壓增長(zhǎng)的影響，分析了在不同頻率、不同固結(jié)比、不同圍壓作用下，杭州粉砂土的孔隙水壓力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)固結(jié)比對(duì)孔壓增長(zhǎng)影響顯著；同時(shí)通過(guò)對(duì)張模型、改進(jìn)的張模型和雙曲線模型進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出分段式孔壓增長(zhǎng)模型，上升段用雙曲線模型進(jìn)行擬合，穩(wěn)定段選用線性模型，構(gòu)建了適合杭州粉砂土孔壓發(fā)展的模型，并明確提出了相應(yīng)條件下的模型對(duì)應(yīng)參數(shù)值.

關(guān)鍵詞：粉砂土；動(dòng)孔壓；孔壓模型

對(duì)于飽和粉砂土的孔隙水壓力模型的研究并不是很多，目前的研究還主要集中在飽和粉土的孔壓模型，如曾長(zhǎng)女，劉漢龍等[1]針對(duì)重塑的飽和粉土孔壓變化規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究，找尋動(dòng)孔壓增長(zhǎng)的影響因素；宮全美,廖彩鳳等[2]研究了地鐵荷載作用下南京地區(qū)飽和粉土孔隙水壓力變化情況，并建立了對(duì)應(yīng)的動(dòng)孔壓計(jì)算模型，為后續(xù)研究提供了參照；于濂洪[3]、孟凡麗[4]、朱小可[5]和劉延志[6]等也針對(duì)粉土的動(dòng)力特性進(jìn)行了對(duì)應(yīng)研究.但因?yàn)榉凵巴帘确弁炼嗔松傲５某煞郑谘h(huán)動(dòng)荷載作用下與粉土的動(dòng)力特性會(huì)有不同的表現(xiàn)，因此要對(duì)循環(huán)動(dòng)荷載下飽和粉砂土的孔隙水壓力變化進(jìn)行深入研究，并建立起與杭州粉砂土動(dòng)孔壓增長(zhǎng)相匹配的對(duì)應(yīng)模型.

1試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)土料采用了杭州市濱江區(qū)江陵路地鐵站位置對(duì)應(yīng)土層的飽和粉砂土，試驗(yàn)用土料顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，土料對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地土天然狀態(tài)的物理性指標(biāo)如下：含水率26.6%，重度19.09 N/m3，比重2.7 g/cm3，干密度1.508 g/cm3，飽和度95.84%，孔隙比0.756，塑性指數(shù)7.5，液限14.65%.

表1　土樣顆粒組成

試驗(yàn)用重塑試樣采用39.1 mm×80 mm的圓柱體，根據(jù)原狀土的干密度及含水率，確定土樣控制干密度為1.508 g/cm3，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》的分層擊實(shí)法配制.

本試驗(yàn)是為了研究在不同應(yīng)力條件下，循環(huán)動(dòng)荷載作用對(duì)杭州粉砂土動(dòng)力響應(yīng)的影響，因此試驗(yàn)設(shè)定試驗(yàn)應(yīng)力條件為：圍壓100，150，200 kPa；固結(jié)比取1.0，1.5，2.0；正弦波形態(tài)動(dòng)荷載頻率分別為0.5，1.0，2.0 Hz.試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)的判定，由于不同的固結(jié)比下，試樣液化破壞時(shí)能達(dá)到的最大孔壓并不是都能達(dá)到圍壓值，所以針對(duì)本試驗(yàn)選擇試樣動(dòng)應(yīng)變達(dá)到5%為動(dòng)態(tài)破壞標(biāo)準(zhǔn)，破壞振次為f，Nf對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)孔壓為破壞動(dòng)孔壓.

2動(dòng)孔壓的試驗(yàn)結(jié)果

飽和粉砂土在動(dòng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生液化，土體產(chǎn)生液化過(guò)程中，其強(qiáng)度變化主要由孔隙水壓力的發(fā)展情況決定，而在動(dòng)荷載作用下孔壓的發(fā)展?fàn)顩r和土樣的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，也就是試驗(yàn)時(shí)固結(jié)比、圍壓和振動(dòng)頻率變化會(huì)影響孔壓的發(fā)展[7].

本試驗(yàn)在固結(jié)比為1.0、圍壓為100 kPa時(shí)，土樣在不同振動(dòng)頻率作用下的孔壓時(shí)程曲線如圖1所示.從圖1中顯示：當(dāng)振動(dòng)頻率為0.5 Hz時(shí)，孔壓增長(zhǎng)速度最慢；而振動(dòng)頻率為2.0 Hz時(shí)，孔壓增長(zhǎng)最快，這個(gè)結(jié)果顯示，試驗(yàn)的振動(dòng)頻率不同時(shí)，動(dòng)孔壓的時(shí)程曲線有明顯的不同，無(wú)論從形態(tài)還是時(shí)間上，當(dāng)頻率較大時(shí)孔壓上升速度明顯加快，曲線斜率較大，頻率小時(shí)孔壓上升速度較緩慢，曲線斜率也較小，這說(shuō)明頻率變化明顯影響孔壓的時(shí)程發(fā)展.

圖1　孔壓時(shí)程曲線Fig.1　The time history curves of pore water pressure

本試驗(yàn)土樣不同應(yīng)力狀態(tài)下的歸一化孔壓發(fā)展曲線顯示，飽和粉砂土在不同應(yīng)力條件下的動(dòng)孔壓增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，主要表現(xiàn)在初期穩(wěn)步上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定孔壓比后，孔壓增速明顯減緩，最終趨向于一個(gè)穩(wěn)定值；在一定的固結(jié)比、圍壓作用下，頻率變化對(duì)該飽和粉砂土的孔壓比與振次比發(fā)展規(guī)律影響不大，孔壓發(fā)展曲線的趨勢(shì)基本相同，且最終孔壓都能夠接近或達(dá)到某個(gè)特定值(圖2)；在一定振動(dòng)頻率1.0 Hz作用下土樣的動(dòng)孔壓比歸一化曲線(圖3)顯示，固結(jié)比對(duì)孔壓發(fā)展影響顯著，固結(jié)比越大對(duì)應(yīng)的孔壓比會(huì)越低，而圍壓的變化也明顯影響孔壓的發(fā)展趨勢(shì)，并且這個(gè)影響與固結(jié)比密切相關(guān).

圖2　不同振動(dòng)頻率的孔壓與振次歸一化曲線Fig.2　The normalized curve of pore pressure and vibration under different vibration frequency

圖3　不同固結(jié)比和圍壓的孔壓于振次比歸一化曲線Fig.3　The normalized curve of pore pressure and vibration under different consolidation ratio and confining pressure

3動(dòng)孔壓的發(fā)展及孔壓上升模型的建立

3.1　孔壓增長(zhǎng)模型的驗(yàn)證和比較

表2　模型擬合對(duì)比分析

續(xù)表2

由表2可以看出：該飽和粉砂土試樣在不同固比條件下孔壓增長(zhǎng)模型表現(xiàn)出不同的特征：首先試樣破壞時(shí)達(dá)到的極限孔壓比是隨著荷載頻率的增大而減小的，當(dāng)同一固結(jié)比條件下圍壓較大時(shí)，孔壓比會(huì)相對(duì)較高,而當(dāng)固結(jié)比加大時(shí)，孔壓變化更顯著；其次，在等壓固結(jié)條件下，用這3個(gè)模型對(duì)孔壓發(fā)展進(jìn)行模擬，在后期孔壓進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)都不能很好地?cái)M合，究其原因是孔壓發(fā)展曲線在中后期有明顯的拐點(diǎn).

3.2　孔壓增長(zhǎng)模型的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)各組不同應(yīng)力條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，孔壓增長(zhǎng)的趨勢(shì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，但當(dāng)固結(jié)比不同時(shí)，孔壓增長(zhǎng)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置會(huì)有明顯的不同.因此在對(duì)這次研究的飽和粉砂土的孔壓上升模型的建立的過(guò)程中，重點(diǎn)考慮了這個(gè)明顯拐點(diǎn)的作用.在不同的固結(jié)比條件下，對(duì)已有模型進(jìn)行改進(jìn)，在孔壓增長(zhǎng)曲線在出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置的進(jìn)行分段，找出不同固結(jié)比條件下的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振次比的值，并依此對(duì)曲線分段：當(dāng)Kc=1.0時(shí)，N/Nf≤0.8，孔壓穩(wěn)步上升，N/Nf>0.8，孔壓增長(zhǎng)逐步趨向穩(wěn)定；若Kc=1.5，在N/Nf≤0.9區(qū)段內(nèi)，孔壓持續(xù)增長(zhǎng)，至N/Nf>0.9，孔壓則趨向穩(wěn)定；而Kc=2.0時(shí)，孔壓?jiǎn)蜗蛟鲩L(zhǎng).因此，確定孔壓增長(zhǎng)模型采用分段式，曲線第一階段上升段用雙曲線模型進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為

(1)

曲線的第二階段穩(wěn)定段采用線性等比例模型來(lái)估計(jì)孔壓比的值，其表達(dá)式為

(2)

用這個(gè)分段式模型，構(gòu)建杭州飽和粉砂土的孔壓增長(zhǎng)模型，依照不同固結(jié)比和圍壓下不同頻率動(dòng)荷載作用下的孔壓增長(zhǎng)曲線，其模型參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)詳見(jiàn)表3，以f=1.0Hz為例給出擬合雙曲線圖4，5.

表3　孔壓模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

圖4　Kc=1.0雙曲線擬合曲線Fig.4　Kc=1.0 hyperbolic model

圖5　Kc=1.5雙曲線擬合曲線Fig.5　Kc=1.5 hyperbolic model

4結(jié)論

杭州飽和粉砂土在循環(huán)動(dòng)荷載作用下破壞時(shí)所能達(dá)到的極限孔壓比的值，是由固結(jié)比的大小決定，當(dāng)固結(jié)比較大是，孔壓上升會(huì)明顯受到抑致兩者呈現(xiàn)反比例關(guān)系；在相同固結(jié)比條件下，振動(dòng)頻率的增大，孔壓比會(huì)相對(duì)減小，但圍壓增加時(shí)，孔壓比的值則會(huì)相應(yīng)提高；試驗(yàn)結(jié)果顯示，固結(jié)比、圍壓和振動(dòng)頻率都和土樣的孔壓發(fā)展密切相關(guān).通過(guò)對(duì)張建民A型、改進(jìn)的張建民A型和雙曲線3種模型曲線的比較分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是雙曲線模型還是改進(jìn)的張建民A型曲線模型對(duì)孔壓發(fā)展進(jìn)行模擬，在曲線的第二階段孔壓進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)都不能很好地?cái)M合，究其原因是孔壓發(fā)展曲線在中后期有明顯的拐點(diǎn)存在.根據(jù)杭州這個(gè)飽和粉土孔壓增長(zhǎng)的規(guī)律，構(gòu)建了新的分段式孔壓增長(zhǎng)模型，對(duì)曲線上升段用雙曲線模型進(jìn)行擬合，穩(wěn)定段選用線性模型確定孔壓比的值，這里重點(diǎn)考慮了不同固結(jié)比影響下模型曲線拐點(diǎn)處的破壞振次比的準(zhǔn)確定位，當(dāng)Kc=1.0時(shí)，N/Nf為0.8，；當(dāng)Kc=1.5時(shí)，N/Nf為0.9；當(dāng)Kc=2.0時(shí)，無(wú)明顯拐點(diǎn)存在.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

Study on the model of dynamic pore water pressure in silt soil in Hangzhou under cyclic loading

MENG Fanli1, Lü Xiao1, LAI Shuna2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. Hangzhou Water Treatment Facilities Construction and Development Center, Hangzhou 310016, China)

Abstract:Based on the undrained dynamic triaxial test on the typical silt soil in Hangzhou, the effects of cyclic loading on the development of pore water pressure in sand soil in Hangzhou under different confining pressures, frequencies, and consolidation ratios are studied. The variation of pore water pressure in silt soil in Hangzhou is analyzed for different frequencies, confining pressures, and consolidation ratios. It is found that the consolidation ratio has a significant effect on the development of pore water pressure. At the same time, through comparisons of the Zhang model, the improved Zhang model, and the hyperbola curve model, a piece-wise model of pore water pressure is proposed. In this model, the ascending and descending branches are represented by a hyperbolic curve and a straight line, respectively. Thus, a development model of pore water pressure suitable for the silt soil in Hangzhou is established and the values of the model parameters corresponding to various conditions are determined.

Keywords:silt soil; dynamic pore water pressure; pore water pressure model

中圖分類號(hào)：TU435

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)01-0067-05

作者簡(jiǎn)介：孟凡麗(1969—)，女，遼寧錦州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閹r土工程，E-mail:zgdmfl@126.com．

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳資助項(xiàng)目(2013C31034)

收稿日期：2015-09-28