細粒對杭州飽和粉土動力特性的影響

孟凡麗，黃　聰，鄭　棋

(1．浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014; 2．浙江省送變電工程公司，浙江 杭州 310020)

細粒對杭州飽和粉土動力特性的影響

孟凡麗1，黃聰1，鄭棋2

(1．浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014; 2．浙江省送變電工程公司，浙江 杭州 310020)

摘要：通過杭州地區(qū)的典型飽和粉土的動三軸試驗，研究飽和粉土中細粒對粉土動力特性的影響.研究結果顯示：粘粒質量變化對粉土動強度影響顯著，但其影響并不是隨著粘粒質量的增加單向增長，而是在粘粒達到或接近12%左右時表現(xiàn)出的動強度最低，并在此區(qū)域有臨界點出現(xiàn)；粉粒質量變化對粉土動強度的影響則是呈單調關系，即粉土動強度會隨著粉粒質量的增加而增大；細粒對粉土的孔壓發(fā)展影響明顯，在孔壓發(fā)展的初始階段粘粒質量占12%時增量最顯著.

關鍵詞：飽和粉土；粘粒；粉粒；動強度；動孔壓

粉土液化問題一直是國內外學者近期研究的重點內容之一，由于粉土顆粒組成的特殊性，使得粉土液化的影響因素比砂土更復雜，特別是細粒變化會對粉土液化產(chǎn)生影響這一事實隨著研究的深入已經(jīng)被人們逐漸認識.Polito等[1]利用粉土和砂相混合的重塑土樣做實驗，發(fā)現(xiàn)細粒以及其相對密度對液化強度有很大影響；阮永芬等[2-4]選取密度和粘粒各不相同的飽和粉土進行動三軸實驗，試驗結果表明：粘粒質量增加，動強度也隨著相應增強，也就是隨著粉土中粘粒的變化，粉土的動強度會而呈單調變化；羅強等[5]通過動三軸試驗發(fā)現(xiàn)，飽和粉土的細粒質量在45%～55%之間時會出現(xiàn)一個動強度的最低值，粉土的動強度并不隨細粒的增加或減少而單調增減；丁志宇等[6]制作出4種不同細粒質量的重塑粉土進行動三軸實驗，粉土的動剪切強度隨著細粒質量的增加而增大；牛琪瑛等[7]研究了粘粒含量不同的重塑粉土的動剪應力比與粘粒含量的關系，曹成林等[8]通過則對黃河三角洲地區(qū)的飽和粉土進行類似研究.上述研究都是重點考慮粘粒和細粒的單一影響，實際上細粒包含粘粒和粉粒兩部分，這兩個的相對比例會影響土的動力特性.

不同地區(qū)的粉土都有其獨有的特性，關于杭州地區(qū)飽和粉土的動力特性的研究，主要集中在振動頻率和應力條件的改變上，孟凡麗等[9]模擬波浪荷載對杭州灣地區(qū)廣泛分布的飽和粉土動力特性進行了研究；朱小可等[10]研究了低圍壓、小頻率的循環(huán)荷載對杭州灣區(qū)域的近海粉土動力響應的影響；劉延志等[11]對杭州粉土的各向異性進行了探討，但有關杭州飽和粉土的細粒對其動力特性的研究較少，因此針對杭州飽和粉土，研究地鐵列車動荷載作用下的細粒質量變化對飽和粉土動強度和動孔壓的影響，探尋不同比例的粘粒和粉粒對粉土動力特性的影響.

1試驗概況

在研究粘粒質量變化對杭州飽和粉土動強度的影響時，試驗選用重塑粉土，土樣的砂粒保持為20%不變，粘粒和粉?？偤捅３?0%不變，然后將粘粒的質量分數(shù)Fc分別配置為6%，9%，12%，15%，后期還補充了粘粒分別為11%和13%的試驗試樣；在研究粉粒質量變化對粉土動強度的影響程度時，土樣保持粘粒為15%，粉粒和砂?？偤蜑?5%，分別調配粉粒的質量分數(shù)Ff為45%，55%，65%，75%.三種用于調配土樣的原料土粒徑分布如表1所示.

表1　原料土的粒徑組成

試驗的重塑試樣采用φ39.1 mm×80 mm規(guī)格，設定土樣控制干密度為1.497 g/cm3，按試驗土樣中的3種不同粒徑計算出該配制土樣總的砂粒、粉粒、粘粒的質量，然后將3種土料稱好后充分混合，加水拌合均勻，分5層壓實制樣，各組試驗土樣的粒徑分布如表2所示.

表2　試驗土樣粒徑組成

本試驗使用的是TAJ-20土動三軸試驗機，其主要用于黃土、粉土、粘性土、砂土等的的動強度、液化、模量、振陷試驗，能夠進行軸向靜力與動力加載，也可進行軸向與徑向雙向耦合(不同相位關系)的靜力與動力加載條件下的動三軸試驗，試驗中雙各向荷載的幅值、波形、相位、剪切波速或者試驗頻率可由微機獨立控制；動力試驗中可實現(xiàn)規(guī)則波(正弦波、三角波、方波、斜波)和給定時程的隨機波加載過程.

地鐵列車行車荷載具有周期性循環(huán)施加的特點，屬于低頻往返荷載，相關研究者通常都將地鐵列車行車荷載統(tǒng)一簡化為線性諧荷載，也就是用正弦波動荷載來簡化，振動頻率通常選用1 Hz.本研究試驗采用固結不排水的試驗方法，固結應力比選定為1.0，周圍壓力分別設定為100，150，200 kPa，孔壓消散到達95%以上視為固結穩(wěn)定，進行不排水振動試驗，動應力施加采用頻率為1 Hz的正弦波動荷載，記錄動應力、動應變、動孔壓與振動周次的相關數(shù)據(jù)信息，試驗的破壞標準選擇動應變控制，即軸向動應變峰值達5%時作為試樣破壞條件.

2細粒對粉土動強度的影響

2.1粘粒對粉土動強度的影響

本研究首先進行了6種含不同質量的粘粒的粉土土樣在3種圍壓下的試驗，目的是為了尋找粘粒質量增加對飽和粉土動強度的影響，試驗結果顯示：粘粒質量相同時，相同固結比條件下圍壓增大，試樣的動強度也會顯著增強；而當試樣在相同圍壓和固結比條件下，試樣粘粒質量變化與其動強度之間不再呈現(xiàn)單調增減趨勢，而是土樣的動強度有最低值出現(xiàn)，此時粉土試樣中的粘粒質量占12%.為了確認在此位置是否存在臨界最低點，特進行粘粒為11%和13%兩組試驗，試驗結果見圖1.圍壓不變，粉土動強度明顯受到粘粒增減的影響，但這種影響并不是單一的增加或減小，當粉土中粘粒在6%～12%區(qū)段時，其動強度會隨著粘粒的增加而降低，當粉土中粘粒在12%～15%區(qū)段時，土體中粘粒增加，粉土土樣的動強度會隨之提高，而粘粒為12%的時候，該組飽和粉土土樣的動強度最低，因此存在粘粒質量變化對動強度影響的一個明顯的臨界拐點.

圖1　不同粘粒粉土的動強度關系曲線Fig.1　Dynamic strength curve of different clay content

2.2粉粒對粉土動強度的影響

在粉土顆粒組成中粉粒是主要部分，粉粒質量的變化對飽和粉土的動強度影響也很值得關注，試驗設定土樣中粘粒質量固定為15%，配置了粉粒質量分數(shù)分別為45%，55%，65%，75%的四組試樣，對應的砂粒從40%減少到10%.在100，150，200 kPa圍壓條件下進行動強度試驗.

圖2　不同粉粒粉土的動強度關系曲線Fig.2　Dynamic strength curve of different silt content

圖2為不同圍壓下不同粉粒粉土的動強度與破壞振次的關系曲線，結果顯示：飽和粉土的粉粒從45%變化到75%，其動強度隨著粉粒質量的增加而明顯增大，并呈現(xiàn)單調增長趨勢.粉粒質量變化對粉土動強度的這種影響，可以從粉土的粒徑組成來解釋，由于粉粒的增加，砂粒則相對減少，在單位體積中粉粒顆粒所占據(jù)的體積會變大，因粉粒顆粒粒徑比砂粒小，所以粉粒替代砂粒后，土樣中顆粒間隙也會變小，顆粒接觸比之前要緊密，粉粒對土樣液化所起的阻礙作用也會越明顯，粉土的動強度也隨之逐漸增加，因此粉粒質量的增加會使粉土的動強度也隨之增長，而且這種影響是隨著粉粒質量的增加單調增長的.

3細粒對粉土動孔壓的影響

為了進一步研究粉土中細粒變化對其動孔壓的影響，我們對不同粘粒和粉粒的粉土的振動孔壓發(fā)展數(shù)據(jù)進行整理，將每個振動周期中孔隙水壓力的峰值作為該周期內的能達到的孔壓值，然后繪制孔壓比與振次比的關系曲線，如圖3，4所示，從而得到等壓固結條件下細粒變化對粉土動孔壓發(fā)展的影響趨勢曲線.

圖3　150 kPa圍壓下不同粘粒的動孔壓發(fā)展曲線Fig.3　The curve of dynamic pore water pressure of silt under 150 kPa confining pressure

圖4　200　kPa圍壓下不同粉粒的動孔壓發(fā)展曲線Fig.4　The curve of dynamic pore water pressure of silt under 200 kPa confining pressure

不同粘粒的粉土孔壓發(fā)展全過程如圖3所示，試樣在動荷載施加后的前期，其振動孔壓會迅速增加，隨后增速會變緩，最后逐漸趨于平穩(wěn).具體表現(xiàn)在N/Nf為0～0.2段區(qū)域內，不同粘粒粉土的孔壓迅速上升，其孔壓比增加值達到0.44～0.65，其中粘粒為12%的粉土其動孔壓比增量最大(0.65)；粘粒為15%的粉土其增量最小(0.44).隨后振動孔壓的發(fā)展較之前變慢，直至達到一定的穩(wěn)定值.其中粘粒為6%，9%，11%，12%，13%的粉土的最終孔壓值基本都能達到圍壓的98%以上，而粘粒為15%的粉土的最終孔壓值只有圍壓的93%左右.

當粘粒質量固定為15%時，粉粒不同的土樣的孔壓發(fā)展形態(tài)基本一致，全過程見圖4，動荷載施加的初期，在短時間內其振動孔壓會迅速增加，然后隨著時間的推移增加速率會變緩，最后逐漸趨于平穩(wěn).圖4中N/Nf為0～0.2這段區(qū)域內，試樣中的動孔壓上升迅速，孔壓比達到0.4～0.8，其中粉粒質量為75%的粉土動孔壓比增量最快；粉粒為55%的粉土其增量相對?。浑S后振動孔壓的發(fā)展較之前變慢，直至達到一定的穩(wěn)定值.

曾長女等通過對粉土等壓固結時振動孔壓發(fā)展的曲線擬合，得出了粉土孔壓發(fā)展模型，即

(1)

式中：ud為振動N次的孔壓；為試樣的初始有效圍壓；Nf為試樣破壞循環(huán)次數(shù)；a，b分別為曲線擬合參數(shù)[12].

為了驗證該模型對本研究的杭州粉土動孔壓發(fā)展的適用性，利用式(1)進行本試驗動孔壓發(fā)展的曲線擬合，驗證擬合系數(shù)的取值與細粒的關系，其擬合結果如表3所示.

表3　不同細粒粉土的振動孔壓發(fā)展模型擬合結果

由表3擬合結果可知：杭州飽和粉土在不同細粒條件下的振動孔壓發(fā)展模式，可以利用曾長女提出的孔壓發(fā)展模式來描述,同時結果顯示，細粒質量的變化直接影響系數(shù)a和b的取值，特別是值的變化更加顯著.

4結論

綜上所述，杭州飽和粉土的動力特性受細粒變化的影響是比較顯著的，特別是粉土的動強度受粘粒質量變化的影響較大,在粘粒質量增加時，粉土的動強度并不隨著粘粒的增加呈現(xiàn)單調增大或減小，而是在粘粒質量達12%時最低，其中當粘粒質量在6%～12%區(qū)間時，動強度會隨著粘粒質量的增加而減小，而當粉土中粘粒質量在12%～15%區(qū)間時，動強度則隨著粘粒質量的增加而變大，拐點狀態(tài)出現(xiàn)在粘粒占12%的位置，其動強度最小，試驗證明此點應是粘粒質量和動強度關系曲線中一個特定的臨界轉折點，也就是在粉土中存在一個粘粒質量分數(shù)點，當飽和粉土中的粘粒接近或達到該值時，粉土的動強度會接近或達到最低值，此時粉土最易液化；不同粉粒的飽和粉土的動三軸試驗顯示，飽和粉土液化中粉粒質量變化起著非常重要的作用，當粉粒的質量分數(shù)分別為45%，55%，65%，75%時，粉土的動強度會隨著粉粒質量增加而變大，并呈現(xiàn)出單調增長的趨勢；另外，細粒質量變化同樣影響粉土的動孔壓發(fā)展，不同粘粒的粉土動孔壓發(fā)展顯示，在振動初始階段，粘粒占比增加，其動孔壓比增量會增加，但并不單向增長，在粘粒為12%時增量達到最大，然后隨著粘粒質量的增加反而開始下降；而不同粉粒的粉土試樣的動孔壓發(fā)展，在振動初期，孔壓比都會迅速上升，粉粒質量分數(shù)越高，動孔壓比上升速度越快.

參考文獻：

[1]POLITO C P，MARTIN J R．Effects of nonplastic fines on the liquefaction resistance of sands[J]．Journal of Geotechnical and geoenvironmental engineering，2001,127(5)：408-415．

[2]阮永芬，侯克鵬.粉土地震液化判別方法研究的現(xiàn)狀和實際存在的問題[J]．地震工程與工程振動，2000,25(1)：64-67．

[3]景立平，羅強，崔杰.飽和粉土液化和應變特性試驗研究[J]．昆明理工大學學報，2006，26(5)：478-483．

[4]李曉靜，姚凱，李術才，等．黃泛區(qū)飽和粉土動強度特性試驗研究[J]．山東大學學報，2011，41(3)：78-81．

[5]羅強．基于細粒的粉土液化特性試驗研究[J]．四川建筑科學研究，2012，38(1)：138-141．

[6]丁志宇，豐土根，周健，等.細粒對飽和粉土動力特性影響試驗研究[J]．人民黃河，2013，35(3)：138-140．

[7]牛琪瑛，裘以意，史美筠．粉士抗液化特性的試驗研究[J]．太原工業(yè)大學學報，1996，27(3)：5-9．

[8]曹成林，孫永福，董斌．不同粘粒含量粉質土的動力強度特性研究[J]．海岸工程，2009，28(3)：27-32.

[9]孟凡麗，盧成原，王珊珊．波浪荷載下粉質土動應變和動強度的試驗研究[J]．浙江工業(yè)大學學報，2007，35(6)：671-674．

[10]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研究[J]．浙江工業(yè)大學學報，2008，36(2)：214-220．

[11]劉延志，胡敏云，沈映，等．杭州市粉土的各向異性室內試驗研究[J]．浙江工業(yè)大學學報，2012，40(2)：188-192．

[12]曾長女，劉漢龍，豐土根，等.飽和粉土孔隙水壓力性狀試驗研究[J].巖土力學，2005，26(12)：1963-1966.

(責任編輯：劉巖)

Influence of fine particles on dynamic characteristics of saturated silt in Hangzhou

MENG Fanli1, HUANG Cong1, ZHENG Qi2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang Transmission and Transformation Engineering Company, Hangzhou 310020, China)

Abstract:Through a series of dynamic triaxial tests on typical saturated silt in Hangzhou, the influence of fine particles on the dynamic characteristics of silt is studied. The results show that the dynamic strength is significantly influenced by the clay content, but it does not increase monotonically with the increase of the clay content. When the clay content is around 12%, the dynamic strength reaches the lowest value and there is a critical point in this range. The effect of the variation in the silt content on the dynamic strength of powder soil is monotonous, i.e., the dynamic strength of power silt increases with the increase of the silt content. The effect of fine particles on the development of the pore water pressure in silt is significant and the percent increase is the largest at the clay content of 12% in the initial development stage of pore pressure.

Keywords:saturated silt; clay particle; silt particle; dynamic strength; pore water pressure

收稿日期：2015-12-10

基金項目：浙江省科技廳基金資助項目(2013C31034)

作者簡介：孟凡麗(1969—)，女，遼寧錦州人，教授級高級工程師，研究方向為巖土工程，E-mail:zgdmfl@126.com．

中圖分類號：TU435

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)03-0300-05