雙向振動下含黏粒砂土液化特性試驗(yàn)研究

黃志全， 王偉， 張瑞琪， 張曉麗

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

wi= σzddεzd+σθddεθd+σrddεrd+τddεzθd 。

W=∑wi。

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雙向振動下含黏粒砂土液化特性試驗(yàn)研究

黃志全， 王偉， 張瑞琪， 張曉麗

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

采用GCTS雙向動三軸測試系統(tǒng)，把膨潤土作為試驗(yàn)的黏粒材料，通過飽和砂土的雙向動三軸試驗(yàn)，以試樣液化的耗損能量為指標(biāo)，探究不同黏粒含量、干密度、圍壓及相位差對飽和砂土液化特性的影響。結(jié)果表明：隨著黏粒含量的增加，砂土液化所需的耗損能量先減少后增加，呈拋物線型，這是因?yàn)轲ち：枯^低時(shí)，黏粒在砂顆粒間起到潤滑的作用，隨著黏粒含量的增多，黏粒反而起到固定和鑲嵌砂顆粒的作用；隨著干密度和圍壓的增大，砂土液化所需的耗損能量不斷增加；相位差為180°時(shí)更有利于飽和砂土的液化，而相位差的變化與砂土液化所需耗損能量之間的關(guān)系不明顯。

雙向動三軸；累計(jì)耗損能量；砂土液化；黏粒含量；相位差

我國是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，其中飽和土的液化是地震破壞的重要原因?？v觀近幾十年歷史上的強(qiáng)震，飽和土的液化導(dǎo)致了地震發(fā)生時(shí)建筑物毀滅性的破壞，自1960年智利地震和1964年日本新瀉地震出現(xiàn)了不同程度的噴水冒砂、地面下降等災(zāi)害現(xiàn)象，使得人們開始深入研究土的液化。

其中關(guān)于循環(huán)荷載下砂土孔壓和損耗能量關(guān)系的研究最早開始于1970年，Youd首次提出了砂土能量柵的概念，當(dāng)時(shí)所提出的能量柵只是一個(gè)定性的概念，但在一定程度上能夠表明砂土結(jié)構(gòu)的變化必然伴隨著一定的能量耗損[1]。 Nemat和Shokooh提出了基于能量法的土壤液化特性分析方法，從能量角度研究了振動荷載下砂土孔壓增長機(jī)理，并建立了數(shù)學(xué)模型[2]。Davis與Berrill在前人研究的基礎(chǔ)上，從熱力學(xué)的角度建立了砂土孔壓的增長與耗損能量之間的關(guān)系；1982年，他們進(jìn)行了更深入的研究，推導(dǎo)出了地震場地砂土液化的統(tǒng)計(jì)判別式[3]。Cao和加拿大的Law通過實(shí)驗(yàn)室振動三軸和振動扭剪試驗(yàn)獲得了砂土的孔壓比與土體振動耗損能量之間的指數(shù)表達(dá)式，并由試驗(yàn)獲得的土體液化的孔壓與耗損能量表達(dá)式，結(jié)合國內(nèi)外砂土及粉砂場地地震液化的統(tǒng)計(jì)分析成果，獲得了適用于粉砂和砂土的場地液化勢的統(tǒng)計(jì)判別式[4]。隨后，他們通過室內(nèi)振動三軸試驗(yàn)研究了砂粒含量和黏粒含量對土體液化強(qiáng)度以及對孔壓與能量關(guān)系模式的影響[4]。Baziar等通過動扭剪試驗(yàn)，利用能量法研究了砂土的液化特性，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒含量和有效圍壓對砂土的液化特性有很大影響[5]。Polito等開展了不同波形的循環(huán)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)飽和松砂的液化耗損能量與加載波形沒有關(guān)系[6]。Lade等的研究結(jié)果表明，細(xì)粒含量的增加降低了飽和砂土的抗液化能力[7-8]。Amini等研究則發(fā)現(xiàn)細(xì)粒含量的增加提高了飽和砂土的抗液化能力[9]。

以上對砂土液化特性的研究多是在沒有考慮徑向荷載作用下進(jìn)行的，大多利用單向振動時(shí)試樣 45°面上的應(yīng)力來模擬地震剪切波的作用，并且認(rèn)為地震荷載的破壞作用主要是由剪切荷載引起的。謝定義認(rèn)為，地震剪切波的試驗(yàn)應(yīng)該用雙向振動三軸儀在軸向和徑向施加同頻率、等幅值、相位差為 180°的循環(huán)荷載來模擬[10]。另外，大多數(shù)情況下，土體所受到的動荷載作用十分復(fù)雜，尤其是砂土地基在強(qiáng)震作用下同時(shí)受 P 波和 S 波作用，此時(shí)土體不僅承受剪切動荷載作用，還同時(shí)受到壓縮動荷載作用[11]。因此，在抗震設(shè)計(jì)中徑向壓縮動荷載的作用顯然不能忽略。

綜上所述，在雙向循環(huán)動荷載下并結(jié)合能量損耗來研究砂土液化的特性至今較少。筆者以雙向循環(huán)加載的累積耗損能量為指標(biāo)，通過飽和砂土的循環(huán)三軸試驗(yàn)，探討?zhàn)ち：俊⒏擅芏取鷫阂约跋辔徊畹纫蛩貙ι巴烈夯匦缘挠绊憽?/p>

1 理論基礎(chǔ)

土體在循環(huán)動荷載作用下，其振動能量一部分被釋放，另一部分被土體所吸收，其中被土體吸收的那部分能量稱之為耗損能量。而在循環(huán)動荷載作用下，飽和砂土在不排水條件下振動孔隙水壓力的增大，主要是由于砂土在一定的強(qiáng)度振動下，土顆粒之間會發(fā)生相互運(yùn)動，顆粒重新排列，特別是飽和砂土，在振動過程中土骨架趨于松弛，粒間作用的應(yīng)力相應(yīng)轉(zhuǎn)換為孔隙水壓力，因此，振動孔隙水壓力的增大與在振動過程中消耗的能量有關(guān)。那么，假定砂土試樣單位體積內(nèi)第i循環(huán)的耗損能量表示為wi,在動三軸試驗(yàn)中，每次循環(huán)荷載作用下試樣的耗損能量W等于每次循環(huán)形成的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滯回圈的面積，可通過數(shù)學(xué)積分計(jì)算獲得，即：

wi=σzddεzd+σθddεθd+σrddεrd+τddεzθd。

單位體積土體累積的耗損能量為各次循環(huán)損失能量之和，即：

W=∑wi。

式中：σzd、σθd、σrd分別為豎向、環(huán)向和徑向的循環(huán)應(yīng)力；εzd、εθd、εrd分別為豎向、環(huán)向和徑向的循環(huán)應(yīng)變；τd、εzθd分別為循環(huán)剪應(yīng)力和循環(huán)剪應(yīng)變。

2 雙向動三軸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)所用土樣全部是重塑土樣，主要由細(xì)砂和黏粒配置而成，為了消除其他不確定因素的影響，對所用砂土進(jìn)行預(yù)處理，即砂樣經(jīng)過烘干后，過0.25 mm和0.075 mm篩，選取粒徑在0.075～0.25 mm范圍內(nèi)的砂粒備用，黏粒含量為0%。試驗(yàn)所用砂土樣取自南水北調(diào)中線工程河北磁縣漳河北岸段的一砂坡處，所取土樣埋深約4 m，砂土基本物理情況見表1。試驗(yàn)所用黏粒出自白色膨潤土，其主要成分為蒙脫石，含量95%，脹縮性很強(qiáng)。

表1 砂土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)值

試樣制樣時(shí)按照干密度和黏粒含量的變化，根據(jù)試樣的體積確定每個(gè)試樣中砂土和黏粒的質(zhì)量，將兩者混在一起拌合均勻，加入一定的無氣水，控制含水率為15%，將其儲存在塑料袋內(nèi)靜置于保濕缸24 h后取出，試樣采用直徑50 mm，高100 mm的試樣，分5層壓實(shí)，根據(jù)試樣總質(zhì)量確定每層的質(zhì)量，擊實(shí)到相應(yīng)高度，注意每層接觸面的刮毛，保證試樣完整性。

2.2 試驗(yàn)方案

本文采用GCTS雙向動三軸測試系統(tǒng)，通過調(diào)整圍壓、軸向和徑向振幅、振動頻率、相位差等控制條件來研究不同情況下砂土液化的特性。試驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)制樣器制樣，抽真空、飽和并冰凍后裝樣；再在小圍壓下解凍并通入無氣水，然后測試孔壓比，當(dāng)孔壓比達(dá)到一定值時(shí)表明試樣已經(jīng)飽和，方可進(jìn)行下一步試驗(yàn)。試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)采用變形標(biāo)準(zhǔn)(εd=5%)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置振動循環(huán)次數(shù)，保證每次試樣破壞時(shí)孔壓比和變形都能達(dá)到破壞值。試驗(yàn)方案見表2。

表2 動三軸試驗(yàn)方案

3 結(jié)果分析

限于篇幅，本文以黏粒含量為5.0%的試樣為例分析砂土液化的試驗(yàn)結(jié)果。選取其中干密度為1.50 g/cm3、圍壓100 kPa、相位差0°的試樣，對該試樣施加軸向140 kPa、徑向30 kPa的雙向循環(huán)荷載，隨著循環(huán)振次的增加，孔壓逐漸上升，由于徑向循環(huán)荷載的施加，當(dāng)孔壓平均值接近于圍壓100 kPa時(shí)，認(rèn)為砂土已經(jīng)液化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1—3所示。圖1給出了試樣從加載到液化直至破壞的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滯回圈，從圖1中可以看出割線模量隨著振次的增加逐漸降低。從圖2中可以看出，在平均孔壓達(dá)到80 kPa前，孔壓隨著耗損能量的增加呈線性增長的趨勢，當(dāng)平均孔壓超過80 kPa時(shí)，孔壓增加趨勢逐漸變緩，且平均孔壓最終接近于100 kPa，并且孔壓隨著振次的增加逐漸上升。圖3是耗損能量與孔壓的關(guān)系曲線，其中耗損能量是根據(jù)式(1)計(jì)算每次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈面積得出來的，由于本次試驗(yàn)施加了軸向和徑向循環(huán)荷載，故沒有考慮環(huán)向應(yīng)力、應(yīng)變。

圖1 軸向循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈

圖2 孔壓與循環(huán)振次的關(guān)系

圖3 累積耗損能量與孔壓的關(guān)系

3.1 黏粒含量對砂土液化特性的影響

相關(guān)研究已表明，黏粒含量的不同對于飽和砂土的液化有很大的影響。

圖4給出了圍壓為100 kPa、不同黏粒含量的砂土液化時(shí)的耗損能量。從圖中可以看出，黏粒含量為10.0%的飽和砂土液化時(shí)的耗損能量明顯低于其他含黏粒的砂土，而黏粒含量為12.5%的飽和砂土液化時(shí)的耗損能量高出黏粒含量為10.0%的很多，這說明砂土的抗液化能力并不是隨著黏粒含量的增加而單調(diào)增加的。究其原因，從砂粒和黏粒的微觀結(jié)構(gòu)來看，無論是圓顆粒還是片狀結(jié)構(gòu)砂粒，黏粒分布在砂粒周圍以點(diǎn)接觸的形式和砂粒膠結(jié)在一起，當(dāng)黏粒較少時(shí)，黏粒不能占滿砂粒之間的空隙，黏粒的存在起到一定的潤滑作用，使得在低黏粒含量下隨著黏粒含量的增大，砂土的抗液化能力逐漸降低；當(dāng)黏粒含量達(dá)到一定值時(shí)，黏粒能夠占滿砂顆粒之間的空隙，此時(shí)的黏粒不再起到潤滑的作用，相反主要起穩(wěn)定、鑲嵌砂粒的作用，砂土開始表現(xiàn)出黏性土的特性，從而砂土抗液化的能力越來越強(qiáng)。因此，圖4中曲線呈開口向上的近似拋物線，這與前人的研究成果基本一致[12]。但是，由于所加黏粒為蒙脫石含量較高的膨潤土，鑒于膨潤土特殊的膨脹性，使得在低黏粒含量情況下，試樣中的黏粒能夠更多地占據(jù)砂顆粒之間的空隙，因此拋物線的最低點(diǎn)要比衡朝陽等人研究得出的略低一些[13-14]。

圖4 黏粒含量與液化耗損能量的關(guān)系

3.2 干密度和圍壓對砂土液化特性的影響

關(guān)于干密度和圍壓對砂土液化特性的影響，前人的大多研究成果都是單向振動下并且很少以能量指標(biāo)來分析干密度和圍壓對砂土液化特性的影響[15]。圖5給出了圍壓為100 kPa、黏粒含量為5.0%、7.5%、10.0%時(shí)3種干密度下試樣液化的耗損能量。由圖可以看出，其他條件一樣時(shí)，隨著干密度的增大，累積耗損能量呈線性增加，砂土抗液化能力增強(qiáng)。

圖5 干密度與砂土液化耗損能量的關(guān)系

圖6給出了不同圍壓下試樣累積耗損能量，由圖可知，隨著圍壓的增加，砂土液化損耗能量也相應(yīng)增加，即砂土抗液化能力增強(qiáng)。

圖6 圍壓與耗損能量的關(guān)系

3.3 相位差對飽和砂土液化特性的影響

以圍壓100 kPa為例，圖7給出了相位差與砂土液化振次的關(guān)系曲線。由圖7可以看出，在其他條件相同的情況下，隨著相位差的變化，試樣液化振次有著明顯的變化規(guī)律，相位差由0°到180°對應(yīng)的液化振次越來越少。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是施加雙向循環(huán)荷載的相位差不同，將導(dǎo)致應(yīng)力路徑的不同，相位差為180°時(shí)，應(yīng)力路徑的傾斜斜率要比0°時(shí)斜率大，相應(yīng)的應(yīng)變增加速率較快，破壞時(shí)的振次較低。

圖7 相位差與砂土液化振次的關(guān)系

對于相位差與砂土液化耗損能量的關(guān)系，以圍壓50、100、150 kPa為例，圖8給出了相位差與耗損能量的關(guān)系曲線。

圖8 相位差與砂土液化耗損能量的關(guān)系

由圖8可知，相位差與耗損能量沒有明顯的關(guān)系，對于不同的相位差，試樣液化耗損能量相差不大，究其原因，砂土液化耗損能量是由試樣自身的物理性質(zhì)決定的，與外部荷載施加的方式無關(guān)。

4 結(jié) 語

本文利用雙向動三軸測試系統(tǒng)進(jìn)行了飽和砂土在雙向循環(huán)動荷載作用下的液化試驗(yàn)，以能量耗損為指標(biāo)，主要分析了黏粒含量、干密度、圍壓及相位差對砂土液化特性的影響，得到以下結(jié)論：

1)黏粒含量對飽和砂土液化有著很大的影響，砂土的液化損耗能量不是隨著黏粒含量的增加而單調(diào)增加，而是會出現(xiàn)一個(gè)低谷值，由于文中試驗(yàn)所加黏粒的膨脹性，使得拋物線的低谷值與其他人的研究結(jié)果有一定的差別。

2)雙向循環(huán)動荷載下干密度和圍壓對砂土液化特性的影響與單向振動下基本一致，液化損耗能量隨著干密度和圍壓的增大而增大，砂土的抗液化能力隨之增強(qiáng)。

3)相位差對于砂土液化損耗能量影響不大，但是不同的相位差對應(yīng)的液化振次有明顯的區(qū)別，相位差為180°時(shí)更有利于砂土的液化。

4)本文研究的因素較少，特別是雙向循環(huán)動荷載下振幅比對砂土液化特性的影響有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：喬翠平)

Experimental Study on Liquefaction Properties of Clayey Sand under Two-directional Cyclic Vibration

HUANG Zhiquan, WANG Wei， ZHANG Ruiqi， ZHANG Xiaoli

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

To study the liquefaction properties of clayey sand under two-directional cyclic vibration, we used the two-directional cyclic triaxial testing system and took bentonite as the experimental clay materials, the two-directional cyclic triaxial test on the saturated clayey sand was done.We took the liquefaction energy dissipation as the index and discussed the influence of the content of clay particles, the dry density, the confining pressure and the phase difference on the liquefaction properties of clayey sand. The results show: the dissipated energy needed by the sand liquefaction firstly decrease and then increase with the increase of the content of clay particles, and the curve is a parabola type, the reason is that the clay particles have a lubrication action among the particles of clayey sand when the content of clay particles is lower; the dissipated energy needed by the clayey sand liquefaction is increasing with the increase of the dry density and the confining pressure; the phase difference of 180° benefits the liquefaction of saturated sand, the relationships between the variation of the phase difference and the dissipated energy needed by the liquefaction of clayey sand is not obvious.

two-directional cyclic triaxial system; cumulative dissipated energy; sand liquefaction; the content of clay particles; phase difference

2016-01-20

河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃(154100510006)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210111)；新疆維吾爾自治區(qū)科技援疆項(xiàng)目(201491105)；新疆自治區(qū)高層次人才引進(jìn)工程資助。

黃志全(1970—)，男，河南潢川人，教授，博導(dǎo)，博士，主要從事巖土力學(xué)、邊坡與滑坡工程等方面的研究。E-mail: huangzhiquan@ncwu.edu.cn。

王偉(1989—)，男，河南鄭州人，碩士，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail:961904565@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.011

TV16；TU411

A

1002-5634(2016)03-0055-05