初始剪應(yīng)力對(duì)汶川震區(qū)飽和砂土動(dòng)力特性影響分析

黃思杰,曹久亭

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，無(wú)錫 214072）

初始剪應(yīng)力對(duì)汶川震區(qū)飽和砂土動(dòng)力特性影響分析

黃思杰1,2,曹久亭3

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，無(wú)錫 214072）

文章以汶川震區(qū)中密飽和砂土為研究對(duì)象，利用DDS-70動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行振動(dòng)頻率f=1Hz時(shí)，固結(jié)比分別為Kc=1.0、Kc=1.5和K′c=2.0條件下的固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了初始剪應(yīng)力對(duì)汶川震區(qū)中密飽和砂土動(dòng)力特性的影響，得出了如下結(jié)論：隨著初始剪應(yīng)力的增大，飽和砂土動(dòng)孔壓極值隨之降低；在相同的圍壓和動(dòng)應(yīng)力作用下，隨著初始剪應(yīng)力的增大，飽和砂土動(dòng)應(yīng)變達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需的振次增大。在循環(huán)振次一定時(shí)，初始剪應(yīng)力越大，其動(dòng)強(qiáng)度越高；試樣動(dòng)強(qiáng)度均隨著循環(huán)振次增加而降低的趨勢(shì)，初始剪應(yīng)力越大，降低的趨勢(shì)越明顯。

汶川震區(qū)；飽和砂土；初始剪應(yīng)力；動(dòng)力特性

我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，汶川地震給人類帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，也給工程界帶來(lái)了新的問題和挑戰(zhàn)，其液化震害是建國(guó)以來(lái)涉及范圍最廣、液化現(xiàn)象最為豐富的一次，具有噴水高、持時(shí)短、噴砂量少但噴砂類型多等特點(diǎn)，Ⅵ度區(qū)內(nèi)場(chǎng)地深層土液化也是本次地震液化一個(gè)重要特征。汶川震區(qū)也存在大量高層建筑液化破壞現(xiàn)象，由于上部建筑物的存在，地基受到初始剪應(yīng)力作用，目前初始剪應(yīng)力對(duì)粘土動(dòng)力特性影響研究較多，針對(duì)飽和砂土的相對(duì)較少，本文以汶川震區(qū)中密飽和細(xì)砂為研究對(duì)象，通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析初始剪應(yīng)力對(duì)其動(dòng)力特性的影響。

1 研究現(xiàn)狀

蔡袁強(qiáng)[1]等研究認(rèn)為初始剪應(yīng)力對(duì)軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度有一定的影響，其動(dòng)強(qiáng)度隨著初始剪應(yīng)力的增大而減小；試樣在等壓固結(jié)時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度隨破壞循環(huán)次數(shù)的增加而衰減緩慢；當(dāng)初始剪應(yīng)力較大時(shí)，其衰減緩慢。Tan[2]等研究認(rèn)為初始剪應(yīng)力大小對(duì)土體的動(dòng)強(qiáng)度具有重要影響，初始剪應(yīng)力較小時(shí)，具有預(yù)壓作用，提高土體抗剪強(qiáng)度；當(dāng)初始剪應(yīng)力超過一定值時(shí)，會(huì)對(duì)土體顆粒間的相互粘結(jié)產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度降低。郭中華[3]研究認(rèn)為循環(huán)荷載振次相同時(shí)，初始剪應(yīng)力愈小，土體的動(dòng)強(qiáng)度愈高；對(duì)不同的初始剪應(yīng)力，土的動(dòng)強(qiáng)度比隨著循環(huán)振次的對(duì)數(shù)以近似相同的速率線性下降。而劉聞欣[4]等對(duì)重塑粉土試驗(yàn)得到其動(dòng)強(qiáng)度隨著固結(jié)比的增大而增大，固結(jié)比有1.0增加到2.0時(shí)，粉土的動(dòng)強(qiáng)度增加45%。

馬梅英[5]等研究認(rèn)為初始剪應(yīng)力使砂土存在剪脹的趨勢(shì)，減小試樣動(dòng)孔隙水壓力，從而提高土體的強(qiáng)度。張茹[6]研究認(rèn)為任何材料都存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)固結(jié)比K'c，當(dāng)Kc＞K'c時(shí)，由于初始剪應(yīng)力較高導(dǎo)致剩余強(qiáng)度較低，動(dòng)強(qiáng)度隨著Kc的增大而降低；當(dāng)Kc＜K'c時(shí)，該剪應(yīng)力使土粒骨架趨于更穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)強(qiáng)度隨著Kc的增大而增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)與材料的性質(zhì)和受力狀態(tài)有關(guān)。

綜合上述文獻(xiàn)可知，初始剪應(yīng)力對(duì)土體的動(dòng)力特性具有一定影響，對(duì)不同土體動(dòng)力特性影響并不一致。本文以汶川震區(qū)中密飽和砂土為研究對(duì)象，利用DDS-70動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行振動(dòng)頻率f=1 Hz時(shí)，固結(jié)比分別為Kc=1.0、Kc=1.5和K'c=2.0條件下的固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了初始剪應(yīng)力對(duì)汶川震區(qū)中密飽和砂土動(dòng)力特性的影響。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 汶川震區(qū)砂土基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)所用砂土取自汶川液化震區(qū)，依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）對(duì)汶川震區(qū)砂土比重、最大、最小干密度及顆粒組成進(jìn)行測(cè)試，該砂土定名為細(xì)砂，顆分曲線見圖1，其基本物理指標(biāo)見下表1。可見該砂土級(jí)配不良，易液化。

圖1 顆粒分析試驗(yàn)曲線Fig.1 Experimental curves of particle analysis

表1 砂土基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical parameters of sand

2.2 試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所用儀器為北京賓達(dá)英創(chuàng)科技有限公司開發(fā)的DDS-70動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠測(cè)量出振動(dòng)作用下試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和動(dòng)孔壓發(fā)展時(shí)程曲線。該試驗(yàn)系統(tǒng)可用于測(cè)試粘性土、砂土、黃土、粉土等的動(dòng)強(qiáng)度、液化、動(dòng)靜模量、阻尼比等;根據(jù)排水條件，可進(jìn)行不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪三類試驗(yàn)。可加載正弦波、三角波、方波等規(guī)則波。實(shí)驗(yàn)儀器見圖2，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖2 DDS-70動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 The DDS-70 dynamic triaxial test system

表2 DDS-70型三軸儀主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technology parameters of the DDS-70 triaxial apparatus

2.3 試驗(yàn)方案

（1）試樣制備。本文采用試樣規(guī)格為39.1×80 mm，相對(duì)密實(shí)度Dr= 0.45，即試樣的干密度ρd=1.56 g/cm3。采用濕裝成型法，試樣含水率為20%，攪拌均勻，密封存放一夜。根據(jù)土樣的干密度和預(yù)先設(shè)計(jì)的含水量確定每層土樣的重量，分五層擊實(shí)，各層接觸面刮毛以保證上下接觸良好，擊實(shí)到相應(yīng)高度。

（2）試樣飽和。本文試驗(yàn)采用聯(lián)合抽真空、通無(wú)氣水方法飽和，飽和前使圍壓保持20 kPa，保持負(fù)孔壓60 kPa左右，通入無(wú)氣水進(jìn)行循環(huán)飽和，當(dāng)B值大于等于0.96時(shí)，認(rèn)為試樣飽和。在不排水條件下受到各向相等壓力增量Δσ3時(shí)，產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力增量Δu1，其比值定義為孔隙應(yīng)力系數(shù)B，B值越大，飽和度越大）

（3）圍壓。王維銘[7-8]汶川震區(qū)場(chǎng)地中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汶川地震飽和土層埋深主要分布在0.6～10 m，變化較大，平均3.6 m，4 m以下液化場(chǎng)地占54%，非液化場(chǎng)地占32%，平均埋深5.3 m，同時(shí)調(diào)查發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)存在埋深超過15 m的液化土層存在。液化場(chǎng)地下水位在主要在0.8～7 m，平均2.4 m，不超過3 m約占75%，且在2～3 m范圍內(nèi)最為集中。因此，本文取5 m、10 m和15 m三個(gè)埋深的土體作為研究對(duì)象，固結(jié)圍壓σ3=γh，即分別取50 kPa、100 kPa和150 kPa作為有效固結(jié)圍壓。

（4）初始剪應(yīng)力。在本文中對(duì)不存在初始剪應(yīng)力作用的土樣采取等壓固結(jié)，即固結(jié)比Kc=1；存在初始剪應(yīng)力作用的土樣，初始剪應(yīng)力取圍壓的0.5倍和1倍，即固結(jié)比Kc=1.5和Kc=2。

（5）振動(dòng)頻率和循環(huán)動(dòng)荷載振幅?，F(xiàn)有室內(nèi)地震模擬試驗(yàn)加載的頻率大多在1 Hz左右，這與實(shí)際S波的卓越頻率比較接近。Seed等效方法提出等效頻率為1～2 Hz，結(jié)合本文試驗(yàn)儀器，振動(dòng)頻率f=1 Hz。

動(dòng)荷載振幅應(yīng)以能使試樣的破壞振次分布在場(chǎng)地可能動(dòng)荷載的等效破壞振次范圍內(nèi)。為了便于表示，本文用循環(huán)應(yīng)力比r表示，即循環(huán)荷載幅值與2倍圍壓的比值。本文試驗(yàn)中循環(huán)應(yīng)力比分別取0.5、0.4和0.3。

（6）試樣的破壞標(biāo)準(zhǔn)。目前試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)以動(dòng)孔壓和動(dòng)應(yīng)變兩個(gè)作為判別條件。本試驗(yàn)中選取當(dāng)動(dòng)孔壓發(fā)展到圍壓或雙幅應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到其中一個(gè)條件即認(rèn)為砂土試樣破壞。

3 初始剪應(yīng)力對(duì)飽和砂土動(dòng)孔壓、動(dòng)應(yīng)變及動(dòng)強(qiáng)度影響分析

3.1 初始剪應(yīng)力對(duì)飽和砂土動(dòng)孔壓影響分析

圖3為振動(dòng)頻率f=1 Hz時(shí)，圍壓σ3c分別為50 kPa、100 kPa和150 kPa條件下，不同初始剪應(yīng)力下飽和砂土動(dòng)孔壓ud與循環(huán)振次N關(guān)系曲線。

圖3中可以看出，汶川震區(qū)飽和砂土動(dòng)孔壓發(fā)展均隨著循環(huán)振動(dòng)次數(shù)呈單調(diào)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從發(fā)展來(lái)看，在循環(huán)加載初期，動(dòng)孔壓均是線性急速增長(zhǎng)，隨著循環(huán)振次的增加，動(dòng)孔壓持續(xù)上升，但增長(zhǎng)速率明顯減慢，最后試樣發(fā)展到破壞。

圖3 不同初始剪應(yīng)力下試樣孔壓曲線Fig.3 Pore pressure curves under different initial shear stress

在相同的振動(dòng)頻率及圍壓作用下，當(dāng)試樣不存在初始剪應(yīng)力時(shí)，動(dòng)孔壓發(fā)展曲線存在三階段，第一階段孔壓發(fā)展較快，達(dá)到圍壓的0.4倍左右；第二階段孔壓發(fā)展變緩，達(dá)到圍壓的0.8倍左右，第三階段發(fā)展比較迅速，孔壓發(fā)展到圍壓，試樣發(fā)生破壞；當(dāng)存在初始剪應(yīng)力作用時(shí)，動(dòng)孔壓的發(fā)展存在兩個(gè)階段，第一階段發(fā)展較快，孔壓達(dá)到一定程度后，發(fā)展開始變緩，直至試樣發(fā)生破壞；相同循環(huán)振次N下，試樣孔壓隨著初始剪應(yīng)力增加而降低?？梢姵跏技魬?yīng)力對(duì)動(dòng)孔壓發(fā)展形態(tài)也有著一定的影響，且隨著初始剪應(yīng)力的增大，孔壓發(fā)展速率隨之減慢。從圖3中可以看出，在圍壓為100 kPa時(shí)，固結(jié)比Kc=1時(shí)，動(dòng)孔壓的極限值接近100 kPa，在固結(jié)比Kc=1.5時(shí)，動(dòng)孔壓的極值則小于圍壓，達(dá)到85 kPa左右，固結(jié)比Kc=2時(shí)，則更低，只達(dá)到圍壓的60 kPa左右。可見看出隨著固結(jié)比的增大，即初始剪應(yīng)力的增加，汶川震區(qū)飽和砂土達(dá)到破壞時(shí)的動(dòng)孔壓極值越小。這是由于初始剪應(yīng)力的存在導(dǎo)致砂土試樣處于剪脹的狀態(tài)，在動(dòng)孔壓發(fā)展過程中抵消了一部分的超孔隙水壓力，初始剪應(yīng)力越大，土樣的剪脹作用就越大，對(duì)超孔隙水壓力的抵消作用越大，因此在相同的圍壓下，固結(jié)比越大，動(dòng)孔壓發(fā)展到試樣破壞時(shí)的極限值越小。

初始剪應(yīng)力對(duì)汶川震區(qū)飽和砂土動(dòng)孔壓發(fā)展形態(tài)具有一定的影響，隨著初始剪應(yīng)力增大，孔壓發(fā)展速率隨之減慢，動(dòng)孔壓極值隨之降低。

3.2 初始剪應(yīng)力對(duì)飽和砂土動(dòng)應(yīng)變影響分析

圖4給出了在振動(dòng)頻率f=1 Hz條件下，圍壓分別為50 kPa、100 kPa和150 kPa下，飽和砂土在不同固結(jié)比條件下軸向動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興與循環(huán)振次N關(guān)系曲線。

從圖4汶川震區(qū)飽和砂土動(dòng)應(yīng)變發(fā)展曲線可以看出，在相同的振動(dòng)頻率、圍壓及動(dòng)荷載作用下，其動(dòng)應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相似，在一定的循環(huán)振次范圍內(nèi)，試樣應(yīng)變發(fā)展越慢，當(dāng)循環(huán)振次達(dá)到一定的振次N時(shí)，動(dòng)應(yīng)變出現(xiàn)急劇轉(zhuǎn)折，軸向動(dòng)應(yīng)變開始大幅增加，很快達(dá)到破壞。對(duì)比不同固結(jié)比下動(dòng)應(yīng)變發(fā)展曲線可以看出，在相同的循環(huán)振次下，試樣達(dá)到的應(yīng)變隨著初始剪應(yīng)力的增加而降低；試樣動(dòng)應(yīng)變出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)NP所需要的振次隨著初始剪應(yīng)力的增加而增加。分析認(rèn)為由于初始剪應(yīng)力存在使砂粒間接觸更緊密，使試樣存在剪脹趨勢(shì)，會(huì)在一定程度降低動(dòng)孔壓的發(fā)展，使有效應(yīng)力減小緩慢，因而隨著初始剪應(yīng)力的增大，土樣的動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)越慢。

可以看出在相同振動(dòng)頻率、圍壓及動(dòng)荷載作用下，其動(dòng)應(yīng)變發(fā)展速率隨著初始剪應(yīng)力的增加而降低；飽和砂土動(dòng)應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需振次隨著初始剪應(yīng)力的增大而增大。

3.3 初始剪應(yīng)力對(duì)砂土動(dòng)強(qiáng)度的影響分析

圖5在振動(dòng)頻率f=1 Hz時(shí)，不同圍壓下初始剪應(yīng)力對(duì)飽和砂土動(dòng)強(qiáng)度曲線。

由圖5給出的飽和砂土動(dòng)強(qiáng)度曲線可以看出，在循環(huán)振次一定時(shí)，初始剪應(yīng)力越大，汶川震區(qū)砂土達(dá)到破壞所需要的動(dòng)應(yīng)力越高,即初始剪應(yīng)力越大，汶川震區(qū)飽和砂土的動(dòng)強(qiáng)度越高;試樣在不同的固結(jié)比下動(dòng)強(qiáng)度均表現(xiàn)隨著循環(huán)振次增加而降低的趨勢(shì)，初始剪應(yīng)力越大，降低的趨勢(shì)越明顯。

圖4 不同初始剪應(yīng)力下動(dòng)應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.4 Developmental curve of dynamic strain under different initial shear stress

圖5 不同初始剪應(yīng)力下飽和砂土動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.5 Dynamic strength of saturated sand under different initial shear stress

4 結(jié)論

本文采用DDS-70室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)汶川震區(qū)飽和砂土在振動(dòng)頻率f=1Hz條件下，進(jìn)行了圍壓分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa，固結(jié)比Kc=1.0、Kc=1.5和Kc=2.0的固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)。分析了在相同振動(dòng)頻率、圍壓及動(dòng)荷載作用下初始剪應(yīng)力對(duì)其動(dòng)力特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）初始剪應(yīng)力對(duì)汶川震區(qū)飽和砂土動(dòng)孔壓發(fā)展形態(tài)具有一定的影響，隨著初始剪應(yīng)力增大，孔壓發(fā)展速率隨之減慢，動(dòng)孔壓極值隨之降低。

（2）動(dòng)應(yīng)變發(fā)展速率隨著初始剪應(yīng)力的增加而降低；飽和砂土動(dòng)應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需振次隨著初始剪應(yīng)力的增大而增大。

（3）在循環(huán)振次一定時(shí)，初始剪應(yīng)力越大，汶川震區(qū)砂土達(dá)到破壞所需要的動(dòng)應(yīng)力越高,即初始剪應(yīng)力越大，汶川震區(qū)飽和砂土的動(dòng)強(qiáng)度越高；試樣動(dòng)強(qiáng)度均隨著循環(huán)振次增加而降低的趨勢(shì)，初始剪應(yīng)力越大，降低的趨勢(shì)越明顯。

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Experimental study on effects of initial shear stress on dynamic characteristics of saturated sand of Wenchuan earthquake area

HUANG Si-jie1,2,CAO Jiu-ting3
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China;2. Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering, Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering, Tianjin 300456, China; 3. Jangsu Zhongshe Group Co., Ltd., Wuxi 214072, China)

Taking the saturated medium dense sand in Wenchuan earthquake area as the research object, the undrained dynamic triaxial tests were conducted on the sand with Kc=1.0, 1.5 and 2.0 using DDS-70 Dynamic Experiment System when the vibration frequency was 1 Hz. The effects of initial shear stress on the dynamic properties of the saturated medium dense sand in the Wenchuan earthquake area were analyzed. The results are as follows: the critical dynamic pore pressure of the saturated sand decreases with the increase of the initial shear stress. Under the same confining pressure and dynamic stress, it will need more vibration times for saturated sand to reach the turning point of the dynamic strain if the initial shear stress grows. The initial shear stress has a positive effect on the dynamic strength if the cyclic vibration times keep constant. The dynamic strength decreases with the increase of cyclic time, and this trend is more obvious when the initial shear strength is higher.

Wenchuan earthquake area; saturated sand; initial shear stress; dynamic characteristics

TU 435

A

1005-8443(2017)03-0299-05

2016-12-16；

2017-02-16

黃思杰（1987-），男，河南商丘人，助理工程師，主要從事土動(dòng)力學(xué)方向研究。Biography:HUANG Si-jie(1987-),male,assistant engineer.