鈣質珊瑚砂液化特性的動三軸試驗研究

紀文棟，張宇亭，裴文斌，王 歡

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

我國倡導的一帶一路戰(zhàn)略，在國際上產(chǎn)生了重要的影響，隨著21世紀海上絲綢之路建設的深入，沿線海洋開發(fā)亟待加速，其中人工島礁的建設也進入了新的發(fā)展時期?，F(xiàn)階段珊瑚島礁的建設主要采用人工吹填的方式，珊瑚砂作為人工島礁建設的唯一原材料，其作為地基材料的力學性質是關注的重點，為此許多學者開展了一系列的研究[1-4]。

圖1 珊瑚砂顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of coral sand

珊瑚島礁位于大洋深處，其中的風浪條件復雜，每年經(jīng)歷多次的臺風、風暴潮等極端天氣影響，珊瑚砂的液化性質是其重要研究方向之一。孟慶山[5-6]開展了珊瑚礁鈣質沉積物液化特性及其機理研究，運用現(xiàn)場扁鏟側脹試驗和室內豎向一扭轉循環(huán)耦合試驗研究了珊瑚砂的液化特性。唐國藝[7]研究了東帝汶帝力市珊瑚砂地基的工程性質，指出相對一般石英砂的性質而言，珊瑚砂的標貫擊數(shù)較低而相應的剪切波速相對較大，珊瑚砂在地震作用下液化的可能性較大。

本文應用英國GDS公司生產(chǎn)的振動三軸試驗系統(tǒng)，對珊瑚砂進行不同振幅下的動三軸試驗，研究珊瑚砂的液化特性，分析了珊瑚砂液化過程中孔壓、滯回圈、偏應力等的變化規(guī)律，研究結果對支持一帶一路人工島礁的建設有重要意義。

1 試樣及試驗方案

1.1 珊瑚砂的基本性質

珊瑚砂主要由珊瑚骨骼、生物骨骼、貝類殼體等組成，它的組成成分不同于陸地上常見的砂。陸地上常見的砂是由二氧化硅組成，所以也常稱為硅質砂或石英砂，而珊瑚砂的主要成分為碳酸鈣，其鈣質含量達90%以上。由于鈣質材料本身具有硬脆的特性，所以珊瑚砂有易破碎的性質。同時珊瑚砂顆粒的內部微孔隙豐富，導致其整體孔隙率較高。

本試驗的試樣取自我國海南省三沙市，該珊瑚砂顆粒較細，其中2 mm以下的顆粒含量占到總質量的92%以上，偶有不均勻的大塊珊瑚骨骼或貝殼。圖1為試驗試樣的顆粒級配曲線，從顆粒級配曲線上看，該珊瑚砂試樣顆粒分布較為均勻，不存在明顯的缺失粒徑。控制試樣的密實度為30%。

1.2 試驗方案

試驗的荷載通過等幅應變方式施加，共進行了4個不同振幅的試驗，振幅分別為0.2 mm、0.8 mm、1.6 mm、3.2 mm，分別對應于軸向應變?yōu)?.25%，1%，2%，4%。通過觀察孔隙水壓力變化和偏應力變化情況來判斷試樣是否進入液化狀態(tài)。試驗采用的振動頻率都為0.5 Hz(圖2)。

表1 試驗方案Tab.1 Experiment scheme

圖2 加載過程 圖3 試樣飽和示意圖 Fig.2 Loading procedure Fig.3 Diagrammatic sketch of specimen saturation

試樣飽和是動三軸試驗的重要一環(huán)，本研究中采用如下的方法保證試樣飽和度(圖3)。首先將試樣在抽真空狀態(tài)下浸泡24 h，盡量使顆粒內部的空氣排出。將試樣裝入動三軸試驗儀器內，將上排水管口和下排水管口分別接入兩個獨立的壓力體積控制器進行反壓飽和。先關閉上部排水管閥門，用底部排水管連接的壓力體積控制器進行反壓飽和，待珊瑚砂內部的空氣溶解于試樣內的水中時，將上部排水管連通的壓力控制器設置為低于反壓值5 kPa的壓力并將閥門打開，利用上下之間的壓力差進行水循環(huán)，用無氣水將溶解了較多氣體的水替換排出。再重復反壓飽和的過程，進行多次循環(huán)之后，可以實現(xiàn)B值達到0.99以上。

2 試驗結果分析

在所進行的四種不同應變振幅的動三軸試驗中，除0.2 mm沒有出現(xiàn)液化現(xiàn)象，其余三個振幅的試驗都出現(xiàn)了液化，下面分別對試驗獲取的偏應力、孔隙水壓力、滯回圈的變化情況進行分析。

2.1 偏應力-時間變化

圖4為四種不同振幅下的偏應力時程曲線。在0.2 mm振動幅值作用下，試樣在經(jīng)歷1 000 s，共500個周期的循環(huán)后依然沒有出現(xiàn)液化現(xiàn)象，為了顯示效果，文章中只取了前550 s的數(shù)據(jù)。偏應力在經(jīng)歷了最初100 s的降低之后就一直保持在一個穩(wěn)定值。隨著振動幅值的變大，珊瑚砂到達液化狀態(tài)所需要的振動周期越來越少，在振幅為3.2 mm下，只需要10個周期的振動，珊瑚砂就已經(jīng)進入了明顯的液化狀態(tài)。在振幅0.2 mm和振幅0.8 mm的試驗中，最大的偏應力都處于90 kPa左右，隨著振幅的增大，最大偏應力也出現(xiàn)了明顯的增長。

4-a 振幅0.2 mm 4-b 振幅0.8 mm 4-c 振幅1.6 mm 4-d 振幅3.2 mm圖4 偏應力-時間關系Fig.4 Relationship between deviator stress and time

通過分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂的偏應力和循環(huán)振次lnNf之間是線性相關，四種不同振幅下的擬合結果如圖5所示。試驗振幅由0.2 mm至3.2 mm所對應的Ks分別為-14.01、-57.54、-124.03、-207.77，所有擬合數(shù)據(jù)的決定系數(shù)都在97.5%以上。Ks的物理意義是某應變振幅下偏應力隨循環(huán)振次降低速率，進一步分析Ks和應變振幅γ之間關系如圖6所示，兩者之間可以用式(2)的線性關系進行表達，可以看到隨著應變振幅的增大，偏應力隨振次循環(huán)次數(shù)降低的速率在明顯增大，即表明隨著振幅的增大珊瑚砂達到液化的振動周期數(shù)將會迅速減少。

σd=KslnNf+b

(1)

Ks=-51.66γ-7.20

(2)

2.2 孔隙水壓力變化

圖5 偏應力和振次之間的關系曲線 圖6 Ks和γ之間關系 Fig.5 Relationship between deviator Fig.6 Relationship between stress and vibration number Ks and γ

在圖7-a中可以看到，在較小的振幅下，珊瑚砂試樣內孔隙水壓力依然有明顯的累積，在試驗的前100 s內，孔隙水壓力由0逐漸增長到6 kPa左右，隨后孔隙水壓力的增長速率明顯下降，曲線趨于平緩，到后期基本穩(wěn)定并不再增長，說明在此振幅作用下，珊瑚砂試樣將不會進入液化狀態(tài)。其余三個振幅下，孔隙水壓力經(jīng)歷了一段時間的增長之后都接近了圍壓值，表明試樣進入了液化狀態(tài)，孔隙水壓力的波動隨著振幅的增大而變大。

7-a 振幅0.2 mm 7-b 振幅0.8 mm 7-c 振幅1.6 mm 7-d 振幅3.2 mm圖7 孔隙水壓力-時間關系Fig.7 Relationship between pore water pressure and time

8-a 振幅0.2 mm 8-b 振幅0.8 mm 8-c 振幅1.6 mm 8-d 振幅3.2 mm圖8 偏應力和孔隙水壓力的對應關系Fig.8 Corresponding relationship of deviator stress and pore water pressure

9-a 循環(huán)活動強度示意圖 9-b 循環(huán)活動強度對比圖圖9 循環(huán)活動強度定量計算Fig.9 Quantitative calculation of cyclic mobility

分別將各試驗中第10～11個周期的偏應力和孔隙水壓力的變化情況展示為圖8，可以看到在發(fā)生液化的試樣中都出現(xiàn)孔壓時程曲線在一個周期內波峰位置顯現(xiàn)凹槽的情況，即在偏應力達到峰值時，孔壓出現(xiàn)第一個波峰，隨著偏應力的降低，孔壓出現(xiàn)短暫的下降之后又重新升高，并在偏應力達到平衡位置時達到第二個峰值，此峰值孔壓還會大于第一個峰值孔壓。王艷麗[8]將此現(xiàn)象描述為一個振動循環(huán)中砂土剪縮一剪脹一卸荷體縮交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，汪聞韶將這種前期累積體縮和后期加載剪脹與卸荷體縮的交替作用定義為飽和砂土在循環(huán)切作用下的循環(huán)活動性[9]。

循環(huán)活動性的明顯特性為在一次加載-卸載的過程中孔隙水壓力出現(xiàn)了兩個峰值，因此通過兩個峰值之間的面積來定量表征循環(huán)活動強度，如圖9-a所示，應用此方法計算了各試驗第10個周期中的循環(huán)剪切強度，其結果如圖9-b所示?？梢钥吹诫S著應變振幅的增加，珊瑚砂的循環(huán)剪切活動性在明顯的增強。

2.3 應力應變關系分析

10-a 振幅0.2 mm 10-b 振幅0.8 mm 10-c 振幅1.6 mm 10-d 振幅3.2 mm圖10 應力-應變關系Fig.10 The curves of stress-strain

圖10所示為四種不同振幅下的應力-應變關系曲線，可以看到發(fā)生液化和未發(fā)生液化的應力-應變關系曲線形狀具有明顯差別。振幅為0.2 mm的試樣未發(fā)生液化，在初始幾個循環(huán)的荷載作用下，其應力應變滯回圈產(chǎn)生了明顯縮小，說明試樣在這個階段產(chǎn)生了塑形變形，這正是珊瑚砂試樣在振動作用下密實的過程，隨著振動周期的增多，應力應變曲線滯回圈的變化越來越小，最后基本趨于固定形狀，初始和最終的應力應變曲線形狀有相似性。試樣的塑形變形顯著的存在于壓應力加載和拉應力卸載階段，壓應力卸載和拉應力加載階段應力應變曲線并無明顯變化。在發(fā)生液化的試樣中，初始階段的應力應變關系曲線和未發(fā)生液化的試樣較為類似，隨著液化的逐漸發(fā)生，應力的變化幅值在顯著減小，并逐漸逼近圍壓值附近，說明珊瑚砂逐漸喪失承載能力，有效應力明顯降低，微小的應力變化即可以引起顯著的應變變化。液化試樣的應力應變關系曲線形狀發(fā)生了根本性的改變，初始和最終的應力應變曲線形狀差異巨大。

2.4 液化試樣滯回圈的變化

以振幅3.2 mm為例，分析典型液化情況下應力應變滯回圈的變化情況如圖11所示。發(fā)生液化的試樣應力應變滯回圈具有明顯的階段性發(fā)展特性。在試驗的前5個周期內，滯回圈的形狀呈現(xiàn)出類三角形，在達到應力峰值后，隨著試樣轉變?yōu)槔鞝顟B(tài)，試樣的應力迅速衰減至軸向應變3.6%處，隨后應力呈線性減小至應力最低值。滯回圈的面積隨著振動次數(shù)的增加迅速減小，說明珊瑚砂試樣內部結構發(fā)生破壞，產(chǎn)生大量不可恢復的塑形變形。隨后滯回圈進入到第二個階段，滯回圈的形狀發(fā)生明顯改變，由三角形逐漸轉變?yōu)镾形。壓應力卸載階段的應力應變曲線逐漸轉變?yōu)橹苯菭顟B(tài)，即壓應力從峰值迅速衰減至零，然后在達到應變零點位置之前呈水平變化趨勢。第三個階段中，滯回圈中拉應力和壓應力卸載階段的形狀不再發(fā)生變化，逐漸趨于統(tǒng)一的形態(tài)。但是在壓應力和拉應力加載階段，各滯回圈之間還有顯著的差異，說明此時試樣本身的強度還在逐漸衰減中。在最后的階段，滯回圈已經(jīng)趨于固定的形狀，各滯回圈之間已無明顯差異，說明試樣本身強度和承載能力已經(jīng)基本喪失，試樣進入完全的液化狀態(tài)。滯回圈呈現(xiàn)對稱的S形，這也體現(xiàn)了試驗設備中其它因素的影響，如橡皮膜、摩擦力等因素，由于這些影響因素在拉伸和壓縮階段的作用是相同的，所以滯回圈體現(xiàn)出較為對稱的形態(tài)。

11-a 第1～5個周期 11-b 第6～10個周期 11-c 第11～15個周期 11-d 第16～20個周期圖11 滯回圈的變化Fig.11 Changing processes of hysteresis loop

3 結論

本文開展了珊瑚砂振動三軸的試驗研究，分析珊瑚砂發(fā)生液化情況下的偏應力、孔隙水壓力、應力應變關系的發(fā)展規(guī)律，得出以下結論：

(1)軸向應變振幅為0.25%，1%，2%，4%的四組珊瑚砂動三軸試驗中，只有應變振幅0.25%沒有發(fā)生液化；偏應力降低速率Ks(隨循環(huán)振次)與試驗應變振幅γ之間符合線性關系，隨著振幅的增大珊瑚砂達到液化的振動周期數(shù)將會迅速減少。

(2)試驗中發(fā)生液化珊瑚砂都存在循環(huán)荷載作用下的循環(huán)活動性，通過兩個峰值之間的面積來定量表征了循環(huán)活動強度，隨著應變振幅的增加，這種活動性在明顯增強。

(3)發(fā)生液化和未發(fā)生液化的應力應變曲線有顯著的差異。未發(fā)生液化試樣的應力應變滯回圈整體形態(tài)保持相似性，在經(jīng)歷初始階段的減小后逐漸趨于穩(wěn)定的形狀。發(fā)生液化的珊瑚砂試樣滯回圈具有明顯的階段性發(fā)展特性，由類三角形狀態(tài)逐漸轉變?yōu)閷ΨQ的S形。

(4)珊瑚砂動三軸試驗得到的應力應變滯回圈的變化可以反映出珊瑚砂試樣的內部結構破壞、塑性變形、卸荷體縮、系統(tǒng)誤差等信息。

致謝：感謝康永水副研究員對本文寫作過程中的幫助。

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