黏粒含量對(duì)粉土地震液化影響及機(jī)理的探討

楊 翼，馬俊祥，王晨東，吳 迪

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.華能河南清潔能源分公司，河南 鄭州 450000)

地震是自然界常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害之一，目前諸多學(xué)者從不同角度對(duì)飽和砂土、粉土動(dòng)力性質(zhì)進(jìn)行了研究，Nemat和Shokooh[1]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(dòng)荷載下砂土孔壓增長(zhǎng)機(jī)理，并建立了數(shù)學(xué)模型；黃志全等[2]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(duì)砂土液化特性的影響;Lade等[3，4]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；Xenaki等[5]發(fā)現(xiàn)砂土的抗液化強(qiáng)度伴隨粘粒含量的增加先逐漸降低；但當(dāng)粘粒含量增大到某一界限值時(shí)，抗液化強(qiáng)度，反而逐步升高；陳永健[6]研究了粘粒含量對(duì)飽和砂土動(dòng)孔隙水壓力的影響，認(rèn)為粘粒含量對(duì)砂土孔隙水壓增長(zhǎng)隨粘粒增加分為由促進(jìn)、不完全抑制到完全抑制的過程；曾長(zhǎng)女等[7]研究了飽和粉土粉粒含量影響的動(dòng)孔壓發(fā)展模型；呂筱[8]對(duì)細(xì)粒含量對(duì)粉土動(dòng)力特性及微觀結(jié)構(gòu)影響的實(shí)驗(yàn)研究，取得了豐富的實(shí)驗(yàn)資料。

然而黏粒對(duì)粉土地震液化的影響及機(jī)理的研究較少。本文以土力學(xué)基本理論、應(yīng)力分布理論及黏土礦物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合本領(lǐng)域有關(guān)學(xué)者的研究成果及現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范，旨在分析顆粒分布對(duì)粉土地震液化的影響及機(jī)理。

2 研究思路及粉土液化微元損傷

2.1 研究思路

結(jié)合粉土的顆粒組成、微觀結(jié)構(gòu)分析微觀概化模型，對(duì)模型微單元進(jìn)行受力分析，了解其地震液化條件下微元的響應(yīng)；選取臨界錘擊數(shù)、動(dòng)孔隙水壓研究粉土隨粘粒含量變化的響應(yīng)機(jī)制，觀察粉土不同黏粒含量的微觀結(jié)構(gòu)，從微觀結(jié)構(gòu)角度解釋粉土隨黏粒增加臨界錘擊數(shù)、動(dòng)孔隙水壓變化趨勢(shì)，得出黏粒含量對(duì)粉土地震液化影響及機(jī)理。研究流程見圖1。

圖1 研究流程圖

2.2 粉土顆粒組成、微觀結(jié)構(gòu)及微元假定條件

2.2.1 粉土顆粒成分組成

粉土是由砂粒、粉粒及黏粒組成[7]，砂粒粒徑一般介于：0.075-0.25mm之間（據(jù)華能濮陽(yáng)縣500MW風(fēng)電項(xiàng)目大量實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)所得）；粉粒粒徑：0.075-0.005mm；黏粒粒徑：小于0.005mm。

2.2.2 研究的微元假定條件

假定粉土砂粒及粉粒為不可壓縮的鋼球，黏土礦物假定為鋼片；震動(dòng)作用發(fā)生時(shí)只發(fā)生在鋼球及鋼片表面,鋼球及鋼片內(nèi)部的不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞及變形。

2.3 粉土液化微元損傷

2.3.1 微元的作用力

液化微元為粉土中的粒狀顆粒（鋼球），以地下水位以下埋深小于20m的一鋼球(粉、砂粒)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行受力分析，其受力可分為：支撐力、接觸摩阻力、膠結(jié)力及孔隙水壓力（孔隙水壓力各向同性），土體的抗剪強(qiáng)度來(lái)源于接觸力摩阻力、膠結(jié)力。接觸摩阻力主要來(lái)源于鋼球與鋼球之間的摩擦，膠結(jié)力主要來(lái)源于鋼片內(nèi)部的結(jié)合水膜的膠結(jié)作用。

2.3.2 地震作用對(duì)微元的影響

地震作用為交變荷載，在地震力大于鋼球所承受的周圍顆粒的約束力時(shí)，鋼球向地震力作用方向位移，土體孔隙有減少趨勢(shì)，高頻率交變地震力作用下土體顆粒頻繁位移，粉土滲透系數(shù)較小，孔隙水未能及時(shí)排出產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，顆粒間支撐力逐漸減小甚至消失，顆粒間摩擦力隨之減小甚至消失，土體逐漸液化，當(dāng)含量較少的黏土膠結(jié)物不足以承受土體所受的剪力時(shí)，土體發(fā)生剪切破壞。

圖2 臨界錘擊數(shù)隨黏粒含量變化規(guī)律

圖3 震次比與孔壓圍壓比關(guān)系曲線

3 黏粒含量對(duì)粉土液化性能及動(dòng)孔隙水壓的影響

3.1 黏粒含量對(duì)粉土液化性能的影響

粉土液化性能按臨界錘擊數(shù)大小進(jìn)行判斷，以華能濮陽(yáng)縣500MW風(fēng)電項(xiàng)目為例，部分風(fēng)機(jī)位0-20m范圍內(nèi)分布稍密至中密粉土，地下水埋深約1.5m左右。

砂土、粉土液化判別公式如下[10]：

式中：

Ncr-----液化判別貫入錘擊數(shù)臨界值；

No-----液化判別貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；

ds-----飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)；

dw-----地下水位；

ρc-----粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；

β-----調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取值0.80，第二組取0.95，第三組取值為1.05。

輸入條件：地下水位1.5m，No取12，β取0.95（地震分組為第二組），土層臨界錘擊數(shù)隨黏粒含量變化規(guī)律見圖2。

由圖可知其他條件相同的條件下，隨黏粒含量增加粉土越不易液化。

3.2 黏粒含量對(duì)粉土動(dòng)孔隙水壓的影響

粉土試樣三軸實(shí)驗(yàn)中圍壓固定，對(duì)試樣施加動(dòng)荷載直至試樣破壞，若動(dòng)孔隙水壓力(U)與初始圍壓(δЗ)比稱為孔壓圍壓比,震動(dòng)次數(shù)(N)與試樣破壞時(shí)動(dòng)荷載施加總次數(shù)(Nf)的比值稱為震次比。黏粒設(shè)定為10%、12%及15%條件下震次比與孔壓圍壓比變化曲線見圖3。

由圖可知初始階段隨動(dòng)荷載施次數(shù)的增加，不同黏粒含量的各試樣孔隙水壓力增長(zhǎng)速率基本相同，孔隙水壓發(fā)展至一定階段，黏粒含量越高，孔隙水壓增長(zhǎng)越迅速，之后均趨于穩(wěn)定試樣破壞。

4 黏粒含量對(duì)粉土微觀結(jié)構(gòu)的影響及機(jī)理

砂粒及粉粒等粒狀顆粒奠定了粉土的基本骨架，隨黏粒含量的增加，骨架顆粒之間形成的微觀孔隙的填充度逐漸變大，黏粒含量影響粉土如下兩方面性質(zhì)。

（1）影響?zhàn)ね聊z結(jié)物總面積，黏土礦物增加膠結(jié)物總膠結(jié)面積增加；（2）影響微觀小孔隙的孔隙分布，黏土礦物增加，微小孔隙孔徑區(qū)間變小。

5 黏粒含量對(duì)粉土液化影響及機(jī)理綜合分析

5.1 粉土微元?jiǎng)雍奢d響應(yīng)機(jī)制

根據(jù)2節(jié)假定條件，不同粒徑鋼球之間組成孔隙，在地震動(dòng)荷載作用下，各級(jí)鋼球有向周圍孔隙內(nèi)部位移的趨勢(shì)，由于瞬時(shí)位錯(cuò)微元之間喪失接觸時(shí)，鋼球處于非接觸狀態(tài)，土體液化。

黏土礦物組成的膠結(jié)物填充于微觀孔隙之中，減小了土體的滲透性，對(duì)動(dòng)荷載作用下土體抗液化不利，但是在地震動(dòng)荷載作用下，黏粒填充骨架之間，黏土膠結(jié)物沿結(jié)合水膜反復(fù)剪切，增加土體的抗液化性能。

5.2 黏粒含量對(duì)粉土抗液化性能的影響的機(jī)理分析

鋼球骨架（粉土中粉粒、砂粒組成的骨架顆粒）被鋼片（黏粒）填充于微孔隙之中（見圖2），隨黏粒含量增加骨架顆粒之間的膠結(jié)力增加，該膠結(jié)力是由黏土礦物片之間結(jié)合水膜承擔(dān)，不會(huì)隨超靜孔隙水壓力增加而變化，因此隨黏粒含量變化，粉土抗液化性能增加，宏觀表現(xiàn)為隨黏粒含量增加臨界錘擊數(shù)減小。

5.3 黏粒含量對(duì)粉土動(dòng)孔隙水壓發(fā)展的機(jī)理分析

隨動(dòng)荷載作用次數(shù)增加，能量在土體內(nèi)部積累，初始階段隨動(dòng)荷載施加，能量積累有限，該階段主要表現(xiàn)為骨架顆粒向大孔隙內(nèi)位移，之后隨能量積累遞增，骨架顆粒逐漸向微小孔隙內(nèi)位移。

黏粒含量主要改變的是粉土微小孔隙段的孔徑分布，因此隨動(dòng)荷載作用次數(shù)增加，各黏粒含量粉土動(dòng)孔隙水壓初始基本相同，之后黏粒含量高的粉土樣品動(dòng)孔隙水壓增長(zhǎng)較快，綜上宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)一致性較好。

5.4 黏粒含量對(duì)粉土抗液化性能的綜合影響

隨黏粒含量增加，一方面表現(xiàn)為膠結(jié)面積增大，土體抗液化能量增加；另一方面由于粉土骨架顆粒被黏粒填充，隨黏粒含量增加微觀孔徑減少，動(dòng)孔隙水壓中期增長(zhǎng)迅速，對(duì)粉土抗液化不利。綜合第3節(jié)可知：黏粒增加對(duì)孔隙水壓影響的負(fù)面作用小于其膠結(jié)性能對(duì)抗壓化作用的貢獻(xiàn)，黏粒增加宏觀上體現(xiàn)為抗液化能力增加。

6 結(jié)論

（1）粉土可看作由砂粒、粉粒及黏粒做成的土體，砂粒、粉粒抽象為鋼球，黏?？沙橄鬄殇撈?/p>

（2）可液化微元為粉土中的粒狀顆粒（鋼球），其受力可分為：接觸摩阻力、膠結(jié)力及孔隙水壓力，土體的抗剪強(qiáng)度來(lái)源于接觸摩阻力及膠結(jié)力。

（3）其他條件一定，隨黏粒含量增加，粉土液化臨界錘擊數(shù)降低，抗液化性能增強(qiáng)。

（4）粉粒含量一定，隨黏粒含量增加，粉土動(dòng)荷載作用條件下，動(dòng)孔隙水壓初期受黏粒含量增加影響較小，中期隨黏粒含量增加，增速變大。

（5）黏粒增加對(duì)粉土抗液化效應(yīng)（表現(xiàn)為黏聚力增大）大于其促進(jìn)液化的效應(yīng)(表現(xiàn)為動(dòng)孔隙水壓增大)，黏粒增加宏觀上體現(xiàn)為抗液化能力增加。