曹妃甸吹填粉細(xì)砂液化特性研究?

張夏滔， 胡云壯， 王 棟??

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100； 2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

曹妃甸工業(yè)區(qū)位于渤海灣西北部，是我國(guó)規(guī)模最大的填海造陸工程[1]，規(guī)劃圍墾的淺灘面積達(dá)310 km2。工程自2004年開(kāi)始，依托原有的淺海和灘涂，通過(guò)吹填外海粉細(xì)砂進(jìn)行填筑[2]。由于建設(shè)時(shí)間短，大范圍的填海造陸砂體處于欠固結(jié)狀態(tài)。同時(shí)，填海區(qū)位于1976年唐山大地震震源東南方約100 km處，屬南堡凹陷地震帶[3]，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，填海區(qū)未經(jīng)處理的地基可能產(chǎn)生大范圍液化，危及整個(gè)地區(qū)的安全[4]。

目前對(duì)該地區(qū)的液化判別主要通過(guò)規(guī)范推薦的原位測(cè)試方法，如靜力觸探法和標(biāo)貫法，均屬于經(jīng)驗(yàn)性方法[5]，對(duì)填筑砂在動(dòng)力作用下的力學(xué)響應(yīng)以及孔壓發(fā)展演變?nèi)狈γ鞔_認(rèn)識(shí)。當(dāng)前對(duì)砂土液化特性的試驗(yàn)研究主要集中在級(jí)配良好的砂，例如Ottawa砂、Toyouta砂和福建標(biāo)準(zhǔn)砂，通過(guò)控制砂土中的細(xì)粒摻量、相對(duì)密實(shí)度及固結(jié)壓力等條件，探索砂土液化的影響因素以及孔壓響應(yīng)規(guī)律[6-8]。而曹妃甸造陸的吹填砂屬于海陸交互相粉細(xì)砂[9-10]，顆粒均勻且存在部分細(xì)粒組分，在地震荷載作用下的液化特性與標(biāo)準(zhǔn)砂存在顯著的差異。

本文利用在曹妃甸工業(yè)區(qū)的鉆孔取樣，對(duì)吹填粉細(xì)砂進(jìn)行一系列的單調(diào)與循環(huán)單剪試驗(yàn)，分析吹填粉細(xì)砂的靜、動(dòng)力學(xué)特性及在動(dòng)力荷載作用下的孔壓發(fā)展演變，提出吹填粉細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度的歸一化表達(dá)式，并利用該表達(dá)式對(duì)曹妃甸工業(yè)區(qū)進(jìn)行地震液化判別。

1 試驗(yàn)土樣及方法

1.1 試驗(yàn)土樣

收集曹妃甸工業(yè)區(qū)不同位置未經(jīng)地基處理前的標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括孔A-C，分別位于礦石碼頭二期堆載場(chǎng)區(qū)[2]、石油碼頭區(qū)和東南海堤內(nèi)側(cè)，標(biāo)貫孔位置及標(biāo)貫試驗(yàn)曲線如圖1和2所示。由于各位置的吹填時(shí)間及原有砂基深度不同，吹填砂厚度以及密實(shí)度呈現(xiàn)較大差異性，總體來(lái)說(shuō)，未處理的吹填土層呈疏松-中密狀態(tài)。

試驗(yàn)所用土樣來(lái)自于石油碼頭東500 m處的地質(zhì)鉆孔，地質(zhì)鉆孔與標(biāo)貫孔B相鄰。根據(jù)地質(zhì)鉆孔，地表以下30 m為粉細(xì)砂，其中上部13 m為中松-中密狀態(tài)且存在編織袋碎片，下部17 m為密砂。結(jié)合該位置附近的標(biāo)貫數(shù)據(jù)判斷，上部13 m粉細(xì)砂為填海造陸土體。取該深度范圍的粉細(xì)砂，將土樣中編織袋和生物碎屑去除后進(jìn)行顆分試驗(yàn)，土樣的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。土樣的不均勻系數(shù)為Cu=2.25，曲率系數(shù)為Cc=1.1，土樣顆粒集中在0.075～0.25 mm之間，分選性極好，基本物理參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 標(biāo)貫試驗(yàn)位置Fig.1 The position of standard penetration test

圖2 標(biāo)貫試驗(yàn)曲線Fig.2 Standard penetration test curve

圖3 粒徑級(jí)配曲線Fig.3 The particle size distribution curves

eminemaxD60 /mmD30 /mmD10 /mmGs0.3491.2350.0950.0750.0182.65

1.2 試驗(yàn)方案

單調(diào)和循環(huán)單剪試驗(yàn)均采用英國(guó)GDS生產(chǎn)的循環(huán)單剪儀。試樣用橡皮膜包裹，在外疊放一系列內(nèi)徑相同的光滑鐵環(huán)，限制試樣固結(jié)過(guò)程中的側(cè)向膨脹，使試樣處于接近現(xiàn)實(shí)的K0固結(jié)狀態(tài)。鐵環(huán)表面涂有特殊材料，保證鐵環(huán)間的低摩擦力不會(huì)影響剪切試驗(yàn)結(jié)果[11]。

單調(diào)和循環(huán)剪切試驗(yàn)均采用不排水剪切，通過(guò)控制剪切過(guò)程中的試樣高度不變來(lái)實(shí)現(xiàn)體積不變，豎向壓力的改變等于超靜孔壓的改變。單調(diào)剪切采用位移控制，剪切的水平速率為0.1 mm/min，當(dāng)土樣破壞或剪應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)停止試驗(yàn)。循環(huán)剪切采用力控制，正弦形式的對(duì)稱加載，剪切頻率0.1 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單調(diào)剪切

單調(diào)剪切得到粉細(xì)砂的應(yīng)力路徑如圖4所示。不同相對(duì)密實(shí)度以及不同固結(jié)壓力下的試樣擁有形狀相似的應(yīng)力路徑。剪切初始階段，試樣出現(xiàn)剪縮趨勢(shì)，為保持試樣體積不變，軸向有效應(yīng)力降低，也就是等效孔隙水壓力上升。當(dāng)應(yīng)力路徑到達(dá)相位轉(zhuǎn)換點(diǎn)后，土樣呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，應(yīng)力路徑沿直線上升，無(wú)明顯破壞點(diǎn)；相同豎向固結(jié)壓力下，相對(duì)密實(shí)度低的土樣表現(xiàn)出更強(qiáng)的剪縮性質(zhì)。參考Porcino[12]和Carter[13]的建議，取相位轉(zhuǎn)換點(diǎn)處的剪應(yīng)力τPT作為砂土的靜不排水抗剪強(qiáng)度。相同初始固結(jié)壓力下，Dr小的土樣得到的不排水抗剪強(qiáng)度低。各試樣的試驗(yàn)條件及結(jié)果如表2所示。

圖4 單剪試驗(yàn)應(yīng)力路徑Fig.4 The stress path in monotonic shear test

組別①豎向固結(jié)壓力②σ'v0/kPa壓縮量③/mm固結(jié)后相對(duì)密實(shí)度④/%τPT /kPa1-1500.11661.19.281-21000.25462.0171-31500.38463.025.51-42000.36562.3362-1500.27640.38.72-21000.39040.513.82-31500.46740.423.92-42000.53140.030.8

Note：①Group; ②Vertical consolidation pressure; ③Deformation of consolidation; ④Relative density.

2.2 循環(huán)剪切

2.3 循環(huán)強(qiáng)度比與循環(huán)次數(shù)關(guān)系歸一化表達(dá)

(1)

其中a和b為常數(shù)，對(duì)于曹妃甸吹填粉細(xì)砂，a=1.06，b=0.18，如圖7虛線所示。利用公式1即可通過(guò)砂土的靜力不排水強(qiáng)度預(yù)測(cè)動(dòng)力不排水強(qiáng)度。

3 場(chǎng)地液化可能性判別

采用Seed-Idriss的地震液化判別簡(jiǎn)化公式[14]，判斷現(xiàn)場(chǎng)土體在不同地震荷載的作用下是否液化。該方法的基本思路為：假定場(chǎng)地土體為剛體，計(jì)算不同深度處水平面上的峰值剪應(yīng)力，將峰值剪應(yīng)力進(jìn)行折減，得到實(shí)際土層狀態(tài)下的峰值剪應(yīng)力，利用土工試驗(yàn)得到的抗液化剪切力與場(chǎng)地峰值剪應(yīng)力對(duì)比，若后者大于前者，則認(rèn)為土層發(fā)生液化[15]。

圖5 Dr=40%粉細(xì)砂循環(huán)單剪結(jié)果Fig.5 Cyclic response of sility sand with Dr=40%

3.1 等效地震剪應(yīng)力和等效循環(huán)次數(shù)

等效地震峰值剪切力由公式(2)求得

(2)

其中：τc為等效地震剪切力；γ為上覆土的平均容重；h代表上覆土層厚度；amax為地面最大地震加速度；rd為剪應(yīng)力折減系數(shù)。采用Idriss和Boulanger[16]在Golesorkhi[17]研究基礎(chǔ)上提出的計(jì)算公式，該式考慮了不同地震震級(jí)對(duì)rd的影響：

(3)

圖6 Dr=60%粉細(xì)砂循環(huán)單剪Fig.6 Cyclic response of sility sand with Dr=60%

其中：α和β為深度相關(guān)系數(shù)；z為計(jì)算點(diǎn)埋深，單位為m；M為地震震級(jí)。該公式適用于不超過(guò)20 m深度范圍內(nèi)土體液化判別計(jì)算。曹妃甸填海區(qū)造陸深度在20 m以內(nèi)，因此公式(3)適用。

3.2 液化性評(píng)價(jià)

地震荷載的等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和持續(xù)時(shí)間如表3所示[18]，代入公式(1)表征的循環(huán)強(qiáng)度比與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，即可計(jì)算不同震級(jí)下土體的抗液化剪切力。

圖7 循環(huán)強(qiáng)度比值與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between cycle strength ratio and cyclic numbers

震級(jí)①5.5～66.57.07.58.0等效循環(huán)次數(shù)②58122030持續(xù)時(shí)間③/s814204060

Note: ①Earthquake magnitude; ②Cyclic number of equivalent stress; ③Time of duration.

根據(jù)渤海海域潛在震源區(qū)劃分圖，曹妃甸填海造陸區(qū)處于南堡7.0級(jí)潛在震源區(qū)[19]，最小震級(jí)取7.0級(jí)，判斷相對(duì)密實(shí)度為60%的中密砂在不同深度處的液化性，計(jì)算結(jié)果如表4所示。在7.0級(jí)地震荷載下，地面下10 m范圍內(nèi)土層的峰值剪切力接近抗液化剪切力，認(rèn)為土體到達(dá)液化狀態(tài)，當(dāng)震級(jí)大于7.0級(jí)時(shí)，整個(gè)填海土層均處于液化狀態(tài)。而實(shí)際的曹妃甸工業(yè)區(qū)大部分場(chǎng)地吹填深度小于10 m，且由于填筑前地形以及填筑完成時(shí)間的不同，場(chǎng)地不同位置土層的固結(jié)程度不均勻分布，廣泛分布相對(duì)密實(shí)度小于60%的疏松或中密砂層，震級(jí)小于7.0級(jí)時(shí)即發(fā)生液化?？傮w來(lái)說(shuō)，曹妃甸圍海造陸場(chǎng)地處于液化高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在工程建設(shè)前需要進(jìn)行地基加固措施。

表4 不同深度的液化性判別Table 4 Liquefaction evaluation at different depths

Note: ①Depth; ②The 7.0 magnitude earthquake; ③Liquefied; ④Critical; ⑤No; ⑥Yes.

4 結(jié)論

以曹妃甸吹填粉細(xì)砂為研究對(duì)象，利用單剪儀對(duì)其靜、動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，提出了粉細(xì)砂的循環(huán)強(qiáng)度比與循環(huán)次數(shù)的歸一化曲線，進(jìn)而對(duì)地區(qū)的液化特性進(jìn)行判別。

(1)疏松-中密狀態(tài)下的吹填粉細(xì)砂在循環(huán)荷載作用下，等效孔隙水壓力增長(zhǎng)迅速。當(dāng)?shù)刃Э讐旱竭_(dá)初始固結(jié)壓力的80%后，土樣快速破壞，液化發(fā)生具有突發(fā)性。

(2)根據(jù)大量單剪及循環(huán)單剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了粉細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度的歸一化表達(dá)式，可以通過(guò)靜力不排水強(qiáng)度推測(cè)動(dòng)強(qiáng)度。

(3)采用Seed[14]提出的場(chǎng)地液化判別簡(jiǎn)化公式，曹妃甸吹填粉細(xì)砂在7.0級(jí)地震荷載作用下，深度10 m以內(nèi)土層達(dá)到液化。在地區(qū)工程建設(shè)中應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防場(chǎng)地液化帶來(lái)的危害。