循環(huán)預(yù)剪對飽和粉土不排水單調(diào)剪切特性的影響

趙凱， 蔣鵬程， 秦悠， 吳琪， 陳國興

(南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

近年來，隨著海洋工程的不斷發(fā)展，越來越多的海洋建筑物修建在粉土地基上并經(jīng)受持續(xù)性的波浪荷載，這種周期長、振幅較小的波浪荷載對海床地基有著顯著的預(yù)剪效應(yīng)，對海床土體的力學(xué)特性產(chǎn)生明顯的影響，許多學(xué)者開展了關(guān)于循環(huán)預(yù)剪對飽和土體單調(diào)剪切特性的研究。Chern等[1]發(fā)現(xiàn)循環(huán)加載后結(jié)晶砂或砂土重固結(jié)產(chǎn)生的體積應(yīng)變與最大應(yīng)變以及殘余孔壓比有關(guān)，而與循環(huán)應(yīng)力比、循環(huán)振次無關(guān)。Sanin等[2]利用循環(huán)單剪儀針對粉土進行了類似的試驗得出了相似的結(jié)論。Ashour等[3]和Pan等[4]發(fā)現(xiàn)循環(huán)預(yù)剪后的有效圍壓對飽和砂土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有顯著影響。張振東等[5]和Arab等[6]認為，經(jīng)歷過循環(huán)預(yù)剪后隨著循環(huán)應(yīng)力幅值的增加，飽和砂土的抗液化強度不斷得到提高。Ye等[7]試驗結(jié)果表明：經(jīng)歷了大預(yù)剪作用的飽和砂土更易液化，預(yù)剪方向?qū)ρh(huán)加載的第一圈有效應(yīng)力的變化影響明顯。粉土廣泛存在于世界各地，尤其是沿海地區(qū)約有80%的表面沉積物為粉土沉積。粉土其作為介于砂土和黏土之間的過渡類型土，呈現(xiàn)出砂土和黏土的雙重力學(xué)行為，本身具有較為特殊的工程性質(zhì)。Yasuhara等[8]發(fā)現(xiàn)，粉土隨著液化水平的提高，循環(huán)預(yù)剪不固結(jié)后的剪切強度和初始剛度會降低。曾長女等[9-10]研究了干密度、粉粒含量和粘粒含量對飽和粉土液化大變形特性的影響，建立了飽和粉土液化后變形模式。Song等[11]發(fā)現(xiàn)隨著前期動荷載作用后產(chǎn)生孔壓比的提高，重固結(jié)后粉土的剪切模量有所增加的現(xiàn)象。Wang等[12]的結(jié)果表明：當(dāng)液化水平高于0.7時，重固結(jié)后的不排水剪切強度隨著液化水平的提高逐漸增大。豐土根等[13]提出低水平的循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力不會使飽和粉土在循環(huán)預(yù)剪階段破壞；隨著循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力和循環(huán)預(yù)剪振次的增加，飽和粉土的抗液化強度得到提高，但當(dāng)循環(huán)預(yù)剪振次達到某一值時，抗液化強度趨于穩(wěn)定。Wang等[14]認為對于完全液化的粉土，經(jīng)過4次液化后重固結(jié)試驗，粉土的相對密度接近100%；對于未液化的粉土，當(dāng)循環(huán)加載使得軸向應(yīng)變接近0.2%時得到最大的抗液化強度。綜上可知，大多的研究成果并未考慮復(fù)雜應(yīng)力加載條件的影響。

本文利用空心圓柱扭剪儀，開展了多種循環(huán)加載歷史對飽和粉土不排水剪切特性的影響試驗，初步探討了不同加載模式作用下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、有效應(yīng)力路徑以及有效內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，同時考慮了液化水平、循環(huán)應(yīng)力比的影響。

1 循環(huán)加載后重固結(jié)不排水單調(diào)剪切試驗

1.1 試驗儀器及試樣制備

試驗采用南京工業(yè)大學(xué)購置的空心圓柱扭剪儀進行，如圖1所示。該儀器可同時控制軸力W、扭矩M、以及內(nèi)外圍壓p0、pi的加載，因此可實現(xiàn)不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)。所用試樣為空心圓柱樣，樣高H=200 mm，外徑ro=100 mm，內(nèi)徑ri=60 mm。

注：1 .壓力室； 2.內(nèi)圍壓控制器； 3.反壓控制器； 4.外圍壓控制器； 5.電腦； 6.數(shù)字伺服控制器和采集系統(tǒng)。圖1 空心圓柱扭剪儀Fig.1 Hollow cylinder torsional apparatus

采用南通粉土進行試驗，其基本物理參數(shù)如下：細粒含量FC=60%，比重Gs=2.70，最大孔隙比emax=1.22，最小孔隙比emin=0.65，相對密度Dr=50%。試驗試樣為重塑樣，采取分層干裝法制樣，分4層裝樣、均勻擊實，每層到達指定高度后，將各層接觸面刮毛，以保證上下層接觸良好。試樣制備完成后，聯(lián)合利用通CO2、無氣水與施加反壓等方法進行試樣的飽和，對反壓飽和后的試樣進行孔壓系數(shù)B值測定，若B>0.97，認為試樣達到飽和。對飽和后的試樣進行均等固結(jié)，初始有效固結(jié)應(yīng)力p′0=100 kPa。

1.2 試驗方案與方法

試驗所用粉土取自南通濱海園區(qū)通州灣海域灘涂，長期經(jīng)受波浪荷載。Ishihara[15]提出了波浪引起海床土單元正應(yīng)力和剪應(yīng)力皆呈周期性變化，但動偏應(yīng)力不變。任一土單元的往返應(yīng)力路徑特點為：動主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但動偏應(yīng)力保持不變，在偏應(yīng)力平面形成圓形應(yīng)力路徑。為探究液化水平、循環(huán)應(yīng)力比以及循環(huán)加載方式對飽和粉土前期動荷載作用后的不排水剪切行為影響，待飽和完成后對試樣進行100 kPa下均等固結(jié)。固結(jié)完成后，關(guān)閉排水閥，對試樣進行不同應(yīng)力路徑下的循環(huán)加載，加載頻率為0.1 Hz。當(dāng)液化水平達到設(shè)計值后，停止循環(huán)加載。液化水平是指土體發(fā)生液化的程度，用孔壓比Ru作為液化水平的定量評價指標(biāo)，當(dāng)Ru=1時，土體達到完全液化。然后打開排水閥，保持最初的固結(jié)壓力，對試樣進行重固結(jié)。在試樣完成重固結(jié)后，保持固結(jié)壓力不變，關(guān)閉排水閥，對試樣進行扭剪試驗，并控制剪應(yīng)變率為0.1%/min，加載路徑如圖2所示。具體試驗方案如表1所示。循環(huán)應(yīng)力比CSR定義的循環(huán)剪應(yīng)力幅值與初始有效圍壓之比。圖3給出了CSR=0.13應(yīng)力水平下土體達到完全液化的典型試驗結(jié)果。

圖2 試驗應(yīng)力路徑Fig.2 Stress path for tests

表1 循環(huán)預(yù)剪作用后重固結(jié)不排水剪切試驗方案

圖3 典型試驗結(jié)果Fig.3 Typical test results

2 循環(huán)預(yù)剪對不排水單調(diào)剪切特性的影響

2.1 體應(yīng)變分析

為探究液化水平、循環(huán)應(yīng)力比CSR以及循環(huán)加載方式對重固結(jié)后的體應(yīng)變的影響，圖4(a)給出了飽和粉土液化水平與重固結(jié)后的體應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著液化水平的增加，重固結(jié)后的體應(yīng)變逐漸增加，當(dāng)液化水平達到0.75以上時，重固結(jié)后的體應(yīng)變有明顯地增大；反之，動荷載作用后重固結(jié)引起的體應(yīng)變變化不大。

圖4(b)給出了飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13時液化水平為0.50時重固結(jié)后的體應(yīng)變。3種CSR作用下的體應(yīng)變約為0.22%，CSR對液化水平為0.5的飽和粉土重固結(jié)后的體應(yīng)變幾乎沒有影響。

圖4(c)給出了飽和粉土分別在循環(huán)三軸、循環(huán)扭剪以及循環(huán)圓3種不同加載模式作用下，液化水平為0.50時重固結(jié)后的體應(yīng)變。如圖所示，循環(huán)三軸和循環(huán)扭剪作用下液化水平為0.50時粉土重固結(jié)的體應(yīng)變約為0.25%，而循環(huán)圓作用下粉土重固結(jié)后的體應(yīng)變約為0.23%，由此可見，循環(huán)加載模式對液化水平為0.50時粉土重固結(jié)后的體應(yīng)變幾乎沒有什么影響。

圖4 循環(huán)預(yù)剪對重固結(jié)后體應(yīng)變的影響Fig.4 Effect of cyclic preshearing on volumetric strain after heavy consolidation

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

圖5(a)給出了飽和粉土在循環(huán)圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結(jié)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可知，在不排水條件下，隨著Ru由0增大到1，應(yīng)變硬化效應(yīng)逐漸增強。當(dāng)Ru=1時粉土的應(yīng)變硬化特征與其他液化水平下的應(yīng)變特征相比最為明顯，這一規(guī)律與不同液化水平下體應(yīng)變的變化規(guī)律一致。隨著液化水平的提高，體應(yīng)變逐漸增大，粉土試樣變得更為密實，且Ru=1時的體應(yīng)變增大最為突出，粉土試樣重固結(jié)后的相對密度亦有顯著提高，因而粉土表現(xiàn)出來的應(yīng)變硬化特征更為突出。

圖5(b)給出了飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13作用下，液化水平為0.50時重固結(jié)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在不排水條件下，當(dāng)剪應(yīng)變γ<2%時，不同CSR作用后飽和粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎重合，而當(dāng)剪應(yīng)變γ> 2%時，不同CSR作用后飽和粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線略有差異，但相差不大。由此可見，飽和粉土重固結(jié)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系幾乎不受CSR的影響。這是因為在不同循環(huán)應(yīng)力比作用后飽和粉土的體應(yīng)變幾乎一致，重固結(jié)后試樣的密實度幾乎沒有變化，所以循環(huán)應(yīng)力比對飽和粉土在同一液化水平下固結(jié)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響不大。

圖5(c)給出了液化水平為0.5時，循環(huán)三軸、循環(huán)扭剪以及循環(huán)圓3種循環(huán)加載方式作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同循環(huán)加載方式作用后飽和粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線在剪應(yīng)變增長前期幾乎一致，而在剪應(yīng)變增長后期略有差異?？傮w而言，循環(huán)加載方式對飽和粉土在同一液化水平下固結(jié)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系幾乎沒有影響。這是因為循環(huán)加載方式對飽和粉土重固結(jié)后的體應(yīng)變幾乎沒有影響，粉土的密實度變化幾乎一致，循環(huán)加載方式并未造成水平層理方向的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯變化，因而循環(huán)加載方式對飽和粉土重固結(jié)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響不大。

圖5 循環(huán)預(yù)剪對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響Fig.5 Effect of cyclic preshearing on the stress-strain behavior

2.3 有效應(yīng)力路徑分析

圖6(a)為飽和粉土在循環(huán)圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結(jié)后的有效應(yīng)力路徑。在不排水剪切條件下，隨著Ru由0增大到1，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力逐漸減小。當(dāng)Ru=0時，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力為平均主應(yīng)力的45.2%，當(dāng)Ru=0.5時，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力為平均主應(yīng)力的44.51%，而當(dāng)Ru=1.0時，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力可達到平均主應(yīng)力的 12.5%。由此可見，當(dāng)Ru由0增大到0.5的過程中，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力變化很小，而當(dāng)Ru由0.5增大到1的過程中，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力變化很大，尤其是Ru由0.75增大到1.0相變狀態(tài)時的孔隙水壓力更為明顯。這是飽和粉土在不同液化水平下排水體積的不同所導(dǎo)致。根據(jù)表1可知，Ru由0增大到0.5過程中，飽和粉土試樣重固結(jié)后的排水體積逐漸增大，但變化不大，而Ru由0.5增大到1.0過程中，飽和粉土試樣重固結(jié)后的排水體積增長很快，尤其是Ru由0.75增大到1.0時，飽和粉土重固結(jié)后的排水體積顯著增大，這一變化規(guī)律與不同液化水平下相變狀態(tài)時孔隙水壓力的變化一致。

圖6 循環(huán)預(yù)剪對有效應(yīng)力路徑的影響Fig.6 Effect of cyclic preshearing on the effective stress path

圖6(b)為飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13作用下，液化水平為0.50時重固結(jié)后的有效應(yīng)力路徑。在達到相變狀態(tài)之前，不同CSR作用下飽和粉土的有效應(yīng)力路徑幾乎一致，相變狀態(tài)時的孔隙水壓力均達到了平均主應(yīng)力的45%左右，在達到相變狀態(tài)之后，不同CSR作用下飽和粉土的有效應(yīng)力路徑略有差異，但變化不大。由此可見，CSR對飽和粉土重固結(jié)后的有效應(yīng)力路徑影響并不明顯。

圖5(c)為液化水平為0.5時，循環(huán)三軸、循環(huán)扭剪以及循環(huán)圓3種循環(huán)加載方式作用下的有效應(yīng)力路徑。循環(huán)扭剪與循環(huán)圓兩者作用后粉土的應(yīng)力路徑幾乎重疊，而循環(huán)三軸作用后的應(yīng)力路徑相比略有差異，但變化不大。由此可見，循環(huán)加載模式對飽和粉土在同一液化水平下固結(jié)后的有效應(yīng)力路徑幾乎沒有影響。

2.4 相變強度分析

由上述有效應(yīng)力的分析可知，在不排水剪切過程中，有效平均主應(yīng)力先減小后增大，即孔隙水壓力先增大后減小，粉土由剪縮狀態(tài)向剪脹狀態(tài)過渡，這種有效平均主應(yīng)力達到最小，孔隙水壓力達到最大時的臨界狀態(tài)稱為相變狀態(tài)，此處將處于相變狀態(tài)時的剪應(yīng)力τ稱為為相變強度SPT。

圖7(a)為飽和粉土在循環(huán)圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結(jié)后的相變強度SPT。當(dāng)Ru=0時，SPT約為31.2 kPa；當(dāng)Ru=0.25時，SPT約為29.3 kPa，與Ru=0時相比，SPT減小了1.9 kPa，約減小了6%；當(dāng)Ru=1時，SPT約為41.5 kPa，Ru=0時相比，SPT增大了10.3 kPa，約增大了33%。這是因為Ru=0.25時，飽和粉土試樣重固結(jié)后密度的增大不足以彌補因土結(jié)構(gòu)弱化引起的強度損失，SPT略有減小，而當(dāng)Ru由0.25增大到0.5的過程中，試樣重固結(jié)后的體應(yīng)變逐漸增大，試樣重固結(jié)后的密度也逐漸增大，抵消了土樣的結(jié)構(gòu)因土結(jié)構(gòu)弱化引起的強度損失，SPT有所恢復(fù)，而當(dāng)Ru由0.5增大到1時，試樣重固結(jié)后的密度顯著增大，SPT明顯提高。因此當(dāng)Ru低于0.25時，循環(huán)預(yù)剪對SPT影響不大，SPT略有減小，當(dāng)Ru高于0.25時，循環(huán)預(yù)剪對SPT的影響明顯增強，且隨著Ru的提高，SPT逐漸增大。

圖7(b)、(c)分別給出了飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13和3種循環(huán)加載模式作用下，液化水平為0.50時重固結(jié)后的相變強度SPT。不同CSR或循環(huán)加載模式作用下飽和粉土的SPT幾乎沒有變化，這一規(guī)律與不同CSR或循環(huán)加載模式作用下飽和粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一致，均是因為不同CSR或循環(huán)加載模式作用下飽和粉土重固結(jié)所產(chǎn)生的體應(yīng)變一致，相對密度基本相同所致。

圖7 循環(huán)預(yù)剪對飽和粉土相變強度的影響Fig.7 Effect of cyclic preshearing on the phase transformation strength of saturated silt

2.5 相變有效內(nèi)摩擦角

圖8(a)為飽和粉土在循環(huán)圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結(jié)后的相變有效內(nèi)摩擦角φ′PT。在不排水剪切條件下，隨著Ru由0增大到1.0的過程中，φ′PT在33°上下波動，由此可見液化水平對重固結(jié)后粉土相變有效內(nèi)摩擦角影響不大。圖8(b)為飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13作用下，液化水平為0.50時重固結(jié)后的相變有效內(nèi)摩擦角φ′PT。隨著CSR的增大，φ′PT略有增大，但變化很小，可以認為CSR對飽和粉土重固結(jié)后的φ′PT幾乎沒有影響。圖8(c)為飽和粉土在循環(huán)扭剪、循環(huán)三軸以及循環(huán)圓3種循環(huán)加載方式作用下重固結(jié)后的相變有效內(nèi)摩擦角φ′PT。與循環(huán)扭剪和循環(huán)圓相比，循環(huán)三軸作用后粉土的φ′PT略大，但相差很小，可以認為循環(huán)加載方式對飽和粉土在同一液化水平下固結(jié)后的φ′PT幾乎沒有影響。

圖8 循環(huán)預(yù)剪對相變有效內(nèi)摩擦角的影響Fig.8 Effect of cyclic preshearing on the friction angle at the phase transformation state

綜上可知，液化水平對飽和粉土液化后的固結(jié)體應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及相變特性影響顯著，而循環(huán)應(yīng)力比和循環(huán)加載方式影響不大。這是由于土體的不排水剪切強度主要由土體的組構(gòu)及密實狀態(tài)決定，飽和粉土在達到不同液化水平后重新固結(jié)，土體顆粒重新排列并再固結(jié)，導(dǎo)致土體組構(gòu)和密實狀態(tài)較初始固結(jié)狀態(tài)產(chǎn)生較明顯的改變，從而導(dǎo)致固結(jié)體應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及相變特性的差異。而循環(huán)應(yīng)力比及循環(huán)加載方式僅表征了作用于土體動應(yīng)力水平的差異，并沒有改變土體顆粒骨架力鏈，這是具有相同液化水平土體的固結(jié)體應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及相變特性沒有明顯差異的主要原因。

3 結(jié)論

1)液化水平對飽和中密粉土循環(huán)加載重固結(jié)后的不排水單調(diào)剪切特性影響顯著。隨著液化水平的提高，粉土重固結(jié)所產(chǎn)生的體應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)變硬化逐漸增強，相變強度先減小后增大，但相變有效內(nèi)摩擦角變化不大。

2)循環(huán)應(yīng)力比對飽和中密粉土循環(huán)加載重固結(jié)后的不排水單調(diào)剪切特性幾乎沒有影響，即在圍壓不變的前提下，體應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、有效應(yīng)力路徑、相變強度以及相變有效內(nèi)摩擦角幾乎與前期加載的循環(huán)應(yīng)力比無關(guān)。

3)循環(huán)加載方式對飽和中密粉土循環(huán)加載重固結(jié)后的不排水單調(diào)剪切特性幾乎沒有影響，即體應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、有效應(yīng)力路徑、相變強度以及相變有效內(nèi)摩擦角幾乎與前期循環(huán)加載無關(guān)。