黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度與抗液化強(qiáng)度試驗(yàn)研究

董正方, 王仁輝, 曹獻(xiàn)偉, 張群生

(1. 河南大學(xué) 巖土與軌道交通工程研究所, 河南 開封 475004;2. 河南大學(xué) 河南省軌道交通智能建造工程技術(shù)中心, 河南 開封 475004)

0 引言

黃河在歷史上多次改道,產(chǎn)生了大范圍的黃泛區(qū)。黃泛區(qū)有大量粉砂土,這類土比較松散、顆粒均勻,相互之間的咬合作用較差,黏粒含量較低,在地震和車輛振動(dòng)等荷載下極易發(fā)生破壞甚至液化,對(duì)地基造成嚴(yán)重破壞,不利于城市的建設(shè)。所以對(duì)黃泛區(qū)粉砂土進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度試驗(yàn)研究是很有必要的。

目前已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)土體的動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度進(jìn)行了研究。粉土方面:吳波等[1]利用動(dòng)三軸儀對(duì)非飽和粉土進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn),分析了飽和度、動(dòng)應(yīng)力比及固結(jié)圍壓對(duì)非飽和粉土動(dòng)強(qiáng)度特性和液化特性的影響。張艷美等[2]利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了有效圍壓、動(dòng)荷載和粉粒含量等因素對(duì)飽和粉質(zhì)土液化特性的影響。周正龍等[3]利用GDS空心圓柱儀進(jìn)行了一系列循環(huán)扭剪試驗(yàn)研究飽和粉土的液化特性。張煥強(qiáng)等[4]利用FLAC3D軟件開展了高地震烈度區(qū)粉土地基抗液化研究。

砂土方面:陳宇龍等[5]利用空心圓柱扭剪儀對(duì)含非塑性細(xì)粒的飽和砂土進(jìn)行單調(diào)加載和循環(huán)扭剪試驗(yàn),研究了不同細(xì)粒含量飽和砂土液化特性。楊瑞雪等[6]研究了黏性土對(duì)細(xì)砂土抗液化性能的改善作用。韓華強(qiáng)等[7]通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)分析了砂土和水泥膠凝砂土在不同應(yīng)力條件下的動(dòng)力變形特性及抗液化特性。李博等[8]借助CKC循環(huán)動(dòng)三軸儀,開展飽和不排水條件下?lián)接邢鹉z粉末的砂土試樣的動(dòng)力學(xué)特性研究,重點(diǎn)評(píng)估摻入的橡膠粉末對(duì)試樣抗液化性能的影響。王忠濤等[9]通過(guò)不排水條件下的循環(huán)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),分析了軸向偏差應(yīng)力和剪應(yīng)力的幅值及初始相位差對(duì)飽和砂土動(dòng)強(qiáng)度的影響。Mehmet等[10]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)得出,當(dāng)細(xì)粒土含量為0～20%且砂粒與細(xì)粒的平均粒徑很小時(shí),干凈砂土的液化敏感性隨細(xì)粒含量的增加而增大。

粉砂土方面:趙麗敏等[11]以河南開封地區(qū)粉砂土為研究對(duì)象研究其靜力特性。來(lái)淑娜[12]通過(guò)對(duì)飽和粉砂土進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn),分析了荷載頻率、固結(jié)比以及圍壓對(duì)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度的影響。孟凡麗等[13]以杭州典型粉砂土為研究對(duì)象進(jìn)行固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn),研究了不同圍壓、頻率和固結(jié)比條件下的循環(huán)荷載對(duì)杭州粉砂土動(dòng)孔壓增長(zhǎng)的影響,分析了不同頻率、不同固結(jié)比、不同圍壓作用下杭州粉砂土的孔隙水壓力變化規(guī)律。

綜上所述,土體的動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度研究主要集中在砂土和粉土,對(duì)于粉砂土的研究相對(duì)較少。本文擬通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn),研究不同圍壓、干密度、細(xì)粒含量對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)儀器采用英國(guó)GDS公司研制的GDS5Hz/10kPa雙向振動(dòng)三軸儀。該動(dòng)三軸儀采用高速直流伺服馬達(dá)施加動(dòng)荷載,根據(jù)水下荷載傳感器和位移傳感器的反饋對(duì)荷載和變形大小進(jìn)行控制,結(jié)合GDSLAB軟件、圍壓控制器、反壓控制器以及數(shù)據(jù)采集器完成圍壓和反壓的控制以及整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集。

GDS動(dòng)三軸儀包括:制動(dòng)單元、外壓力室、平衡器、圍壓控制器、反壓控制器、高速數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。該儀器適用于直徑39.1、50、70、100 mm的試樣,動(dòng)態(tài)加載頻率范圍是0～5 Hz,動(dòng)態(tài)軸壓可加載±10 kN,精度為滿量程的0.1%。位移量程為100 mm,位移分辨率為0.208 mm,軸向位移精確度為滿量程的0.07%。以上均可滿足試驗(yàn)要求。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所用土樣為黃泛區(qū)粉砂土,采用重塑土(圖1),其基本物理指標(biāo)列于表1,顆粒級(jí)配曲線見圖2。試驗(yàn)采用直徑39.1 mm、高度80 mm的重塑土試樣。根據(jù)控制細(xì)粒含量20%、35%和45%,干密度1.55、1.60和1.63 g/cm3,含水率16.0%進(jìn)行試樣制備。

取1 kg擾動(dòng)烘干土,按目標(biāo)干密度和細(xì)粒含量計(jì)算和制備一組土樣。以控制含水率16%、細(xì)粒含量35%、干密度1.6 g/cm3為例,具體數(shù)據(jù)列于表2。

圖1 擾動(dòng)粉砂土Fig.1 Disturbed silty sand

表1 黃泛區(qū)粉砂土物理力學(xué)性能

圖2 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle grading curve of soil sample

表2 試樣各組分重量

用天平稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的細(xì)粒土和水,其中細(xì)粒土(粒徑小于0.075 mm)由烘干擾動(dòng)土在土體篩分機(jī)上振篩20 min得到,制備試樣所需細(xì)粒土質(zhì)量由總土質(zhì)量乘以細(xì)粒含量計(jì)算得出;然后將土和水在容器里攪拌均勻,蓋上濕布,并靜置12 h;取靜置后的土樣進(jìn)行兩個(gè)位置的含水率檢測(cè),并與目標(biāo)含水率進(jìn)行比較,誤差小于2%;最后取靜置后的土樣,按試樣目標(biāo)重量用天平稱取相應(yīng)質(zhì)量的土樣,用土樣擊實(shí)器分三層擊實(shí),每層擊實(shí)后要刨毛。制備成型的試樣如圖3所示。

圖3 成型土樣Fig.3 Produced soil sample

本文選取開封地區(qū)黃泛區(qū)粉砂土為研究對(duì)象,主要考慮圍壓、細(xì)粒含量和干密度對(duì)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響。每個(gè)影響因素設(shè)置3個(gè)水平,具體信息列于表3。

表3 動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度影響因素及其水平

進(jìn)行粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),每個(gè)影響因素的3個(gè)水平均參與試驗(yàn),共設(shè)置27個(gè)工況。試驗(yàn)時(shí),動(dòng)荷載加載頻率為0.5 Hz,每個(gè)工況至少設(shè)置3個(gè)試件。

1.3 試驗(yàn)方法

將制備好的試樣安裝到動(dòng)三軸底座上,通過(guò)動(dòng)三軸儀對(duì)試樣進(jìn)行反壓飽和。當(dāng)孔隙水壓力系數(shù)達(dá)到0.95以上時(shí),認(rèn)為試樣的飽和度已滿足要求。接下來(lái)進(jìn)入固結(jié)階段,當(dāng)試樣的反壓體積平穩(wěn)變化或軸向應(yīng)變保持5 min不變時(shí),認(rèn)為試樣固結(jié)完成。對(duì)固結(jié)完成的試樣施加一定動(dòng)荷載幅值σ1的正弦波(圖4),當(dāng)試樣振動(dòng)N1周達(dá)到液化破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止試驗(yàn)并修改數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的名稱,破壞后的試樣見圖5。對(duì)相同條件下的第二個(gè)試樣用另一個(gè)動(dòng)荷載幅值σ2的正弦波進(jìn)行試驗(yàn),得到破壞周數(shù)N2。使用同樣的方法對(duì)第三個(gè)試樣施加動(dòng)荷載幅值σ3的正弦波,得到破壞周數(shù)N3。用三個(gè)試樣的數(shù)據(jù)資料可以得出動(dòng)應(yīng)力與破壞周數(shù)的變化曲線,即σd-Nf曲線。當(dāng)破壞標(biāo)準(zhǔn)為動(dòng)強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí),σd-Nf曲線為動(dòng)強(qiáng)度曲線;當(dāng)破壞標(biāo)準(zhǔn)為抗液化強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí),σd-Nf曲線為抗液化強(qiáng)度曲線。

圖4 施加的動(dòng)荷載Fig.4 Applied dynamic loads

圖5 土樣破壞前后對(duì)比Fig.5 Comparison of soil samples before and after failure

1.4 破壞標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[14],選用試樣受循環(huán)動(dòng)荷載時(shí)首次出現(xiàn)孔隙水壓力增值達(dá)到初始固結(jié)圍壓作為土體抗液化強(qiáng)度的破壞標(biāo)準(zhǔn),選用試樣受循環(huán)動(dòng)荷載時(shí)雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到5%作為土體動(dòng)強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果分析

張艷美等[2]選用有效圍壓、動(dòng)荷載和粉粒含量作為影響因素研究其對(duì)飽和粉質(zhì)土液化特性的影響。來(lái)淑娜[12]選用荷載頻率、固結(jié)比以及圍壓作為影響因素研究其對(duì)粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度的影響。Martin[15]選用細(xì)粒含量和干密度作為影響因素?；诖?本次試驗(yàn)研究圍壓、細(xì)粒含量和干密度對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響,設(shè)置了50、100和150 kPa三個(gè)圍壓,20%、35%和45%三個(gè)細(xì)粒含量,以及1.55、1.60和1.63 g/cm3三個(gè)干密度。

2.1 圍壓對(duì)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響

保證干密度和細(xì)粒含量不變,分析圍壓對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6是試件在不同圍壓下的動(dòng)強(qiáng)度曲線。從圖中可以看出,圍壓對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度的影響較大,且規(guī)律很明顯,即在其他條件一定時(shí),圍壓較大時(shí)動(dòng)強(qiáng)度曲線始終位于上方,隨著圍壓的減小動(dòng)強(qiáng)度曲線依次降低,但動(dòng)強(qiáng)度并不是隨著圍壓的增減呈等間距增減的變化趨勢(shì)。圍壓是用來(lái)模擬土體的埋深,不同埋深土體的密實(shí)度不同,抗剪強(qiáng)度也不同,埋深越大土體的抗剪能力就越強(qiáng),試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果符合該規(guī)律。這是因?yàn)殡S著圍壓即埋深的增加,粉砂土顆粒之間的間隙越來(lái)越小,顆粒之間接觸越來(lái)越密實(shí),顆粒之間的黏結(jié)力也越來(lái)越大,抗剪能力就會(huì)提高,所以圍壓越大粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度越大。但由于粉砂土顆粒成分等因素的影響,顆粒之間的密實(shí)度并不是隨圍壓的增減出現(xiàn)成比例增減,這就導(dǎo)致其抗剪能力并不是隨圍壓增減出現(xiàn)等比例增減的趨勢(shì),通過(guò)試驗(yàn)反映出來(lái)就是動(dòng)強(qiáng)度并不是隨圍壓的增減而成比例增減。

圖6 不同圍壓下動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.6 Dynamic strength curves under different confining pressure

圖7 不同圍壓下抗液化強(qiáng)度曲線Fig.7 Anti-liquefaction strength curves under different confining pressure

圖7是試件在不同圍壓下的抗液化強(qiáng)度曲線?？梢钥闯?抗液化強(qiáng)度曲線和動(dòng)強(qiáng)度曲線有類似的變化規(guī)律,只是達(dá)到相應(yīng)破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力不同。粉砂土達(dá)到抗液化強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力隨圍壓的增加而增大,但動(dòng)應(yīng)力并不隨圍壓呈現(xiàn)等間距增加趨勢(shì)。動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)得粉砂土的抗液化強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大,這是因?yàn)殡S著圍壓的增加,土體受到擠壓增大,土體顆粒間的空隙越來(lái)越小,相應(yīng)的飽和土的孔隙水壓力就越來(lái)越小,土體的抗液化能力會(huì)得到提高,故抗液化強(qiáng)度會(huì)增大。

2.2 干密度對(duì)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響

保證圍壓和細(xì)粒含量不變,分析干密度對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同干密度下動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.8 Dynamic strength curves under different dry density

圖9 不同干密度下抗液化強(qiáng)度曲線Fig.9 Anti-liquefaction strength curves under different dry density

圖8是試樣在不同干密度下的動(dòng)強(qiáng)度曲線。從圖中可以看出,在其他條件相同時(shí),黃泛區(qū)粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度隨干密度的增加而增大,隨動(dòng)荷載振動(dòng)次數(shù)的增加而減小。干密度模擬土體的密實(shí)度,干密度越大土體越密實(shí),土顆粒之間的作用力就越強(qiáng),達(dá)到動(dòng)強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)所需的動(dòng)應(yīng)力就越大,故動(dòng)強(qiáng)度隨干密度的增加而增大。

圖9是試樣在不同干密度下的抗液化強(qiáng)度曲線。從圖中可以看出,在其他條件相同時(shí),黃泛區(qū)粉砂土的抗液化強(qiáng)度隨干密度的增加而增大,隨動(dòng)荷載振動(dòng)次數(shù)的增加而減小。因?yàn)殡S著干密度的增加土體的密實(shí)度相應(yīng)提升,土體顆粒間的空隙越來(lái)越小,孔隙水壓力也越來(lái)越小,土體顆粒間就越不容易發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),土體的抗液化能力會(huì)得到提高,故抗液化強(qiáng)度隨干密度的增加而增大。

2.3 細(xì)粒含量對(duì)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響

保證干密度和圍壓不變,分析細(xì)粒含量對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 不同細(xì)粒含量下動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.10 Dynamic strength curves under different fines content

圖11 不同細(xì)粒含量下抗液化強(qiáng)度曲線Fig.11 Anti-liquefaction strength curves under different fines content

圖10是試件在不同細(xì)粒含量下的動(dòng)強(qiáng)度曲線。從圖中可以看出,在其他條件相同時(shí),黃泛區(qū)粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度并不是隨細(xì)粒含量的變化呈單調(diào)變化,而是當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到一定量時(shí)動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最低點(diǎn)。本次試驗(yàn)中,細(xì)粒含量達(dá)到35%時(shí)粉砂土表現(xiàn)出動(dòng)強(qiáng)度最低,且動(dòng)強(qiáng)度隨動(dòng)荷載振動(dòng)次數(shù)的增加出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)粉砂土的細(xì)粒含量小于35%時(shí),細(xì)粒在土體結(jié)構(gòu)中起到潤(rùn)滑的作用,且潤(rùn)滑作用會(huì)隨細(xì)粒含量的增加而增大,此時(shí)土體的動(dòng)強(qiáng)度隨之降低;細(xì)粒含量超過(guò)35%后,細(xì)粒土之間的連接作用慢慢變強(qiáng),其潤(rùn)滑作用慢慢消失,細(xì)粒土開始阻礙土體顆粒的相互錯(cuò)動(dòng),粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)。

圖11是試件在不同細(xì)粒含量下的抗液化強(qiáng)度曲線。從圖中可以看出,黃泛區(qū)粉砂土的抗液化強(qiáng)度曲線和動(dòng)強(qiáng)度曲線有相同的變化規(guī)律,即在其他條件相同時(shí),抗液化強(qiáng)度并不是隨細(xì)粒含量的變化呈單調(diào)變化,而是當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到一定量時(shí)粉砂土的抗液化強(qiáng)度達(dá)到最低點(diǎn)。在本次試驗(yàn)中,細(xì)粒含量達(dá)到35%時(shí)粉砂土表現(xiàn)出抗液化強(qiáng)度最低,且抗液化強(qiáng)度隨動(dòng)荷載振動(dòng)次數(shù)的增加出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。粉砂土的細(xì)粒含量小于35%時(shí),細(xì)粒在土體結(jié)構(gòu)中起到潤(rùn)滑的作用,在動(dòng)荷載作用下土體顆粒更容易發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),且潤(rùn)滑作用會(huì)隨細(xì)粒含量的增加而增大,此時(shí)土體的抗液化強(qiáng)度也隨之降低;而細(xì)粒含量超過(guò)35%后,土顆粒之間的黏結(jié)力變強(qiáng),不易發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),粉砂土的抗液化強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)。

對(duì)于粉砂土的抗液化強(qiáng)度試驗(yàn),范基春[16]和楊舉朋[17]分別研究了干密度和細(xì)粒含量以及干密度和圍壓對(duì)粉砂土抗液化強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)抗液化強(qiáng)度隨干密度和圍壓的增加而增大,隨細(xì)粒含量的增加先減小后增大,且當(dāng)細(xì)粒含量為40%時(shí)抗液化強(qiáng)度最低。本次試驗(yàn)得到的圍壓、干密度和細(xì)粒含量對(duì)黃泛區(qū)粉砂土抗液化強(qiáng)度的影響規(guī)律與之相似,但范基春發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)粒含量為40%時(shí)粉砂土的抗液化強(qiáng)度最低,而本試驗(yàn)得到的細(xì)粒含量為35%。初步分析是由于不同地區(qū)粉砂土的結(jié)構(gòu)成分不同,比如黏粒含量不同、造成抗液化強(qiáng)度最小時(shí)細(xì)粒含量不一樣,具體原因還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn),研究了圍壓、干密度、細(xì)粒含量對(duì)黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響,得出如下結(jié)論:

(1) 黃泛區(qū)粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度均隨圍壓和干密度的增加而增大。

(2) 黃泛區(qū)粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度均隨細(xì)粒含量的增加出現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢(shì),且細(xì)粒含量為35%時(shí)動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度最小。

(3) 動(dòng)荷載振動(dòng)次數(shù)隨動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的減小而增加。

(4) 黃泛區(qū)粉砂土抗液化強(qiáng)度比動(dòng)強(qiáng)度大說(shuō)明粉砂土雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到5%后仍具有一定承載能力。