南海非飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性三軸試驗(yàn)研究

高 盟，彭曉東，陳青生

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590； 2.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590；3.新加坡國立大學(xué)土木與環(huán)境工程系，新加坡 119077)

近年來，隨著海洋強(qiáng)國目標(biāo)的提出及人工填海造陸技術(shù)的日趨成熟，南海地區(qū)涌現(xiàn)出大量的人工島礁，如永暑島、華陽礁島等. 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)島礁工程多是由易破碎、多孔隙的鈣質(zhì)砂構(gòu)成且常年受到風(fēng)浪、地震等復(fù)雜荷載作用. 由于地下水位的原因，大多數(shù)砂體處于非飽和狀態(tài)，在荷載作用下結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜且易發(fā)生破壞，特殊的地理位置使得建筑損壞后產(chǎn)生的戰(zhàn)略影響較大，因此研究非飽和鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性對(duì)南海地區(qū)島礁工程具有重要的指導(dǎo)意義.

然而，目前對(duì)鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性的研究多限于飽和狀態(tài)的鈣質(zhì)砂. 馬維嘉等[1]對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究相對(duì)密實(shí)度與初始圍壓對(duì)飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)強(qiáng)度、超孔隙水壓力及有效應(yīng)力路徑等力學(xué)參數(shù)的影響，并與福建砂進(jìn)行對(duì)比，分析鈣質(zhì)砂與珊瑚砂的液化特性差異. 高冉等[2]開展室內(nèi)動(dòng)三軸循環(huán)剪切試驗(yàn)，分析排水與不排水2種工況下鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性，研究鈣質(zhì)砂的液化特征、孔壓發(fā)展模式和動(dòng)態(tài)變形模量及阻尼比變化規(guī)律. Pando等[3]和Sandoval等[4]對(duì)波多黎各地區(qū)鈣質(zhì)砂進(jìn)行不排水三軸循環(huán)試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)，研究該地區(qū)鈣質(zhì)砂抗液化性能，對(duì)比分析與石英砂在液化敏感性和動(dòng)力特性方面的差距. Javdanian等[5]和Jafarian等[6]用共振柱和循環(huán)三軸試驗(yàn)分析有效圍壓和應(yīng)力路徑對(duì)鈣質(zhì)砂的動(dòng)剪剛度、阻尼比等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律. 劉漢龍等[7]利用土工三軸儀對(duì)南海鈣質(zhì)砂開展動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究不同有效圍壓、不同初始動(dòng)應(yīng)力下的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變和孔壓發(fā)展規(guī)律. 王剛等[8]開展三軸排水循環(huán)剪切試驗(yàn)，研究圍壓、循環(huán)應(yīng)力比、循環(huán)振次對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎影響，分析圍壓與循環(huán)應(yīng)力比對(duì)顆粒破碎影響規(guī)律，確定鈣質(zhì)砂3種破碎類型，建立顆粒破碎演化過程的數(shù)學(xué)模型. 梁珂等[9]對(duì)鈣質(zhì)砂開展不同加載模式的不排水三軸剪切試驗(yàn)，研究不同加載模式下相對(duì)密實(shí)度和有效圍壓對(duì)動(dòng)剪切模量比及土體損傷狀態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律，給出反映應(yīng)變幅值和破壞狀態(tài)影響的動(dòng)剪切模量預(yù)測模型. Shahnazari等[10]進(jìn)行不排水循環(huán)單剪試驗(yàn)，研究不同相對(duì)密度、有效固結(jié)應(yīng)力下霍爾木茲島鈣質(zhì)砂動(dòng)孔壓、剪應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律及應(yīng)力- 應(yīng)變特征. 黃宏翔等[11]采用室內(nèi)往返環(huán)剪試驗(yàn)，研究鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度特性，分析相對(duì)密實(shí)度和豎向應(yīng)力對(duì)鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度影響，對(duì)比分析相同工況下石英砂與鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度差異. 蔣明鏡等[12]對(duì)不同形狀、粒徑的鈣質(zhì)砂進(jìn)行單顆粒破碎試驗(yàn)，研究單顆粒鈣質(zhì)砂動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律，提出鈣質(zhì)砂顆粒在循環(huán)荷載作用下2種破壞模式. 劉鑫等[13]考慮固結(jié)壓力、相對(duì)密實(shí)度，利用GCTS共振柱測試系統(tǒng)對(duì)鈣質(zhì)砂砂體的動(dòng)剪切模量和阻尼比進(jìn)行探索，并分析與石英砂的力學(xué)差異. 魏久淇等[14]對(duì)鈣質(zhì)砂和福建標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，研究應(yīng)變率和密度對(duì)2種砂動(dòng)力特性影響，提出一維應(yīng)變條件下靜水壓力與應(yīng)變關(guān)系. 許成順等[15]開展不同固結(jié)條件下的鈣質(zhì)砂循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究不同固結(jié)條件下鈣質(zhì)砂動(dòng)應(yīng)變、孔隙水壓力及動(dòng)應(yīng)力發(fā)展規(guī)律.

而鈣質(zhì)砂在非飽和狀態(tài)下的動(dòng)力特性少有研究，且僅限于非飽和鈣質(zhì)砂在沖擊荷載作用下的動(dòng)力特性研究[16-17]. 因此本文以南海非飽和鈣質(zhì)砂為研究對(duì)象，針對(duì)鈣質(zhì)砂多孔隙、易破碎、受力復(fù)雜等特征，開展循環(huán)荷載下非飽和鈣質(zhì)砂三軸試驗(yàn)研究，獲得不同基質(zhì)吸力下動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)孔壓、動(dòng)強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)發(fā)展規(guī)律，以期減輕和預(yù)防南海地區(qū)島礁工程的震害問題，為該地區(qū)的島礁工程建設(shè)服務(wù).

1 試樣與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與土水特征曲線

試驗(yàn)所用鈣質(zhì)砂取自南海某島礁附近海域，鈣質(zhì)砂如圖1所示. 試驗(yàn)前先將10 mm以上大粒徑顆粒篩除，保留10 mm以下的顆粒，粒徑級(jí)配曲線如圖2所示，該試樣有效粒徑d10=0.24 mm、中值粒徑d30=0.60 mm、限制粒徑d60=1.45 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.04>5，曲率系數(shù)Cc=1.03>1，屬級(jí)配良好的砂. 鈣質(zhì)砂試樣制樣密度ρd=1.3 g/cm3，相對(duì)密實(shí)度Dr=0.54. 基質(zhì)吸力(s)采用張力計(jì)法測定，土水特征曲線如圖3所示，通過控制含水率方式實(shí)現(xiàn)基質(zhì)吸力的控制[18].

圖1 鈣質(zhì)砂示意圖Fig.1 Schematic diagram of calcareous sand

圖2 鈣質(zhì)砂粒徑級(jí)配曲線Fig.2 Grain size distribution of calcareous sand

圖3 土水特征曲線Fig.3 Water-soil characteristic curve

1.2 試驗(yàn)儀器與方案

試驗(yàn)選用DDS-70型微機(jī)控制電液伺服土動(dòng)三軸儀，試樣尺寸為50.0 mm(φ)×100.0 mm(H)，鈣質(zhì)砂試樣采用等向固結(jié)，固結(jié)比kc=1，在3種s下分別取3組不同有效圍壓(σc)進(jìn)行3組不同動(dòng)應(yīng)力幅值(σd)試驗(yàn)來觀察非飽和鈣質(zhì)砂力學(xué)特性，共進(jìn)行27組試驗(yàn)，試樣方案如表1所示. 試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)選用軸向應(yīng)變5%，即：軸向應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)加載采用正弦波，振動(dòng)頻率為1 Hz.

表1 非飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)興c與循環(huán)周次N的關(guān)系

圖4 s=1 kPa下εdc與N的關(guān)系Fig.4 Relationship between εdc and N under the suction of 1 kPa

1)σc=50 kPa時(shí)，在5%應(yīng)變內(nèi)試樣有明顯失穩(wěn)點(diǎn)，在試驗(yàn)前期，εdc與N大致呈線性關(guān)系，當(dāng)N=233次時(shí)，試樣破壞速率明顯增大.

2)σc=100、150 kPa時(shí)，εdc與N關(guān)系曲線大致呈直線. 這是因?yàn)椋嚇觭較小，飽和度較高，在低圍壓作用下，初始動(dòng)應(yīng)力較小，試樣前期應(yīng)變較小，隨N增加鈣質(zhì)砂顆粒重新排列，部分氣體被擠出，試樣底部部分高度的鈣質(zhì)砂達(dá)到飽和狀態(tài)，試樣底部發(fā)生液化破壞，因而曲線有明顯失穩(wěn)點(diǎn)；在高圍壓作用下，試樣應(yīng)變發(fā)展較快，試樣底部發(fā)生拉伸破壞.

圖4(b)為s=1 kPa、σc=50 kPa時(shí)εdc與N關(guān)系曲線. 由圖4(b)可知：

1) CSR=0.65、0.80時(shí)，試樣前期應(yīng)變速率較小，εdc與N基本呈線性關(guān)系，當(dāng)N分別達(dá)到1 133、238次時(shí)，試樣應(yīng)變速率急劇增大.

2) 當(dāng)CSR=1.0時(shí)，試樣εdc與N的關(guān)系曲線呈直線且試驗(yàn)前期試樣應(yīng)變?cè)鏊佥^大，當(dāng)N達(dá)到10次以后，應(yīng)變速率降低. 這是由于鈣質(zhì)砂顆粒不規(guī)則且易碎，在試驗(yàn)前期，鈣質(zhì)砂顆粒破碎速度較大，破碎體重新排列，此時(shí)應(yīng)變速率較大，待顆粒重新排列達(dá)到穩(wěn)定后，應(yīng)變速率開始降低，直至破壞.

圖5(a)為s=5 kPa、CSR=1.00時(shí)不同σc下εdc與N關(guān)系曲線. 由圖5(a)可知，在動(dòng)應(yīng)力作用下，鈣質(zhì)砂試樣的εdc逐漸增大，隨著σc的增大，試樣變形破壞時(shí)所需N呈現(xiàn)遞減趨勢(shì).σc=50 kPa下，試樣應(yīng)變先期發(fā)展較小，待出現(xiàn)明顯失穩(wěn)點(diǎn)后，應(yīng)變速率明顯增大. 在應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)100、150 kPa有效圍壓作用時(shí)，試樣未出現(xiàn)明顯失穩(wěn)點(diǎn)，εdc與N大致呈線性關(guān)系. 這是因?yàn)樵?0 kPa低有效圍壓作用時(shí)，動(dòng)應(yīng)力較小，鈣質(zhì)砂破碎速度較小，在振動(dòng)作用下，試樣中的水分逐漸往下遷移，使試樣下部達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生液化破壞，如圖6(a)所示；在100、150 kPa有效圍壓作用下，動(dòng)應(yīng)力較大，顆粒破碎速度較大，試樣水分未完全遷移則試樣已經(jīng)發(fā)生拉伸破壞，如圖6(b)所示.

圖5 s=5 kPa下εdc與N的關(guān)系Fig.5 Relationship between εdc and N under the suction of 5 kPa

圖6 試樣破壞圖Fig.6 Specimen failure diagram

圖5(b)為s=5 kPa、σc=50 kPa時(shí)不同CSR下εdc與N關(guān)系曲線. 由圖5(b)可知：

1) 3條曲線均存在1個(gè)曲線斜率明顯發(fā)生變化的失穩(wěn)點(diǎn)，并且隨著CSR的增大，試樣達(dá)到失穩(wěn)點(diǎn)時(shí)N逐漸減小.

2) 不同動(dòng)應(yīng)力作用下試樣達(dá)到失穩(wěn)點(diǎn)所需N存在明顯差異. 這主要是因?yàn)樵贑SR=0.65時(shí)，動(dòng)應(yīng)力較小，試樣初期發(fā)生拉壓變形，當(dāng)N達(dá)到一定數(shù)值后，顆粒破碎較大且試樣水分遷移至試樣底部，試樣底部發(fā)生液化破壞，試樣εdc迅速增大，直至達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn). 不同的是，由于鈣質(zhì)砂多孔的性質(zhì)，當(dāng)CSR較大時(shí)，在動(dòng)應(yīng)力作用下水分迅速往下遷移，試樣底部達(dá)到飽和狀態(tài)或者接近飽和狀態(tài)的時(shí)間較短，進(jìn)而發(fā)生液化破壞的時(shí)間較短，使得試樣達(dá)到失穩(wěn)點(diǎn)所需N較小.

圖7為s=10 kPa時(shí)εdc與N關(guān)系曲線. 由圖7可知：

圖7 s=10 kPa下εdc與N的關(guān)系Fig.7 Relationship between εdc and N under the suction of 10 kPa

1) 在s=10 kPa時(shí)εdc與N呈分段線性變化，無明顯失穩(wěn)點(diǎn).

2) 在σc=50、100 kPa，試樣前期應(yīng)變速率較大，試樣在N=83、52次后，應(yīng)變速率降低.

3) 在不同CSR下，試樣前期應(yīng)變速率較大，后期趨于緩和. 這是因?yàn)?，在s=10 kPa時(shí)，試樣含水率較低孔隙率較大，顆粒破碎速度及孔隙壓縮速度較快，試樣應(yīng)變迅速達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為拉伸破壞.

圖8為參考文獻(xiàn)[19]中飽和鈣質(zhì)砂各σc下εdc與N關(guān)系曲線. 由圖4(a)、圖5(a)、圖7(a)、圖8可知，鈣質(zhì)砂在飽和狀態(tài)與非飽和狀態(tài)下εdc發(fā)展規(guī)律差異較大，具體表現(xiàn)為：

圖8 文獻(xiàn)[19]εdc與N的關(guān)系Fig.8 Relationship between εdc and N of reference [19]

1) 在5%應(yīng)變內(nèi)鈣質(zhì)砂在飽和狀態(tài)下，各σc的εdc與N關(guān)系曲線存在明顯失穩(wěn)點(diǎn)，而鈣質(zhì)砂在非飽和狀態(tài)只有低圍壓下才有失穩(wěn)點(diǎn)，100、150 kPa有效圍壓下無明顯失穩(wěn)點(diǎn).

2) 在飽和狀態(tài)，σc越大，鈣質(zhì)砂破壞所需N越大，而在非飽和狀態(tài)則與之相反，即σc越大，鈣質(zhì)砂破壞所需N越小. 這主要是因?yàn)殁}質(zhì)砂在飽和狀態(tài)試驗(yàn)前期應(yīng)變以彈性變形為主，塑性變形較小，當(dāng)N達(dá)到一定數(shù)值后，應(yīng)變急劇加大，應(yīng)變時(shí)程曲線存在失穩(wěn)點(diǎn)，而在非飽和狀態(tài)，鈣質(zhì)砂先被迅速壓縮，孔隙內(nèi)部分氣體被擠出，顆粒骨架承擔(dān)全部動(dòng)荷載，在振動(dòng)力作用下水分往下遷移，低圍壓下發(fā)生液化破壞，因此具有比飽和鈣質(zhì)砂更為明顯的失穩(wěn)點(diǎn)；非飽和鈣質(zhì)砂顆粒的孔隙間存在氣體，試驗(yàn)前期鈣質(zhì)砂顆粒被擠壓，顆粒破碎速度明顯，高圍壓下發(fā)生拉伸破壞，應(yīng)變速率較快，因此破壞所需N較小.

2.2 動(dòng)孔壓ud與N的關(guān)系

圖9(a)(b)(c)分別為s=5 kPa、CSR=0.80時(shí)，不同σc下ud與N的關(guān)系曲線. 根據(jù)上述曲線可知：

圖9 不同σc下動(dòng)孔壓時(shí)程曲線Fig.9 Time history curve of dynamic pore pressure under different σc

1) 隨著σc的增大，試樣破壞過程中最大動(dòng)孔壓udmax逐漸減小，在σc為50、100、150 kPa下，udmax分別為39.3、9.1、8.7 kPa.

2)ud隨N的增大而增大，這主要是因?yàn)樵谡駝?dòng)力作用下，部分鈣質(zhì)砂顆粒被擠碎，試樣逐漸被壓縮，內(nèi)部孔隙減少，部分氣體被擠出，鈣質(zhì)砂顆?？紫秲?nèi)的水被壓縮，從而使得ud隨N增大而增大.

3) 在低圍壓和高圍壓作用下，ud增長趨勢(shì)存在一定差異，表現(xiàn)為在50 kPa較低有效圍壓作用下試樣破壞前期ud增長速率小于100、150 kPa有效圍壓下的ud增長速率. 這主要由于在σc=50 kPa時(shí)，動(dòng)應(yīng)力較小，鈣質(zhì)砂顆粒破碎效果不明顯，且由于試樣水分遷移使得試樣底部發(fā)生液化破壞，ud呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，但增長速率較小；在100、150 kPa高有效圍壓作用下，鈣質(zhì)砂初始動(dòng)應(yīng)力較大，其前期顆粒破碎速度較為明顯，試樣孔隙內(nèi)部分水被迅速壓縮，使得試樣ud增長速率較大，試驗(yàn)中后期試樣顆粒擠密并重新排列以后，ud仍隨N增大而增大，但增長速率降低，直至試樣破壞.

圖10為σc=50 kPa下CSR=0.80時(shí)不同s下的動(dòng)孔壓時(shí)程曲線. 由圖10可知：

圖10 不同s下動(dòng)孔壓時(shí)程曲線Fig.10 Time history curve of dynamic pore pressure under different matric suction

1) 隨s增加，試樣破壞時(shí)udmax逐漸減小，s為1、5、10 kPa時(shí)，udmax分別為49.7、39.3、11.9 kPa.

2) 不同s下ud增長趨勢(shì)存在一定差異，表現(xiàn)為當(dāng)s=10 kPa時(shí)，試驗(yàn)前期ud增長速率較大，中后期增長速率變小，曲線變緩且ud波動(dòng)較小，當(dāng)s=1、5 kPa時(shí)，試驗(yàn)前期ud增長速率較小但試驗(yàn)后期ud波動(dòng)較大.

3)ud隨著N增加而增大，s不同，試樣破壞時(shí)所需N差異也較大. 這是因?yàn)?，?0 kPa有效圍壓下，當(dāng)s=1、5 kPa時(shí)，試樣含水量較高，在試驗(yàn)過程中鈣質(zhì)砂顆粒破碎重新排列后試樣底部接近飽和狀態(tài)，試樣在振動(dòng)力作用下發(fā)生液化破壞；當(dāng)s=10 kPa，試樣飽和度較低，試驗(yàn)前期鈣質(zhì)砂顆粒速度較快，大量氣體被擠出，ud增長速率較大，當(dāng)試樣趨于穩(wěn)定后，氣體不再被排出，ud增長速率變緩，試樣變現(xiàn)為拉伸破壞.

圖11為s=1 kPa、σc=100 kPa時(shí)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果. 通過圖11可知，鈣質(zhì)砂在飽和與非飽和狀態(tài)下動(dòng)孔壓發(fā)展趨勢(shì)存在明顯差異，具體表現(xiàn)為：

圖11 動(dòng)孔壓時(shí)程曲線Fig.11 Time history curve of pore pressure

1) 試樣破壞時(shí)，非飽和鈣質(zhì)砂ud未達(dá)到σc，而文獻(xiàn)[7]飽和鈣質(zhì)砂達(dá)到σc.

2) 非飽和鈣質(zhì)砂在試驗(yàn)前期ud增長迅速，試驗(yàn)中后期增長緩慢且表現(xiàn)為一種線性增長，ud波動(dòng)較??；而飽和鈣質(zhì)砂ud發(fā)展規(guī)律與之相反，在試驗(yàn)前期ud增長較慢，表現(xiàn)為線性增長，試驗(yàn)中后期ud迅速增長直至達(dá)到σc且ud波動(dòng)較大. 這主要是因?yàn)樵诜秋柡蜖顟B(tài)，鈣質(zhì)砂顆?？紫洞嬖跉怏w，在試驗(yàn)過程中隨著孔隙被壓縮孔壓逐漸增大，但達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)后孔隙內(nèi)仍有部分氣體，試樣破壞時(shí)孔壓未達(dá)到σc.

2.3 動(dòng)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

動(dòng)力學(xué)研究中對(duì)于動(dòng)強(qiáng)度的定義并未完全統(tǒng)一，目前，較為常用的一種定義方式是試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力(τ)即為動(dòng)強(qiáng)度[20]. 根據(jù)上述定義，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到非飽和鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度結(jié)果，如表2所示；將表2進(jìn)一步整理，得到不同基質(zhì)吸力下不同有效圍壓的τ曲線，見圖12.

根據(jù)表2和圖12數(shù)據(jù)可知：

圖12 非飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Dynamic triaxial test results of unsaturated calcareous sand

表2 非飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果

1) 在相同s與σc下，隨著CSR增大，試樣破壞時(shí)的τ越大.

2) 在相同s與CRS下，隨著σc增大，試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的τ越大.

3) 在不同s下鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度無明顯增長或減小規(guī)律. 這主要是因?yàn)樵谕籹下，CSR相同，σc越大時(shí)試樣的動(dòng)應(yīng)力越大，鈣質(zhì)砂顆粒在較大動(dòng)應(yīng)力作用下其顆粒破碎速度較快破碎程度較高，鈣質(zhì)砂顆粒破碎重新排列后顆粒之間孔隙變小，試樣更加密實(shí)，使得試樣的τ隨之增大；而當(dāng)s不同時(shí)，相同σc與CRS下，鈣質(zhì)砂表現(xiàn)為液化破壞或拉伸破壞，導(dǎo)致破壞所需N存在明顯差異，因此不同s下的動(dòng)強(qiáng)度無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律.

圖13 s=1 kPa時(shí)的動(dòng)抗剪強(qiáng)度線Fig.13 Dynamic shear strength line at s=1 kPa

圖14 s=5 kPa時(shí)的動(dòng)抗剪強(qiáng)度線Fig.14 Dynamic shear strength line at s=5 kPa

圖15 s=10 kPa時(shí)的動(dòng)抗剪強(qiáng)度線Fig.15 Dynamic shear strength line at s=10 kPa

根據(jù)Parashar等[21]提出的非飽和土總強(qiáng)度公式τfT=cT+(σ-ua)ftanφT(其中cT和φT分別為總強(qiáng)度的黏聚力和內(nèi)摩擦角)，將表2數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理分析，得到非飽和鈣質(zhì)砂在1、5、10 kPa基質(zhì)吸力下的φT和cT，見圖13～15. 可知，該試樣在3種基質(zhì)吸力下的φT分別為25.82°、24.72°、25.15°，cT分別為1.637、2.382、4.473 kPa. 這主要是因?yàn)樵诨|(zhì)吸力作用下，鈣質(zhì)砂顆粒之間存在一定量的水分，由于水的毛細(xì)作用和基質(zhì)吸力作用，使得鈣質(zhì)砂在非飽和狀態(tài)下cT不為零.

2.4 顆粒破碎表現(xiàn)分析

顆粒破碎最明顯的表現(xiàn)是試驗(yàn)前后級(jí)配曲線的變化，本文通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后的試樣進(jìn)行篩分，得到三軸試驗(yàn)后的顆粒級(jí)配曲線，從而對(duì)顆粒破碎展開定量分析，見圖16. 可知，試樣經(jīng)過三軸剪切后的顆粒級(jí)配曲線發(fā)生明顯變化，表明試樣在試驗(yàn)過程中發(fā)生顯著破碎，在相同s下，圍壓越小N越高顆粒破碎程度越大，這也與文獻(xiàn)[8]結(jié)果相符合.

圖16 不同s下試驗(yàn)前后粒徑級(jí)配曲線Fig.16 Particle size distribution curve before and after test under different matric suction

3 結(jié)論

本文開展室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究南海地區(qū)非飽和鈣質(zhì)砂在循環(huán)荷載下εdc、τ及ud發(fā)展規(guī)律，對(duì)比分析了與飽和鈣質(zhì)砂在ud及εdc方面的差異，主要得出以下結(jié)論：

1) 在5%應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)下，鈣質(zhì)砂在飽和狀態(tài)累計(jì)塑性應(yīng)變曲線在各σc下均有明顯失穩(wěn)點(diǎn)，而在非飽和狀態(tài)，只有σc=50 kPa下才有失穩(wěn)點(diǎn)，σc=100、150 kPa下無失穩(wěn)點(diǎn).

2) 鈣質(zhì)砂在非飽和狀態(tài)，σc越大，試樣破壞所需N越小，而在飽和狀態(tài)則與之相反，即σc越大，鈣質(zhì)砂破壞所需N越大.

3) 試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的ud受s影響較大，隨著s增大，udmax呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；在不同s作用下，鈣質(zhì)砂試樣孔壓增長速率存在明顯差異，高s下ud增長速率較大.

4) 動(dòng)孔壓在飽和狀態(tài)與非飽和狀態(tài)下的發(fā)展規(guī)律差異較大. 非飽和狀態(tài)下，ud在試驗(yàn)前期增長較快且試驗(yàn)中后期波動(dòng)較??；飽和狀態(tài)下，ud前期增長較慢，近似線性增長，試驗(yàn)中后期孔壓波動(dòng)較大.