砂質(zhì)粉土沖擊液化微觀機(jī)理研究*

段 釗 董晨曦 鄭文杰 馬建全 李曉軍

(①西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054，中國)

(②陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國)

(③西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055，中國)

0 引 言

在外部荷載的影響下，土體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)變化達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)引起土體的破壞。土體微觀可以反映土體的外部力學(xué)特性，揭示力學(xué)破壞的原理，據(jù)此，國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用多種方法，對(duì)土體在不同外部荷載情況下的微觀特性變化展開了研究，以掌握土體變形破壞和災(zāi)變規(guī)律。

劉紅玫等(2002)對(duì)黃土振動(dòng)液化前后的各類孔隙進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)，從孔隙微結(jié)構(gòu)角度揭示了飽和黃土的液化機(jī)理，建立了孔隙微結(jié)構(gòu)特征與黃土液化勢(shì)的關(guān)系；王家鼎等(2009)對(duì)地基黃土受振動(dòng)荷載液化前后分形變化進(jìn)行了研究，并據(jù)此解釋了不同區(qū)域黃土結(jié)構(gòu)性差異的原因；谷天峰等(2011)對(duì)原狀及循環(huán)荷載作用后的Q3黃土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并總結(jié)了循環(huán)荷載作用下的黃土微結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律；安亮等(2018，2019)對(duì)室內(nèi)三軸試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行了電鏡掃描，研究了黃土液化前后的孔隙、裂隙發(fā)育情況，分析了微觀結(jié)構(gòu)與彈性模量之間的關(guān)系，闡釋了黃土液化破壞機(jī)理；李瑞寬等(2018)對(duì)海原滑坡黃土進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，并從微結(jié)構(gòu)角度探討了圍壓和水分對(duì)黃土顆粒的作用機(jī)制，由顆粒變化方面揭示了黃土破壞機(jī)理；Yuan et al.(2019)對(duì)經(jīng)過環(huán)剪后的黃土與古土壤進(jìn)行了微觀試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了兩者在不同圍壓作用下的粒子破碎與重新定向現(xiàn)象，以此揭示了黃土與古土壤剪切破壞的微觀機(jī)理。由此可見，從微觀角度揭示土體受力破壞機(jī)理已經(jīng)成為一種重要的研究方法。

振動(dòng)液化是振動(dòng)荷載作用下一種典型的土體結(jié)構(gòu)破壞方式，對(duì)各類工程危害性極大。作為振動(dòng)液化的一種特殊形式，沖擊液化是沖擊荷載作用于高飽和土體時(shí)產(chǎn)生的液化現(xiàn)象(孟祥躍等，1999；張鈞峰等，2003)。近年來，沖擊液化引起的工程地質(zhì)問題已廣泛出現(xiàn)在人們的視野中(王維國等，2016；韓培峰等，2019)，且沖擊液化被認(rèn)為是高速遠(yuǎn)程滑坡的重要機(jī)理之一，對(duì)此，有學(xué)者針對(duì)沖擊液化作用下的滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)理展開了研究。Sassa et al.(2004)建立了滑坡沖擊液化的三類地質(zhì)模型，認(rèn)為當(dāng)滑體在沖洪積層、淤積層上運(yùn)動(dòng)時(shí)，飽和(或接近飽和)下墊土層會(huì)受到上部滑體的加載剪切作用，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，使得下墊層有效應(yīng)力降低，摩阻力減?。籛ang et al.(2003)在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行了沖擊壓力(軸向荷載的成倍增加)環(huán)剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖擊荷載會(huì)造成滑帶超孔隙水壓力的快速積累，從而導(dǎo)致滑體高速遠(yuǎn)程滑行；汪發(fā)武(2019)擴(kuò)展了前者的滑坡地質(zhì)模型，并深入討論了兩類不同液化型滑坡機(jī)理，認(rèn)為滑坡滑動(dòng)時(shí)由土粒子破碎造成的液化現(xiàn)象會(huì)對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡產(chǎn)生重要影響，強(qiáng)調(diào)了在此類滑坡中對(duì)土體微結(jié)構(gòu)研究的重要性。

近期，在對(duì)涇陽滑坡的研究中，發(fā)現(xiàn)了部分黃土滑坡在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)沖擊階地近飽和砂質(zhì)粉土層而產(chǎn)生明顯的液化現(xiàn)象，而這種液化作用可能是造成該類滑坡在運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出高速遠(yuǎn)程特征的重要原因(Peng et al.，2017，2018；馬鵬輝等，2018)。雖然已有學(xué)者對(duì)此開展了一系列試驗(yàn)(沈偉等，2016；沈月強(qiáng)等，2019；段釗等，2020)，但試驗(yàn)未探究土體微觀這一重點(diǎn)，難以了解土體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化對(duì)液化型滑坡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。對(duì)此，本文基于野外調(diào)查結(jié)果，設(shè)計(jì)了沖擊試驗(yàn)以及相關(guān)的微細(xì)觀測(cè)試，以研究沖擊作用下砂質(zhì)粉土液化的微觀特性，揭示沖擊液化機(jī)理。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試樣基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)樣品砂質(zhì)粉土取自涇陽南塬。根據(jù)調(diào)查，該層樣品受滑坡沖擊作用產(chǎn)生了明顯的液化現(xiàn)象(圖1)，為滑坡在階地的運(yùn)動(dòng)提供了有利的條件。經(jīng)過野外調(diào)查，該砂質(zhì)粉土層厚度約為28icm。試樣天然物性指標(biāo)見表1。試樣顆粒粒徑級(jí)配曲線如圖2所示。

表1 試樣參數(shù)表Table 1 Table of sample parameters

1.2 沖擊試驗(yàn)設(shè)備與步驟

沖擊試驗(yàn)設(shè)備主要分為5部分(圖3d)，包括：1.沖擊錘：底部直徑為24icm圓形，并在四周裝有旋頁，每組旋頁在水平方向長(zhǎng)度為3icm，質(zhì)量為20.87ikg，提供沖擊所需能量；2.定滑輪裝置：控制沖擊能大?。?.導(dǎo)桶：內(nèi)徑為30icm，與沖擊錘旋頁接觸，導(dǎo)向沖擊錘下落；4.承樣桶：內(nèi)徑為30icm的空心圓筒，裝填試樣；5.采集儀：采用Soil CR6進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

設(shè)置試驗(yàn)落距分別為0.25im、0.5im、1im，根據(jù)重力做功公式：

W=mgh

(1)

式中：W為重力做的總功；m為沖擊錘質(zhì)量；h為沖擊落距。計(jì)算得到理論沖擊能分別為52iJ、104iJ與208iJ。

沖擊試驗(yàn)步驟如下：

(1)反壓制樣(圖3a)。將試樣進(jìn)行篩分，取少量烘干計(jì)算試樣含水率。設(shè)計(jì)試樣孔隙比為0.85。通過控制試樣密度分層壓制在承樣桶內(nèi)，單層厚度5icm，且靜壓時(shí)間不少于30imin，每層制樣結(jié)束后做刨毛處理，使各層之間自然過渡，桶內(nèi)試樣最終達(dá)到30icm厚度。

(2)試樣浸潤(rùn)(圖3b)。制樣結(jié)束后，在試樣表面蓋上與承樣桶內(nèi)徑相同的開有導(dǎo)水孔的有機(jī)玻璃蓋板。設(shè)計(jì)試樣的飽和度為80%。分別計(jì)算所需水的質(zhì)量，通過蓋板小孔和接觸邊界滲入試樣中，打開制樣筒底部排氣閥，密封承樣桶防止水分蒸發(fā)，直至桶內(nèi)土體充分浸潤(rùn)。浸潤(rùn)過程中不卸蓋板，確保砂質(zhì)粉土試樣在浸潤(rùn)過程中既不受力也不發(fā)生變形。

(3)沖擊試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)。試樣浸潤(rùn)至目標(biāo)飽和度后，將孔隙水壓力傳感器按圖3c接入沖擊桶內(nèi)(土壓力傳感器預(yù)先埋設(shè))，并將傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接(圖3d)，其中P1、P2、P3與T1、T2、T3分別為埋深5icm、15icm、25icm的孔壓傳感器與總壓傳感器。接好后，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行初始標(biāo)定，檢查傳感器工作狀態(tài)正常后，按設(shè)計(jì)落距進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

1.3 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)設(shè)備與步驟

試驗(yàn)流程及設(shè)備如圖4所示。

在承樣桶中心位置如圖3c所示位置取環(huán)刀樣，烘干后滴加樹脂固化，經(jīng)打磨、剖光、噴金等流程后進(jìn)行電鏡掃描。電鏡掃描選擇日本電子株式會(huì)社的JSM-7610F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(圖4h)，該儀器采用半浸沒式物鏡和High Power Optics照明系統(tǒng)，可通過r-filter分選信號(hào)以及低角度背散射電子來滿足微觀測(cè)試需求。為了獲得較大的觀測(cè)范圍與較為準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，選擇250倍放大倍數(shù)、采用背散射鏡頭對(duì)試樣進(jìn)行拍照。

2 砂質(zhì)粉土沖擊液化細(xì)微觀分析

2.1 砂質(zhì)粉土沖擊液化孔壓總壓變化分析

圖5與圖6分別為砂質(zhì)粉土受沖擊過程土壓與孔壓隨時(shí)間變化圖。對(duì)比圖5與圖6可知，本次試驗(yàn)中，各落距下P1、P2峰值較T1、T2峰值的出現(xiàn)具有一定的遲滯性(為20ims)，而P3與T3峰值會(huì)同時(shí)出現(xiàn)；各落距下峰值孔壓P2、P3均超過了同位置峰值土壓T2、T3，峰值孔壓P1均小于同位置峰值土壓T1，但兩者大小非常接近。

由圖5和圖6中可知，在本次試驗(yàn)3種落距的沖擊下，砂質(zhì)粉土?xí)夯⒃诓煌瑢游惶幖ぐl(fā)出很高的峰值孔壓；各沖擊落距下孔隙水壓力的最大值均出現(xiàn)在P2位置處(15icm埋深)，這是由于試樣中部向上的排水通道受阻，而頂部壓縮明顯而形成相對(duì)的隔水層，使得孔隙水中部聚集形成高孔壓，孔隙水的聚集導(dǎo)致土體無法被進(jìn)一步壓縮，使得沖擊力很難影響到下部土層，所以下部的孔壓也很??；沖擊后，試樣中孔壓繼續(xù)殘留在土體中，且在1is內(nèi)不會(huì)完全消散。

由表2可知，隨著落距增大，沖擊所能激發(fā)出的峰值孔壓增大，在落距為1im時(shí)，孔壓最大，為91.07ikPa；單位沖擊能下所能激發(fā)的最大孔壓隨落距增大而減小，在0.25im落距時(shí)最大，為0.93ikPa·J-1。

表2 峰值孔壓與單位沖擊能下產(chǎn)生的孔壓增量Table 2 Peak pore pressure and increment of pore pressure under unit impact energy

2.2 砂質(zhì)粉土沖擊液化表觀特征

如圖7為沖擊試驗(yàn)結(jié)束后試樣照片。在未受沖擊時(shí)，試樣表層土體平整排列均勻，未見有明顯的裂隙與大孔隙，指尖按壓時(shí)有明顯的強(qiáng)度(圖7a)。受0.25im與0.5im落距沖擊時(shí)，在試樣表層出現(xiàn)一些微小的裂隙，試樣表面平整且有水分滲出，用指尖觸及時(shí)有平滑感(圖7b、圖7c)。受1im落距沖擊時(shí)，由于沖擊能較大，試樣內(nèi)部形成貫穿性的裂紋(深度2～4icm)，并在試樣表層發(fā)生鼓脹開裂，用指尖觸及時(shí)會(huì)有試樣粘黏(圖7d)。

2.3 砂質(zhì)粉土沖擊液化微觀特性

如圖8為不同沖擊能作用下砂質(zhì)粉土試樣縱斷面微觀結(jié)構(gòu)。在未受沖擊時(shí)，顆粒排列較為分散，礦物顆粒相對(duì)完整，顆粒形狀不規(guī)則，顆粒間接觸關(guān)系為角點(diǎn)接觸或邊角接觸，顆粒架空結(jié)構(gòu)顯著(圖8a)。受0.25im落距沖擊后，顆粒間排列變得緊密，顆粒邊緣棱角與架空性孔隙變少，顆粒主要接觸關(guān)系變?yōu)檫吔墙佑|，架空性結(jié)構(gòu)比例明顯減少(圖8b)。受0.5im落距沖擊后，顆粒排列變得更為緊密，少數(shù)大礦物顆粒出現(xiàn)明顯的擠碎現(xiàn)象，此時(shí)顆粒接觸關(guān)系也多為邊邊接觸(圖8c)。受1im落距沖擊后，顆粒之間接觸變得非常致密，顆粒因?yàn)闆_擊作用出現(xiàn)了更為顯著的顆粒破碎現(xiàn)象，破碎顆粒棱角分明，并形成團(tuán)?；瘞缀误w，顆粒間小孔隙居多，但有貫通性的大孔隙出現(xiàn)，顆粒間主要接觸關(guān)系為邊邊接觸(圖8d)。

2.4 砂質(zhì)粉土沖擊液化微觀結(jié)構(gòu)的定量分析

利用PCAS軟件(劉春等，2018)對(duì)微觀原始灰度圖像進(jìn)行二值化處理(圖9)，再分別利用Matlab與ImageiJ軟件提取圖像中的顆粒與孔隙參數(shù)數(shù)據(jù)，主要提取孔隙與顆粒的面積、周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度、方向角等參數(shù)，通過孔隙率、孔隙分布、方向頻率、豐度與分形維數(shù)等參數(shù)完成對(duì)砂質(zhì)粉土沖擊液化微觀結(jié)構(gòu)的定量分析。

2.4.1 面孔隙率及孔隙分布

土體的孔隙數(shù)據(jù)是反映土體結(jié)構(gòu)性的重要指標(biāo)，通過研究砂質(zhì)粉土的孔隙度與孔隙分布可以分析砂質(zhì)粉土沖擊液化前后的結(jié)構(gòu)變化。

經(jīng)過軟件計(jì)算，得到各沖擊狀態(tài)面孔隙率數(shù)據(jù)(圖10)。在未受沖擊前，試樣的面孔隙率最大，可達(dá)到25.61%。受不同沖擊后，試樣的面孔隙率均有所減小，其中：受0.25im落距沖擊后的面孔隙率最小，為16.22%。

本次試驗(yàn)的樣品為重塑樣，試樣砂質(zhì)粉土為河相沉積物，顆粒間膠結(jié)弱，連通性較好，微孔隙含量非常少，參照雷祥義(1987)的分類標(biāo)準(zhǔn)將砂質(zhì)粉土孔隙按孔徑大小分為：大孔隙(孔隙直徑d>32iμm)，中孔隙(8iμm<孔隙直徑d<32iμm)與微小孔隙(孔隙直徑d<8iμm)。按照以上分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)砂質(zhì)粉土沖擊前后各孔隙數(shù)量及面積分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制直方圖(圖11)。

觀察圖11a，與未沖擊試樣相比，砂質(zhì)粉土受到不同沖擊力作用后，大中孔隙數(shù)量均減少，而微小孔隙數(shù)量均增多。0.25im落距沖擊下，中孔隙數(shù)量比例由15%減小至7%，微小孔隙數(shù)量比例由82%增加至93%，大孔隙消失；當(dāng)落距增加至0.5im時(shí)，砂質(zhì)粉土中孔隙增多，微小孔隙減少；當(dāng)落距達(dá)到1im時(shí)，砂質(zhì)粉土中出現(xiàn)大孔隙，中小孔隙數(shù)量隨之減少。觀察圖11b，與未沖擊試樣相比，受不同沖擊作用后，微小孔隙面積比例有明顯增多，中孔隙面積比例均有一定程度的下降。在0.25im落距沖擊后，微小孔隙面積占各孔隙面積比例最大，達(dá)到63%；與受0.25im落距沖擊相比，在0.5im落距沖擊后，微小孔隙面積比例下降，中孔隙面積比例最大，達(dá)到54%；當(dāng)落距由0.5im增加至1im后，中小孔隙面積比例均下降，隨之出現(xiàn)大孔隙，大孔隙比例達(dá)到24%。

2.4.2 方向頻率

在力的作用下，土體顆粒的單元結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)發(fā)生一定程度的變化，顆粒與孔隙的方向頻率可以反映土體受力后孔隙與顆粒排列的定向特征，解釋在顆粒與孔隙的組合方式(薛喜成等，2020)。利用數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析方向頻率會(huì)因?yàn)閱卧w面積大小不同而產(chǎn)生誤差，故本文在分析方向頻率時(shí)，采用了統(tǒng)計(jì)一定區(qū)間內(nèi)單元體方向面積的方法。

圖12a中，當(dāng)試樣未受沖擊時(shí)，試樣中孔隙方向頻率在多個(gè)方向都具有極大值，說明試樣定向性較差。當(dāng)試樣受0.25im與0.5im落距沖擊時(shí)，試樣的孔隙方向在一定角度存在極大值，有明顯的定向性，最大方向頻率分別為9.4%和10.9%。當(dāng)試樣受1im落距沖擊時(shí)，孔隙定向性變差。

圖12b中，試樣的顆粒在未沖擊有著很好的定向性，最大方向頻率可達(dá)13.1%。當(dāng)試樣受到0.25im與0.5im落距沖擊后，顆粒仍有一定的定向性，但隨著落距的增大，最大方向頻率下降。當(dāng)落距增大至1im時(shí)，顆粒定向性明顯減弱。

2.4.3 豐 度

以單元體的短軸與長(zhǎng)軸之比定義單元體的豐度：

C=W/L

(2)

式中：C為單元體豐度；W為單元體短軸長(zhǎng)度；L為單元體長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。通過計(jì)算得到不同沖擊狀態(tài)下砂質(zhì)粉土顆粒與孔隙平均豐度(圖13)，由圖13可知，砂質(zhì)粉土顆粒在受沖擊后顆粒豐度會(huì)小幅增大，而孔隙豐度基本不變。砂質(zhì)粉土的顆粒豐度在受到不同沖擊后均會(huì)小范圍增大，較0.25im落距與0.5im落距沖擊，1im沖擊下顆粒豐度增量最小。

2.4.4 分形維數(shù)

Voss et al.(1985)提出，若試樣的單元體形態(tài)存在分形特征，則單元體周長(zhǎng)與面積存在如下關(guān)系：

lnP=(D/2)×lnA+C

(3)

式中：P為單元體周長(zhǎng)；A為單元體面積；C為常數(shù)；D為單元體分形維數(shù)。顆粒分形維數(shù)可以反映土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，顆粒分形維數(shù)越小，土體結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單(王寶軍等，2004)。

根據(jù)試樣顆粒、孔隙的面積與周長(zhǎng)做對(duì)數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)密度分布圖(圖14)，并對(duì)對(duì)數(shù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，判斷單元體的分形特征。根據(jù)線性擬合得出的直線斜率K，求得單元體的分形維數(shù)D，即D=2K。

通過擬合發(fā)現(xiàn)各單元體面積與周長(zhǎng)的散點(diǎn)圖具有較高線性相關(guān)度，說明各試樣顆粒、孔隙均具有分形特征。根據(jù)計(jì)算得出單元體的分形維數(shù)(圖15)。在試樣受到0.25im與0.5im落距沖擊后，試樣的孔隙分形略有升高；當(dāng)沖擊落距達(dá)到1im時(shí)，孔隙分形劇烈下降，分形維數(shù)變?yōu)?.27。試樣受到0.25im與0.5im落距沖擊時(shí)，顆粒分形有略微的下降；當(dāng)沖擊落距達(dá)到1im時(shí)，顆粒分形劇烈下降，此時(shí)顆粒分形變?yōu)?.06。

3 微觀機(jī)理討論

根據(jù)上節(jié)研究可知，在沖擊作用下，砂質(zhì)粉土被明顯壓縮，其中的大中孔隙被壓縮為小孔隙。沖擊力越大，對(duì)砂質(zhì)粉土的結(jié)構(gòu)改變?cè)酱螅饕憩F(xiàn)在顆粒接觸關(guān)系、破碎程度、孔隙形態(tài)及方向。因此，根據(jù)其微觀變化特征及規(guī)律，參考段釗等(2020)對(duì)沖擊液化過程中含水率遷移的分析結(jié)果，沖擊作用下砂質(zhì)粉土的液化應(yīng)為以下過程。

砂質(zhì)粉土?xí)谑艿經(jīng)_擊瞬間激發(fā)出極高的孔壓(此處孔壓為超孔隙水壓力，下同)?？讐捍笮∮煽紫秹嚎s、顆粒移動(dòng)與破損程度決定。在較低的沖擊能作用下(沖擊能介于52～104iJ時(shí))，中低強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu)即可發(fā)生破壞，過程中大中孔隙收縮并引起該部分孔壓迅速增大，與周圍未被壓縮孔隙的壓力差使孔隙水發(fā)生遷移。當(dāng)這種遷移作用使得所有孔隙達(dá)到飽水狀態(tài)時(shí)，沖擊的進(jìn)行無法進(jìn)一步破壞土體骨架，僅會(huì)使得孔隙水壓力增大，此時(shí)單位能量下孔壓增量可達(dá)0.93ikPa·J-1，孔壓迅速積累，峰值孔壓出現(xiàn)，有效應(yīng)力迅速降低，土體液化。達(dá)到峰值孔壓后，因卸荷回彈作用孔隙水向上運(yùn)動(dòng)，孔壓消散。由于上部土層受沖擊后非常密實(shí)，排水消散方向受阻，孔隙水發(fā)生反復(fù)聚集與消散，因此出現(xiàn)了孔壓形成二次(或多次)峰值現(xiàn)象，二次孔壓峰值可達(dá)10ikPa。此種條件下土體孔隙率(面孔隙率)明顯降低，大中孔隙均發(fā)生不同程度壓縮，小孔隙顯著增加，顆粒出現(xiàn)輕微破碎，但相對(duì)位置關(guān)系沒有明顯變化。

在較高的沖擊能作用下(沖擊能大于104iJ時(shí))，沖擊會(huì)使顆粒絕大部分骨架與孔隙同時(shí)受壓產(chǎn)生變形。顆粒間會(huì)發(fā)生擠裂、折斷、破碎而損耗掉部分沖擊能，孔隙水會(huì)隨著壓縮的進(jìn)行激發(fā)出較大的孔壓。在此過程中，顆粒間形成穩(wěn)定的鑲嵌咬合結(jié)構(gòu)，顆粒骨架會(huì)很難繼續(xù)被壓縮，孔隙水所承受的沖擊壓力逐漸增大，直至孔壓等于總應(yīng)力(楊海杰等，2001)，此時(shí)單位能量下孔壓增量會(huì)根據(jù)沖擊能的增加而減小。此時(shí)，孔隙水內(nèi)部無法進(jìn)一步儲(chǔ)存沖擊能量，峰值孔壓出現(xiàn)，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而表現(xiàn)出彈性，土顆粒圍繞孔隙水向下的滑移，部分孔隙水由表層排出，孔壓驟降。而滑移的顆粒會(huì)堵塞中部的孔隙水通道造成孔壓的二次(或多次)聚集，且孔壓聚集較低沖擊能下更為明顯，最高可超過18ikPa。

在這種高沖擊能作用下，土體在卸荷時(shí)顆粒骨架會(huì)產(chǎn)生一定的回彈，同時(shí)表面出現(xiàn)裂紋(土體受沖擊產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力所致)，孔壓則通過這種裂紋(作為滲流通道)實(shí)現(xiàn)遷移而消散，水對(duì)土顆粒的摩擦作用會(huì)再次帶動(dòng)破碎的小顆粒位移并重新組合排列形成新的團(tuán)?；瘞缀误w。此種條件下顆粒形態(tài)與位置發(fā)生顯著變化，顆粒與孔隙定向性發(fā)生明顯改變，分形維數(shù)降低。

從力的作用形式與作用結(jié)果來看，沖擊液化較振動(dòng)液化有以下特點(diǎn)：(1)時(shí)間更短(本試驗(yàn)40ims力的作用過程已經(jīng)結(jié)束，對(duì)比文獻(xiàn)(秦朝輝等，2015)，在頻率為30iHz的振動(dòng)力下，作用時(shí)長(zhǎng)約40is，而在低頻率下，作用時(shí)間更長(zhǎng))；(2)對(duì)土體原始骨架結(jié)構(gòu)破壞更為深刻；(3)孔隙水壓力的波動(dòng)范圍更大；(4)會(huì)產(chǎn)生額外的顆粒破碎。所以沖擊液化較振動(dòng)液化對(duì)土體的瞬時(shí)壓縮更為劇烈，會(huì)造成額外的顆粒骨架破損與顆粒重組，而不是單純的結(jié)構(gòu)振縮。振動(dòng)液化是在循環(huán)力的作用下，土顆粒發(fā)生不斷地相對(duì)下沉，孔壓不斷增長(zhǎng)，部分孔隙水隨著振動(dòng)進(jìn)行被擠出，土體顆粒在下沉過程中受到足夠大的滲流孔隙水阻力作用暫時(shí)處于懸浮狀態(tài)時(shí)，土體發(fā)生液化(鄧榮貴等，2001；楊振茂等，2004)。

根據(jù)以上討論，金艷麗等(2008)與張艷美等(2018)對(duì)飽和土的試驗(yàn)研究，繪制了土體受沖擊液化作用時(shí)的有效應(yīng)力路徑(圖16)，分析沖擊液化與其他液化方式的力學(xué)原理差異。較振動(dòng)荷載與靜態(tài)荷載作用而言，由于沖擊荷載作用強(qiáng)、時(shí)間短，導(dǎo)致孔壓振幅大、聚集快，土體極易由初始狀態(tài)點(diǎn)直接到達(dá)穩(wěn)態(tài)線，從而發(fā)生液化。

4 結(jié) 論

通過開展室內(nèi)沖擊液化試驗(yàn)與掃描電鏡試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，得到結(jié)論如下：

(1)砂質(zhì)粉土在受沖擊荷載時(shí)會(huì)激發(fā)出較大的孔壓，土體應(yīng)力路徑極易由初始狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)生液化。

(2)沖擊液化作用會(huì)改變土體顆粒接觸關(guān)系、顆粒形態(tài)、孔隙形態(tài)及方向。

(3)顆粒骨架破壞與孔隙收縮是土體沖擊液化的重要微觀機(jī)理，不同大小沖擊能下的液化機(jī)理也因此而產(chǎn)生相應(yīng)的差異。