魯西黃泛區(qū)淤積粉土動力特性研究

韓 超，崔學仕，王旭鋒，譚 浩，張永飛

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；3.濟南大學土木建筑學院，山東 濟南 250002)

0 引言

近年來，全球范圍內(nèi)地震災(zāi)害頻發(fā)，造成嚴重的經(jīng)濟和生命財產(chǎn)的損失。地基液化失穩(wěn)引發(fā)建筑物倒塌、沉陷、傾覆等是典型的地震次生災(zāi)害[1]。從而，研究易液化土的抗液化特性對防范地震災(zāi)害具有重要的理論和應(yīng)用意義。國際上，Seed等[2]最早開展土體液化研究，對振動荷載下飽和砂性土液化機理進行了總結(jié)，并提出了實用的判斷砂性土液化的經(jīng)驗方法。Salour等[3]試驗探索了粉土累積應(yīng)變隨振次的發(fā)展規(guī)律，并嘗試用數(shù)學模型進行解釋。Polito等[4]對重塑粉土樣進行了動三軸試驗，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒含量影響粉土抗液化強度的。國內(nèi)學者陳國興等[5]發(fā)現(xiàn)在等壓固結(jié)條件下可以用雙曲線模型描述動荷載作用下的孔壓發(fā)展模式。黃鋒和樓志剛[6]研究了南海海洋粉質(zhì)土不同排水條件下的動三軸特性，發(fā)現(xiàn)排水過程正常固結(jié)狀態(tài)土樣的孔隙水壓力發(fā)展速率會有所降低、不排水強度會有所提高。此外，曹成林等[7]、羅強[8]、丁志宇等[9]通過動三軸研究了細粒含量對粉土動強度的影響?？傮w上研究發(fā)現(xiàn)，土的動力特性及抗液化特性即動力作用下土的力學性能，會受到土體周圍壓力、孔隙比、顆粒組成、含水率、應(yīng)變幅值等多方面因素的影響。

針對黃泛區(qū)土體動力學特征，董正方等[10]以圍壓、干密度和細粒含量作為影響因素對開封地區(qū)粉砂土的動強度和抗液化強度進行研究，李曉靜等[11]、趙心濤[12]針對魯北粉土進行動三軸試驗，得出實度和黏粒含量對動強度的影響規(guī)律。盡管有學者針對粉土、砂土和粉砂等在土體液化方面取得了一些有益結(jié)果，但對魯西黃泛區(qū)淤積粉土在偏壓影響下動力特性還不夠充分。本文針對魯西黃泛區(qū)粉土開展動三軸試驗，研究圍壓和偏壓對其抗液化特征影響，以期為相關(guān)工程設(shè)計和施工提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本研究土樣取自山東省菏澤市鄆城縣城南偏東約9 km處，聯(lián)合篩分法和激光粒度分析法開展顆粒分析試驗(見圖1)，分析可知，土樣不均勻系數(shù)Cu為4.79，曲率系數(shù)Cc為1.67，土體級配不良。

1.2 試樣制備

根據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗方法標準，試驗采用擊實法制作50 mm×100 mm的重塑土樣。將取回土樣依次進行碾碎、過篩、烘干、配水、密封保濕等步驟后備用，配水時采用分層濕法配置水的質(zhì)量分數(shù)為20%的濕土，使用噴霧設(shè)備噴灑預(yù)估加水量，土樣和水充分拌勻后，保鮮膜密封養(yǎng)護12 h以上。測試濕潤土樣不同位置的含水率，測得水的質(zhì)量分數(shù)與制備標準之差值在±1%范圍內(nèi)滿足要求。試樣分三層擊實，按目標干密度計算每層所需濕土質(zhì)量，每層擊實5次～20次不等，以擊至所需高度為準(見圖2)。擊實后用鋼尺進行刨毛，避免出現(xiàn)分層斷裂現(xiàn)象，稱重并四周貼6條長約12 cm的濾紙，以保證土樣表面的水利貫通，更容易滲流，同時保護土樣(見圖3)。

試驗土樣采用真空飽和法和反壓飽和法進行飽和。安裝完成后對土樣進行等壓固結(jié)、偏壓固結(jié)和動幅值加載，如圖4所示。動荷載施加頻率為單向1 Hz，試驗方案見表1。

表1 粉土動三軸試驗方案

合理指定破壞標準是討論土體動強度問題的基礎(chǔ)。本試驗針對土體動強度的破壞標準為試樣受循環(huán)動荷載時，將峰值循環(huán)孔壓與圍壓的比值初次達到100%，即孔壓比為1時的狀態(tài)稱為初次液化。若雙幅軸向應(yīng)變達5%時孔壓未達到初始固結(jié)圍壓則以應(yīng)變標準作為補充破壞標準。若均未達到以上兩個破壞標準，則以軸向應(yīng)變值初次達到5%作為破壞標準。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力路徑發(fā)展規(guī)律

根據(jù)動三軸試驗結(jié)果，繪制不同工況條件下的飽和黃泛區(qū)淤積粉土應(yīng)力路徑及應(yīng)力應(yīng)變曲線。限于篇幅，本文僅列出圍壓50 kPa-偏壓40 kPa條件不同加載幅值的試驗土樣偏應(yīng)力-有效平均主應(yīng)力(q-p)和偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變(q-εa)關(guān)系(見圖5～見圖7)?？梢钥闯?，因阻尼的存在，土體在動力循環(huán)作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為滯回圈狀，在振幅較小時，整個循環(huán)加載階段試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線繪制成的滯回圈幾乎重疊，骨干曲線的斜率在同一工況下保持一致，土單元隨循環(huán)荷載主要發(fā)生彈性變形；隨著加載次數(shù)的增加，滯回圈的形狀、面積大小幾乎不發(fā)生改變，試樣內(nèi)部應(yīng)力分布沒有發(fā)生失衡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，宏觀上沒有出現(xiàn)較為明顯的塑性變形，仍然具有較大的動應(yīng)力強度。在振幅較大時，滯回圈形狀隨著循環(huán)圈數(shù)的增加失去其穩(wěn)定性，滯回圈面積逐漸增大，骨干曲線傾角不斷減小，表明試樣內(nèi)部能量耗散在增加，土體發(fā)生破壞。

2.2 圍壓及偏壓對動強度影響

圍壓是模擬土體埋深的重要影響因素，本試驗在干密度和偏壓固結(jié)壓力不變，分析圍壓對黃泛區(qū)粉土動強度的影響，取圍壓50 kPa,100 kPa和200 kPa。保持干密度和圍壓不變，分析偏壓對黃泛區(qū)粉土動強度的影響，取偏壓0 kPa,40 kPa和80 kPa。圖8分別是試樣在不同圍壓和偏壓下動強度曲線?？梢钥闯?，圍壓與偏壓對土體動強度的影響較大且規(guī)律性明顯，在其他條件一定時，動強度曲線隨圍壓和偏壓的增加逐漸升高，但動強度的變化并不隨圍壓或偏壓的增減呈等距的變化。

2.3 圍壓及偏壓對動剪切模量影響

土體在動荷載作用下的動彈性模量是評價土體剛度水平、分析動力特性重要依據(jù)，定義和計算方法為：

(1)

其中，σd為動應(yīng)力；εd為動應(yīng)變；σmax,σmin和εmax,εmin分別為一個循環(huán)加載周期內(nèi)動應(yīng)力和動應(yīng)變的最大值和最小值。

動三軸試驗中，動剪切模量Gd,動彈性模量Ed、動剪切應(yīng)變rd、軸向應(yīng)變εd之間關(guān)系如下式：

γd=εd(1+μ)

(2)

(3)

(4)

其中，μ為泊松比，對于飽和不排水動三軸試驗取0.5。

最大剪切模量Gmax計算方法參考謝定義《土動力學》，采用試驗法確定，根據(jù)試驗結(jié)果得到εd～σd關(guān)系曲線，轉(zhuǎn)化為εd/σd～εd曲線，將此曲線擬合直線后取縱截距的倒數(shù)得到彈性模量E0，最大剪切模量Gmax計算式為：

(5)

圖9為圍壓、偏壓變化時動剪切模量比與動剪應(yīng)變關(guān)系。可以看出，在相同動剪應(yīng)變下，黃泛區(qū)粉土的動剪切模量比隨著圍壓及偏壓的增大而增大，可能原因為圍壓和偏壓越高，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實，試樣抗剪強度就越高。

2.4 圍壓及偏壓對阻尼比影響

阻尼比是土動力特性表征的一個重要參數(shù)，代表土體動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系中動應(yīng)變對動應(yīng)力的滯后性，反映土體內(nèi)部因動荷載作用發(fā)生摩擦而消耗能量的特點。在循環(huán)荷載下，土體消耗能量的大小一般用阻尼比λ表示。

(6)

其中，W為加載過程中的總能量；ΔW為一次加載所消耗的能量。

圖10為不同圍壓與偏壓下阻尼比隨動剪應(yīng)變的變化關(guān)系?？梢钥闯觯珘汉愣〞r，阻尼比隨著圍壓從50 kPa升至100 kPa時變化較小；圍壓恒定時，阻尼比隨偏壓的增大而降低，可能原因是偏壓力越大土體顆粒內(nèi)部接觸越緊密，循環(huán)一周所需能量就越少，即阻尼比就越低。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)動三軸試驗，進行了黃泛區(qū)粉土不同圍壓、偏壓和動荷載幅值條件下的動力特性試驗。根據(jù)試驗結(jié)果和分析，得出以下結(jié)論：1)圍壓與偏壓對土體動強度的影響較大且規(guī)律性明顯，動強度曲線隨圍壓和偏壓的增加逐漸升高；2)在相同動剪應(yīng)變下，黃泛區(qū)粉土的動剪切模量比隨著圍壓及偏壓的增大而增大；3)阻尼比受圍壓影響較小，受偏壓影響大，并隨著偏壓的增大而逐漸降低。