馬蘭黃土液化特性及孔壓模型參數(shù)研究

代言 鄧龍勝 毛偉 范文 李培

摘要：

地震荷載作用下黃土的孔壓增長特性、模型及參數(shù)是黃土場地液化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。文章以甘肅慶陽董志塬地區(qū)黃土為研究對(duì)象，通過不同土性和荷載條件下飽和重塑黃土的液化試驗(yàn)，對(duì)黃土的液化特征、典型孔壓模型的適用性及參數(shù)的取值范圍進(jìn)行研究。研究表明動(dòng)荷載作用下飽和重塑黃土孔壓增長曲線主要分為三類，通過對(duì)比驗(yàn)證不同孔壓模型對(duì)飽和重塑黃土孔壓增長曲線的適用性，給出了適用性較好的孔壓模型的參數(shù)取值范圍，其中，Seed模型的參數(shù)α取值范圍為1.09～1.84，A型曲線模型參數(shù)β取值范圍為1.70～2.52，冪函數(shù)模型參數(shù)θ取值范圍為1.13～1.75。根據(jù)隴西黃土孔壓曲線對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型的參數(shù)取值范圍具有區(qū)域性，對(duì)于隴西黃土，Seed模型、A型曲線模型和冪函數(shù)模型的擬合參數(shù)取值分別為0.91、8.32和3.51。

關(guān)鍵詞：

黃土; 動(dòng)三軸試驗(yàn); 液化; 孔壓模型; 擬合參數(shù)

中圖分類號(hào)： TU444????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2023）02-0338-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20211020001

Liquefaction characteristics and parameters of pore-water

pressure model for Malan loess

DAI Yan1， DENG Longsheng1， 2， MAO Wei1， FAN Wen1， 2， LI Pei2， 3

（1. College of Geological Engineering and Geomatics， Chang'an University， Xi'an 710054， Shaanxi， China;

2. Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control， Xi'an 710054， Shaanxi， China;

3. College of Civil Engineering， Chang'an University， Xi'an 710054， Shaanxi， China）

Abstract：

The growth characteristics of the pore-water pressure of loess and the associated models and parameters are important for evaluating the liquefaction of loess sites under seismic loads. In this paper， the liquefaction characteristics， applicability of typical pore-water pressure models， and value ranges of parameters for the loess in the Dongzhi tableland of Qingyang City （Gansu Province， China） were studied via a series of liquefaction tests under different soil properties and loading conditions. Three types of pore-water pressure growth curves of saturated remolded loess under dynamic loading have been discovered， and their applicability to various pore-pressure models is verified via a comparison， and the value ranges of parameters for models with better applicability are provided. The parameter α of the Seed model ranges from 1.09 to 1.84， parameter β of the A-type curve model ranges from 1.70 to 2.52， and parameter θ of the power function model ranges from 1.13 to 1.75. The models are verified by the pore pressure curve of the loess in the Longxi area. Results reveal that the parameter range of these models has regional characteristics. For Longxi loess， the fitting parameters of the Seed model， A-type curve model， and power function model are 0.91， 8.32， and 3.51， respectively.

Keywords：

loess; dynamic triaxial test; liquefaction; pore-water pressure model; fitting parameter

0 引言

黃土是一種結(jié)構(gòu)性、水敏性和地震易損性非常強(qiáng)烈的巖土類顆粒材料，在強(qiáng)震作用下極易發(fā)生震陷、液化等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)黃土場地的地震穩(wěn)定性產(chǎn)生了非常重要的影響［1］。在黃土地區(qū)發(fā)生的歷次強(qiáng)震事件中，如1920年海原8.5級(jí)地震［2-6］、1989年塔吉克5.5級(jí)地震［7］、2013年岷縣漳縣6.6級(jí)地震［8-9］，均有大量黃土地震液化致災(zāi)的報(bào)道。黃土地震液化造成的大規(guī)模、長距離地層滑移和土體流動(dòng)往往造成難以估量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究黃土地震液化問題對(duì)于場地的地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有非常重要的意義。

地震荷載作用下黃土的孔壓響應(yīng)是黃土場地液化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。大量學(xué)者考慮不同荷載條件、土性狀態(tài)等狀況，采用現(xiàn)場調(diào)查、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等方法，研究了土體的孔壓特征、孔壓模型和液化機(jī)理。目前，在黃土液化評(píng)價(jià)中主要借鑒砂土研究成果。Seed等［10］基于動(dòng)三軸試驗(yàn)首次提出了砂土液化的定量標(biāo)準(zhǔn)，并建立了均壓固結(jié)條件下飽和砂土動(dòng)孔隙水壓力隨振動(dòng)次數(shù)的增長模型。Finn等［11］考慮初始剪應(yīng)力的影響，基于非均壓固結(jié)試樣的循環(huán)三軸試驗(yàn)提出了孔壓增長修正模型。張建民等［12］基于已有孔壓模型的歸納總結(jié)，將砂土孔壓增長模式分為A、B、C三種類型。對(duì)于飽和砂土孔壓增長規(guī)律研究已經(jīng)取得較多成果，提出多種孔壓增長模型［13-14］，但由于黃土獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性使飽和黃土的孔壓發(fā)展規(guī)律與飽和砂土存在一定的差異。劉公社等［15］研究了飽和黃土孔壓的演化規(guī)律和影響因素。王蘭民等［16］基于微結(jié)構(gòu)及電化學(xué)觀測(cè)揭示了黃土液化機(jī)理，建立了均壓固結(jié)條件下飽和原狀黃土孔壓增長模型。佘躍心等［17］對(duì)飽和擊實(shí)黃土的孔壓增長特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)A型曲線方程進(jìn)行了修訂。之后大量學(xué)者基于動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)不同條件下黃土液化特性進(jìn)行研究，探討了飽和黃土的孔壓增長規(guī)律，給出了不同的孔壓增長模型［18-22］。上述研究成果，為進(jìn)一步開展黃土地震液化研究提供了支持。目前已提出了多個(gè)應(yīng)用于描述黃土孔壓特性和增長規(guī)律的模型，但這些模型在表達(dá)形式、模型參數(shù)、試驗(yàn)方法等方面都存在一定差異。

在我國隴西、隴東—陜北—晉西等地區(qū)分布的砂黃土，往往具有較粗的顆粒、較大的孔隙比和較強(qiáng)的液化勢(shì)，是研究黃土地震易損性較為理想的對(duì)象。本文以隴東慶陽地區(qū)馬蘭黃土為研究對(duì)象，開展不同土性和荷載條件下飽和重塑黃土的液化試驗(yàn)研究，分析黃土的液化特征和典型孔壓模型的適用性，確定不同影響因素下黃土孔壓模型參數(shù)的取值，為黃土地區(qū)液化災(zāi)害評(píng)價(jià)和防治提供理論依據(jù)。

1 典型孔壓模型概述

目前常用的孔壓模型主要是基于規(guī)則波作用的等幅循環(huán)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果建立，模型的函數(shù)形式主要有冪函數(shù)或多項(xiàng)式等幾種。常用的典型孔壓模型有Seed模型、Finn模型、張建民模型、于濂洪模型、王蘭民模型等。各模型的方程、特征曲線、模型參數(shù)等詳見表1所示。

2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用土樣為甘肅慶陽市董志塬Q3馬蘭黃土，取樣深度約為5 m，采用人工開挖獲取I級(jí)不擾動(dòng)原狀土樣。重塑試樣采用靜壓法制備，將原狀土樣用橡皮錘搗碎后過2 mm篩，稱取相應(yīng)質(zhì)量的黃土后通過三軸靜壓制樣器一次性壓實(shí)成型，重塑試樣直徑39.1 mm，高度為80 mm。本次試驗(yàn)采用GDS電液伺服式動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。該設(shè)備可施加軸向荷載最大值為20 kN，頻率5 Hz，位移量程100 mm，孔壓量程2 MPa，量測(cè)精度為0.1%。試驗(yàn)黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表2，粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

試樣飽和采用二氧化碳飽和與反壓飽和結(jié)合的方法。飽和過程中檢測(cè)試樣的孔壓系數(shù)B（即孔隙水壓力的增量與所施加圍壓增量的比值），各試樣B值均達(dá)到0.95以上，認(rèn)為試樣達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和完成后進(jìn)行固結(jié)不排水振動(dòng)三軸試驗(yàn)，采用100 kPa有效圍壓進(jìn)行等向固結(jié)，固結(jié)比Kc=1.0。動(dòng)荷載采用不同頻率的等幅正弦波。試樣液化破壞標(biāo)準(zhǔn)采用王蘭民等［16］提出的飽和黃土的液化破壞標(biāo)準(zhǔn)：動(dòng)應(yīng)變?chǔ)?3%，且u/σ′0≥0.2。具體試驗(yàn)方案列于表3。

3 飽和重塑黃土液化特性

3.1 動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)孔壓整體特征

圖2為典型飽和重塑黃土動(dòng)孔壓及動(dòng)應(yīng)變隨振動(dòng)次數(shù)的發(fā)展曲線，由圖可見，動(dòng)荷載作用下飽和重塑黃土的動(dòng)孔壓和動(dòng)應(yīng)變發(fā)展是一個(gè)逐漸積累的過程。不同試樣的動(dòng)應(yīng)變變化規(guī)律基本一致。在加載初始階段，動(dòng)應(yīng)變緩慢增長，當(dāng)循環(huán)加載到一定振次后，應(yīng)變快速增長，土體結(jié)構(gòu)開始發(fā)生顯著破壞，產(chǎn)生較大塑性變形，土體強(qiáng)度快速喪失；

試樣的孔壓增長主要有兩種類型，分別為拋物線型及S型曲線。拋物線型如D2-1，加載初始階段，孔隙水壓力快速增長，隨著動(dòng)荷載循環(huán)振次的增大，孔壓增長速率逐漸減小，曲線整體上凸，呈拋物線型。第二類S型曲線如D1-2，在加載初期，隨著振次的增加，孔壓增長速率變緩并趨于穩(wěn)定，孔壓近似呈線性發(fā)展，在接近液化破壞時(shí)，隨著試樣塑性變形的增大孔壓增長速率明顯增大，孔壓曲線先凸后凹，整體呈S型。

3.2 有效應(yīng)力路徑特征

圖3給出了飽和重塑黃土的有效應(yīng)力路徑，由圖可見，隨著循環(huán)振次的增加，試樣的平均有效應(yīng)力由于孔隙水壓力的增加逐漸降低，其有效應(yīng)力路徑曲線呈從右向左的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)有效應(yīng)力路徑發(fā)展到一定階段，有效偏應(yīng)力發(fā)生明顯衰減，試樣逐漸失穩(wěn)，繼而發(fā)生液化破壞。在同一循環(huán)內(nèi)平均有效應(yīng)力呈現(xiàn)減小-增大的循環(huán)變化［23］，有效應(yīng)力路徑呈“倒U型”，在液化破壞后該特點(diǎn)愈發(fā)明顯。在破壞時(shí)平均有效應(yīng)力值未衰減至0，最小值約為10 kPa。

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線特征

圖4為典型飽和重塑黃土應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線，由圖可見，在加載的初始階段（1～4周期），動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L速率較慢，動(dòng)應(yīng)力未發(fā)生明顯衰減，相鄰周期滯回圈形狀差異不大，近似為橢圓形，以彈性變形為主。隨著循環(huán)次數(shù)的增大（5～8周期），滯回圈形態(tài)發(fā)生明顯變化，動(dòng)應(yīng)變幅值迅速增加，同時(shí)動(dòng)應(yīng)力小幅度衰減，其長軸斜率迅速減小，試樣出現(xiàn)一定的塑性變形，由彈性變形階段發(fā)展為彈塑性變形階段;隨著振動(dòng)次數(shù)的進(jìn)一步增加（9～11周期），動(dòng)應(yīng)變隨振次增加急劇增大，其動(dòng)應(yīng)力幅值進(jìn)一步衰減，滯回圈形狀變?yōu)椤暗筍”型，面積迅速增大，試樣達(dá)到破壞狀態(tài)［24］。

3.4 動(dòng)孔壓-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線特征

圖5為不同工況下飽和重塑黃土的動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興與動(dòng)孔壓ud關(guān)系曲線，由圖可見，動(dòng)孔壓隨動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。當(dāng)動(dòng)應(yīng)變較小時(shí)，動(dòng)孔壓隨動(dòng)應(yīng)變的增長速度較快，近似呈線性增長。當(dāng)動(dòng)應(yīng)變發(fā)展到一定程度后，孔壓增長速度變緩，仍隨殘余應(yīng)變的增大繼續(xù)增加，最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)，由試驗(yàn)結(jié)果可見，達(dá)到液化破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)土體的動(dòng)孔壓均未達(dá)到有效圍壓，試樣干密度和動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)孔壓發(fā)展具有一定影響。干密度越小、施加動(dòng)應(yīng)力幅值越低，試樣破壞時(shí)能達(dá)到的孔隙水壓力值越大。這是由于重塑黃土雖然破壞了黃土內(nèi)部的大孔隙結(jié)構(gòu)，但仍存在一定的中小孔隙，在較高的動(dòng)應(yīng)力幅值作用下，密閉孔隙被打通而逐漸飽水，消散了部分孔壓。同時(shí)試樣干密度較低時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)更松散，在動(dòng)荷載作用下土體產(chǎn)生的塑性變形較大，孔壓更容易上升至較高的水平。

4 孔壓模型適用性分析及參數(shù)確定

為了便于總結(jié)分析動(dòng)荷載作用下飽和重塑黃土的孔壓增長模式，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，繪制各試樣孔壓比u/uf與振次比N/Nf關(guān)系曲線，結(jié)果如圖6所示。其中uf為破壞時(shí)孔壓，Nf為破壞時(shí)振次。由圖6可見，D1-1、D1-2、D2-3、D3-1孔壓增長曲線為S型曲線，D1-3、D1-4、D2-1的孔壓增長曲線為拋物線型曲線，D2-2、D3-2、D3-3孔壓增長曲線形態(tài)介于S型曲線與拋物線曲線之間，是二者過渡過程中出現(xiàn)的一種孔壓增長模式，為過渡型曲線。動(dòng)應(yīng)力幅值與干密度對(duì)孔壓增長曲線的形態(tài)具有一定影響。隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的減小和干密度增大，孔壓曲線由拋物線型向S型曲線過渡［12］?？讐涸鲩L曲線形態(tài)隨頻率的增加無顯著變化規(guī)律。

圖7分別給出了各常用模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況，由圖可見，Seed模型與Finn模型擬合結(jié)果基本一致，兩種模型能較好地反映出S型孔壓增長曲線先凸后凹的變化趨勢(shì)，擬合效果相對(duì)較好;冪函數(shù)模型與A型曲線模型適用于拋物線型孔壓增長曲線;Seed模型和冪函數(shù)模型對(duì)過渡型曲線均有較好的擬合效果;多項(xiàng)式模型由于擬合參數(shù)較多，對(duì)三種孔壓增長曲線均有較高的擬合度。

由擬合結(jié)果可見，Seed模型對(duì)于S型曲線適用性較好，A型曲線模型以及冪函數(shù)模型比較符合拋物線型孔壓曲線。

表4給出了適用性較好的各模型擬合參數(shù)，多項(xiàng)式函數(shù)由于模型參數(shù)選取過多不進(jìn)行具體討論，由表可見，Seed模型參數(shù)α的取值范圍為1.09～1.84，A型曲線模型參數(shù)β取值范圍為1.70～2.52，冪函數(shù)模型參數(shù)θ取值范圍為1.13～1.75。模型參數(shù)的取值隨曲線形態(tài)不同而發(fā)生變化。

為了對(duì)孔壓模型的適用性分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選取文獻(xiàn)中隴西蘭州地區(qū)馬蘭黃土的孔壓增長曲線［16］進(jìn)行擬合驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示，由圖可見，孔壓曲線1和2為拋物線型曲線，分別采用A型曲線模型和冪函數(shù)曲線模型擬合，孔壓曲線3為S型曲線，采用Seed模型進(jìn)行擬合，擬合曲線與試驗(yàn)曲線均較為接近，說明上述模型對(duì)于其他地區(qū)飽和黃土仍具有一定的適用性?？讐呵€1的A型曲線模型擬合參數(shù)為8.32，孔壓曲線2的冪函數(shù)曲線模型擬合參數(shù)為3.51，孔壓曲線3的Seed模型擬合參數(shù)為0.91，其與隴東黃土的參數(shù)差異較大。受不同區(qū)域黃土物性參數(shù)和微結(jié)構(gòu)差異的影響，不同液化模型的參數(shù)取值范圍具有區(qū)域性。

5 結(jié)論

本文在對(duì)典型孔壓模型總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究，給出典型孔壓模型的控制方程、特征曲線和模型參數(shù)等，主要得到如下結(jié)論：

（1） 動(dòng)荷載作用下飽和重塑黃土的動(dòng)孔壓和動(dòng)應(yīng)變隨振次的增大逐漸積累發(fā)展。達(dá)到液化破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的動(dòng)孔壓值隨著干密度和動(dòng)應(yīng)力幅值的增大而降低，且均未達(dá)到有效圍壓。

（2） 本次試驗(yàn)中飽和重塑黃土孔壓增長曲線可分為S型曲線、拋物線型曲線以及過渡性曲線三種類型。隨著干密度增大以及動(dòng)應(yīng)力幅值減小，孔壓曲線由拋物線型向S型過渡。

（3） Seed模型對(duì)S型孔壓曲線的擬合效果較好，張建民A型曲線模型和冪函數(shù)模型適用于拋物線型孔壓曲線，Seed模型和冪函數(shù)模型對(duì)過渡型曲線均有較好的擬合效果，同時(shí)對(duì)隴西地區(qū)黃土孔壓曲線進(jìn)行擬合驗(yàn)證，得出的結(jié)論基本一致。

（4） 模型的參數(shù)取值范圍具有區(qū)域性，對(duì)于隴東地區(qū)飽和重塑黃土，Seed模型的參數(shù)α取值范圍為1.09～1.84，A型曲線模型參數(shù)β取值范圍為1.70～2.52，冪函數(shù)模型參數(shù)θ取值范圍為1.13～1.75，對(duì)于隴西黃土，Seed模型、A型曲線模型和冪函數(shù)模型的擬合參數(shù)取值分別為0.91、8.32和3.51。

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