飽和珊瑚砂液化特性動三軸試驗研究

郭舒洋 崔杰 吳楊 單毅 中田幸男 梶山慎太郎

摘要：為調(diào)查飽和珊瑚砂液化相關(guān)特性與發(fā)展規(guī)律，針對飽和Chibishi珊瑚砂，開展一系列不排水循環(huán)三軸試驗，研究相對密度Dr和循環(huán)應(yīng)力比CSR對飽和Chibishi珊瑚砂的超孔隙水壓力Δu、軸向應(yīng)變εa及動強(qiáng)度特性的影響，并分析不同地區(qū)珊瑚砂抗液化強(qiáng)度的差異性。結(jié)果表明，飽和Chibishi珊瑚砂的Δu發(fā)展模式根據(jù)不同的CSR水平可以分為前期均勻增長型、前期突增型和后期突增型；此外，采用一種新的孔壓模型對前期均勻增長型、前期突增型的孔壓比ru進(jìn)行表征，Chibishi珊瑚砂在相同的Dr條件下，雙幅應(yīng)變εDA達(dá)到5%的循環(huán)次數(shù)N隨著CSR水平的增加而逐漸減??；各珊瑚砂在同一里氏震級對應(yīng)的等效循環(huán)振動次數(shù)下，抗液化強(qiáng)度CRR的增長模式存在顯著差異。研究結(jié)果可豐富對珊瑚砂液化特征的認(rèn)知，同時對近岸和沿海工程的抗震設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：飽和珊瑚砂; 孔壓發(fā)展; 軸應(yīng)變發(fā)展; 動強(qiáng)度

中圖分類號： P319.56????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）01-0084-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230718001

Dynamic triaxial tests of the liquefaction characteristics of saturated coral sand

Abstract：

For the careful examination of the mechanical behavior of saturated coral sand， a series of undrained cyclic triaxial tests was performed on saturated coral sand （Chibishi）. The effects of different relative densities （Dr） and cyclic stress ratios （CSRs） on the excess pore water pressure （Δu）， axial strain εa， and dynamic strength of coral sand were explored. Three main types of “Δu”， including uniform rising in the early stage， sudden rising in the early stage， and sudden rising in the late stage， can be developed in the presence of various CSRs. In addition， a new pore pressure model was used to characterize the pore pressure ratio ru with uniform growth and sudden increase in the early stage. Under the same Dr， the number of cycles gradually decreased with the CSR when the axial strain with double amplitude εDA = 5% was considered. Under equivalent dynamic load， differences in the development of cyclic liquefaction resistance for various coral sands were detected. This study enriches the understanding of the liquefaction characteristics of coral sand and provides a reference for the seismic design of nearshore and coastal projects.

Keywords：

saturated coral sand; pore pressure development; axial strain development; dynamic strength

0 引言

珊瑚砂是含有海洋生物（珊瑚、貝殼等）成分的一類特殊巖土介質(zhì)，通常其碳酸鈣含量高達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于鈣質(zhì)砂定義的碳酸鈣含量，因此珊瑚砂也是一種鈣質(zhì)砂。珊瑚砂礦物成分以生物文石、鎂方解石和少量石英石為主［1-2］。珊瑚砂主要分布在30°S和30°N之間的熱帶與亞熱帶氣候的大陸架與海岸線一帶。在工程中，珊瑚砂常被用作港口設(shè)施和人工島地基的吹填材料。珊瑚砂顆粒具有不規(guī)則形狀、顆粒棱角度高、顆粒內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)等特點，使得珊瑚砂的力學(xué)特性與工程性質(zhì)完全不同于陸相無黏性土［3］。國內(nèi)外學(xué)者針對珊瑚砂的靜力特性開展了廣泛的研究［4-7］。與珊瑚砂的靜力學(xué)特性認(rèn)識相比，對珊瑚砂液化特性的認(rèn)識相對較晚，這是因為以往的觀點認(rèn)為珊瑚砂不會液化或難以液化。

最近的震害調(diào)查表明，飽和珊瑚砂場地在地震作用下會發(fā)生液化并引起嚴(yán)重震害［8-10］。因此，珊瑚砂的液化特性逐漸受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Hyodo等［11］采用一系列不排水循環(huán)三軸試驗對愛爾蘭地區(qū)的Dogs Bay珊瑚砂的動強(qiáng)度進(jìn)行了研究，建立了Dogs Bay珊瑚砂相變強(qiáng)度與動強(qiáng)度之間的關(guān)系，同時與Toyoura砂的動強(qiáng)度大小進(jìn)行對比。Sharm等［12］分別對澳大利亞Goodwyn地區(qū)和Ledge Point地區(qū)的珊瑚砂開展了一系列的不排水循環(huán)三軸試驗，研究結(jié)果表明兩個區(qū)域的珊瑚砂即使動應(yīng)力-動應(yīng)變行為是相似的，但動強(qiáng)度仍然存在顯著差異。同時，Pando等［13］認(rèn)為，由于不同地域的珊瑚砂的沉積過程不同，其抗液化的阻力存在較大差異。國內(nèi)學(xué)者也針對不同地區(qū)珊瑚砂的動力特性開展了研究。李建國［14］研究了西沙群島珊瑚砂在復(fù)雜應(yīng)力路徑作用下孔壓的增長模式，研究結(jié)果表明珊瑚砂的孔壓增長模式與主應(yīng)力方向角的連續(xù)旋轉(zhuǎn)有關(guān)。馬維嘉等［15］針對南沙島礁珊瑚砂開展了一系列的不排水循環(huán)三軸試驗，研究發(fā)現(xiàn)廣泛使用的Seed模型并不能很好地描述珊瑚砂孔壓發(fā)展特征，并由此提出修正后的Seed模型。Guo等［16］采用動三軸試驗，研究了不同顆粒級配參數(shù)對于珊瑚顆粒液化特性的影響，結(jié)果表明珊瑚礫抗液化強(qiáng)度隨著平均粒徑d50的增大而增加，隨著不均勻系數(shù)Cu的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。雖然以上針對珊瑚砂的動力特性的研究已經(jīng)取得一定的成果，但考慮到珊瑚砂受沉積過程、物理性質(zhì)和取樣環(huán)境等諸多因素的影響，其動力特性具有地域性差異。

本試驗依托廣州大學(xué)海外合作項目，利用日本山口大學(xué)實驗室提供的空氣壓力循環(huán)三軸試驗儀，選取日本沖繩島礁珊瑚砂（Chibishi砂）作為試驗材料，制備不同相對密度（Relative Density，Dr）的試樣，在不同的循環(huán)應(yīng)力比（Cyclic Stress Ratio，CSR）條件下進(jìn)行一系列不排水循環(huán)三軸試驗，分析飽和Chibishi珊瑚砂的孔壓及變形發(fā)展。根據(jù)各試樣液化時所需循環(huán)次數(shù)，得到Chibishi珊瑚砂的動強(qiáng)度曲線。同時，根據(jù)不同里氏震級對應(yīng)的等效循環(huán)次數(shù)確定不同地域珊瑚砂的抗液化強(qiáng)度，并對不同地域珊瑚砂的抗液化強(qiáng)度進(jìn)行對比。本研究豐富了珊瑚砂的動力行為和液化特性的認(rèn)識，同時對近岸和沿海工程的抗震設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本試驗所用珊瑚砂采自那霸沖繩慶良間島慶伊瀨附近淺海區(qū)域，地理位置為26SymbolpB@10′7″N，127SymbolpB@17′5″E，該區(qū)域為珊瑚砂主要分布區(qū)域。圖1給出了珊瑚砂在光學(xué)顯微鏡100 μm下的圖像。通過圖像可以觀察到珊瑚顆粒主要由貝殼和珊瑚殘骸組成，顆粒呈現(xiàn)出片狀、塊狀特征，且其表面具有多孔隙和粗糙的特點。利用X射線熒光光譜（XRF）和衍射（XRD）試驗對珊瑚砂樣品進(jìn)行珊瑚砂礦物成分分析。試樣結(jié)果表明Chibishi珊瑚砂的碳酸鈣含量為93.41%，且其主要的礦物成分為62.4%～81.1%的生物文石、16.3%～37.6%鎂方解石、4.2%石英石和8.3%的其他成分。其礦物成分與文獻(xiàn)［1-2］相同。

根據(jù)規(guī)范ASTM D6913［17］，采用篩析法確定Chibishi珊瑚砂的顆粒級配曲線，如圖2所示，并在圖中給出不同地域珊瑚砂的顆粒級配曲線圖［11，13，15］和易液化土邊界［18］。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，Chibishi珊瑚砂顆粒尺寸區(qū)間為0.075～2 mm。根據(jù)規(guī)范ASTM 2487［19］土壤分類系統(tǒng)，Chibishi珊瑚砂屬于不良顆粒級配。此外，Chibishi珊瑚砂位于易液化土邊界范圍內(nèi)，初步判斷其屬于易液化砂。本試驗根據(jù)規(guī)范ASTM D4253［20］和 ASTM D4254［21］測得Chibishi珊瑚砂的最大孔隙比（emax）和最小孔隙比（emin），其比重（Gs）根據(jù)規(guī)范ASTM D854［22］測得。具體物理參數(shù)指標(biāo)列于表1，同時在表中也給出了不同地域珊瑚砂［11，13，15］的基本物理參數(shù)。

1.2 試驗過程與方案

試驗采用日本制空氣壓力循環(huán)三軸試驗儀。試樣直徑為50 mm，高度為100 mm。試驗步驟如下：（1）初期飽和?？紤]到Chibishi珊瑚砂顆粒存在內(nèi)部孔隙，試樣需要嚴(yán)格的排氣過程，因此試樣采用抽真空飽和法［11］。首先將Chibishi 珊瑚砂放入烘干箱24 h后取出，并根據(jù)表1最大、最小孔隙比配置試驗?zāi)繕?biāo)Dr的試樣并放入脫氣水中;緊接著將試樣靜置于真空環(huán)境下72 h，期間每8 h取出試樣攪拌以增強(qiáng)排氣效果。（2）制樣。待試樣達(dá)到初期飽和效果后，從抽真空箱中取出試樣備用。本試驗采用水下落砂法進(jìn)行制樣，首先用脫氣水清洗底座并放上透水石與濾紙，然后在底座套入乳膠膜并用橡皮筋捆扎，通過金屬對開膜張開乳膠膜，在張開的乳膠膜中倒入脫氣水至模具一半高度，用小勺將已初期飽和試樣分五層加入模具內(nèi)，并輕敲至預(yù)定高度以獲得目標(biāo)Dr，之后放上濾紙和透水石，施加20 kPa的負(fù)壓使試樣體直立并拆除對開膜，組裝上壓力室，制樣完成。（3）施加反壓與飽和檢測。采用分級施加反壓與圍壓的方法，在分級施加圍壓與反壓時，圍壓與反壓相差20 kPa，每一級之間相差50 kPa，其中每一級停留30 min待圍壓與反壓達(dá)到穩(wěn)定，逐步施加反壓達(dá)到200 kPa超過1 h，進(jìn)行B值檢測。B＞0.95以上可認(rèn)為試樣達(dá)到飽和狀態(tài)。 （4） 固結(jié)。飽和完成后，打開排水閥，在初始有效圍壓σ′c=100 kPa下進(jìn)行各向同性固結(jié)，固結(jié)時間為2 h，當(dāng)反壓體積曲線穩(wěn)定不變時，認(rèn)為試驗固結(jié)完成。（5）施加循環(huán)荷載。初始有效圍壓σ′c保持不變，關(guān)閉排水閥門，采用應(yīng)力控制，施加頻率為0.1 Hz［11，23］的正弦波軸向循環(huán)荷載。循環(huán)應(yīng)力比CSR=σd/2σ′c ，其中σd為動荷載幅值，σ′c 為初始有效圍壓，N為循環(huán)次數(shù)。在試驗期間σd能夠保持穩(wěn)定，液化前后沒有衰減現(xiàn)象，試驗結(jié)果可靠。本試驗過程依據(jù)規(guī)范ASTM D5311［24］。試驗考慮Dr與CSR兩個因素對珊瑚砂液化特性的影響，具體試驗方案列于表2。

1.3 液化破壞判別準(zhǔn)則

不排水循環(huán)三軸測試液化判別存在兩種標(biāo)準(zhǔn)：（1）孔壓液化判別標(biāo)準(zhǔn)。試樣在不排水循環(huán)荷載作用下，超靜孔隙水壓力（Excess Pore Water Pressure，Δu）發(fā)展至σ′c［25］，認(rèn)為試樣初始液化發(fā)生。（2）? 應(yīng)變液化判別標(biāo)準(zhǔn)。試樣在循環(huán)荷載作用下，軸向應(yīng)變（Axial Starin，εa）達(dá)到某一特定值，認(rèn)為試樣初始液化發(fā)生，通常采用雙幅應(yīng)變（Double Amplitude Strain，εDA）達(dá)到5%［26］。本研究主要采用εDA=5%作為液化判別條件。此外，試驗在動荷載作用下發(fā)生液化后，繼續(xù)施加 3～10個循環(huán)應(yīng)力后停止試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 動孔壓

圖3為Chibishi珊瑚砂Δu時程曲線圖。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，試樣的Δu在不排水循環(huán)荷載作用下均沒有達(dá)到初始有效圍壓σ′c=100 kPa，相似的試驗結(jié)果能在Li等［27］的飽和珊瑚砂不排水循環(huán)三軸測試中觀察到。他們解釋該現(xiàn)象的發(fā)生是因為顆粒破碎后顆?？紫秲?nèi)部的非飽和水被釋放，導(dǎo)致Δu未能達(dá)到σ′c。如圖3所示，Δu的發(fā)展曲線可以分為三種增長模式：（1）后期突增模式;（2）前期勻速增長模式;（3）前期突增模式。

圖3（a）、（b）和（c）為后期突增模式中，它們在加載初期，Δu的發(fā)展曲線呈現(xiàn)“直線型”增長，波動形態(tài)保持一致;當(dāng)Δu發(fā)展到70 kPa起，其增長速率會明顯增加，在每一個循環(huán)次數(shù)內(nèi)，曲線開始喪失最初的波形動態(tài)，波峰波谷的振幅以很快的速度偏離中心位置;當(dāng)Δu發(fā)展到90 kPa后，Δu在90 kPa附近保持穩(wěn)定波動。比較圖3（b）和（d），當(dāng)試樣的 Dr從40%增至60%，Δu=90 kPa所需要的循環(huán)次數(shù)（Number of cycles，N）從18次增加到40次。證明在相同水平的CSR條件下，Δu的發(fā)展速率隨著Dr的增加而明顯減緩。

圖3（e）、（g）和（h）為前期勻速增長模式，它們在加載初期，Δu的發(fā)展曲線比第一類曲線更快速增長;Δu增長至90 kPa后，保持在90 kPa上下波動。對比圖3（g）和（h），Dr=80%的Δu發(fā)展曲線中，CSR從0.294增長至0.378，試樣發(fā)展到90 kPa所需要的N從24次減少到8次，證明在相同Dr的條件下Δu的增長速率隨著CSR的增加而增加。觀察圖3（e）和（g），在相似的CSR水平下，試樣的Dr從60%增長至80%，Δu發(fā)展至90 kPa所需要的N從8次增加到24次，證明Δu的增長速率隨著Dr的增加而減少，該發(fā)展規(guī)律與后期突增模式的規(guī)律一致。比較圖3（b）、（d）、（e）、（g）和（h），可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)CSR較小時，Chibishi珊瑚砂Δu的發(fā)展曲線為后期突增模式;但CSR較大時，Chibishi珊瑚砂Δu的發(fā)展曲線為前期勻速增長型模式。表明不同的CSR水平將改變Δu曲線的發(fā)展模式。

圖3（c）、（f）和（i）為前期突增模式，在該增長模式中，Δu曲線在1～2個N后達(dá)到60～70 kPa，隨后增長至90 kPa上下并保持波動，且每一個周期內(nèi)孔壓波動較大。對比圖3（c）、（f）和（i）試樣的Dr從40%增加至80%，相應(yīng)的CSR也增加，但Δu發(fā)展至90 kPa所需要的N保持在2～3次，推斷土體結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞。

2.2 動應(yīng)變

圖4為試樣軸向應(yīng)變εa的時程曲線圖。觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，試樣的εDA均達(dá)到5%的液化條件（如圖4中的紅線所示）。Chibishi珊瑚砂εa的發(fā)展曲線可以分為兩類：（1）單幅應(yīng)變增長模式;（2）總應(yīng)變增長模式。

圖4中（a）、（b）、（c）和（d）為單幅應(yīng)變增長模式。在此模式中隨著循環(huán)荷載的增加，起初εa在橫軸上下穩(wěn)定波動，當(dāng)達(dá)到一定的循環(huán)振次后，εa波動幅值會急劇增加，并伴隨單幅應(yīng)變波動逐漸偏離橫軸，總應(yīng)變繼續(xù)以殘余應(yīng)變形態(tài)發(fā)展;在幾圈循環(huán)振次后，試樣發(fā)生液化。觀察圖4（b）和（d），εa的發(fā)展速率受到Dr的影響，且與Δu的后期突增模式的發(fā)展規(guī)律類似。在相同的CSR水平下，試樣的Dr從40%增至60%時，εa發(fā)展到εDA=5%時所需要循環(huán)次數(shù)N從18次增長至40次。εa的發(fā)展速率也受到CSR的影響。對比圖4（a）和（c），當(dāng)Dr=40%，CSR從0.193增長至0.349，εa發(fā)展到εDA=5%時所需要N從80次減少至4次。

圖4中（e）、（f）、（g）、（h）和（i）為總應(yīng)變增長模式。此種模式與單幅應(yīng)變增長模式相同。試樣在加載初期，εa在橫軸上下穩(wěn)定波動，總應(yīng)變基本不變;在接下來的幾個循環(huán)里，橫軸向下偏移，伴隨總應(yīng)變迅速累計增長，并持續(xù)增大，最終達(dá)到應(yīng)變液化條件。比較圖4（g）和（i），CSR=0.294保持穩(wěn)定波動的N要大于CSR=0.499保持穩(wěn)定波動的N;εa的發(fā)展速率受到CSR的影響，該發(fā)展規(guī)律與單幅應(yīng)變增長模式相同。對比圖4（e）和（g），Dr=60%增長至80%，出現(xiàn)液化所需要的N從14次增長至28次。

比較圖3和圖4，試樣在循環(huán)荷載的作用下Δu達(dá)到90 kPa與εDA=5%所需要的周期數(shù)相近。加載初期，珊瑚砂的有效應(yīng)力來自于顆粒間的互鎖效應(yīng)［11，15］，此時土體內(nèi)部孔壓較小，且增長較為緩慢，土體具有一定的強(qiáng)度，不會發(fā)生較大變形;隨著循環(huán)荷載的作用，孔壓持續(xù)發(fā)展，有效應(yīng)力隨之減小，珊瑚砂顆粒間的互鎖效應(yīng)被破壞，導(dǎo)致土體發(fā)生較大變形，最終發(fā)生液化。Δu與εa的發(fā)展曲線受到Dr和CSR的影響，表現(xiàn)為Dr較小，施加的CSR水平越高，越容易發(fā)生液化。當(dāng)施加的CSR過大時，土體結(jié)構(gòu)有可能因無法承受外荷載發(fā)生破壞。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 孔壓發(fā)展特征

為了進(jìn)一步討論Dr和CSR對Chibihsi珊瑚砂動孔壓的影響。將孔壓比 ru定義為每一循環(huán)周期Δu的峰值與σ′c的比值（ru=Δu/σ′c）。NL代表試樣達(dá)到液化（εDA=5%）時的循環(huán)次數(shù)。圖5給出了ru與歸一化N/NL的關(guān)系。如圖5所示，當(dāng)Δu為后期突增型時，ru曲線的發(fā)展由三個階段組成：第一階段，N/NL=0.2，ru發(fā)展至0.3;第二階段，隨著循環(huán)荷載的作用，ru以“直線型”緩慢發(fā)展至0.7;第三階段，當(dāng)N/NL=0.7～1.0時，ru迅速發(fā)展至0.9。與之相較，當(dāng)試樣Δu是前期均勻增長型和前期突增型，ru曲線的發(fā)展由兩個階段組成，第一階段，N/NL=0.4，ru迅速發(fā)展到0.8;第二階段，隨著循環(huán)荷載的作用，試樣的ru以非常緩慢的速度發(fā)展至0.9。

廣泛使用的Seed孔壓模型可以更好地擬合ru的發(fā)展，如式（1）［28］所示：

式中：θ 是和砂土有關(guān)的擬合參數(shù)。隨后Booker等［29］，將式（1）簡化為式（2）：

式中：θ 的含義與Seed孔壓模型中的θ意義相同。

使用式（2）對Chibishi珊瑚砂ru進(jìn)行擬合［圖6（a）中黑色虛線所示］，其不能較好地描述珊瑚砂的孔壓發(fā)展特征。馬維嘉等［15］根據(jù)不排水循環(huán)三軸試驗條件下珊瑚砂的孔壓發(fā)展特征，在Seed的孔壓模型基礎(chǔ)上提出了 修正Seed模型，如式（3）所示 ：

式中：a、b、θ均為擬合參數(shù)。如圖6（a）中紅色實線所示，其中R2均高于0.95，表明修正Seed模型適合預(yù)測后期突增型的ru曲線。

使用式（3）預(yù)測Chibishi珊瑚砂具有前期均勻增長型和前期突增型特征的ru曲線［如圖6（b）中黑色虛線所示］，可以看到式（3）不能較好地預(yù)測此類ru曲線，因此提出新的預(yù)測模型，如式（4）所示：

式中：a、b均為擬合參數(shù)。其中系數(shù)R2均為0.98，擬合曲線如圖6（b）紅色實線所示。

3.2 軸向應(yīng)變發(fā)展特征

圖7給出了Chibishi砂Dr=40%、Dr=60%和Dr=80%在不同CSR下雙幅應(yīng)變εDA與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線。由圖7可知，εDA的發(fā)展速率隨CSR的增加而增加。觀察圖7（a）Dr=40%的試樣，當(dāng)施加CSR=0.148時，試樣εDA發(fā)展曲線在第0～70次循環(huán)作用保持水平增長，增長速率較為緩慢，在最后7次循環(huán)以極快的速率發(fā)展到5%，有明顯的階段發(fā)展特征。類似的發(fā)展規(guī)律可以在試樣Dr=40%，CSR=0.193和試樣Dr=60%，CSR=0.196里面觀察到。然而，由圖7（c）所示，Dr=80%的試樣，當(dāng)施加的CSR=0.249時，試樣的εDA曲線在0～28次循環(huán)作用內(nèi)以“直線型”發(fā)展到5%，沒有明顯階段性特征出現(xiàn)。當(dāng)Chibishi砂試樣在施加CSR大于0.20時，εDA的增長曲線也有類似的發(fā)展規(guī)律。εDA發(fā)展規(guī)律與南海珊瑚砂相同［15］。

4 動強(qiáng)度特性

4.1 Chibishi珊瑚砂動強(qiáng)度

土的動強(qiáng)度曲線是表征土體液化的重要指標(biāo)。取CSR與NL的關(guān)系作為動強(qiáng)度曲線，其中NL定義為試樣達(dá)到εDA=5%的所需要的循環(huán)次數(shù)?；趫D7，得到各Dr的動強(qiáng)度曲線，并用離散點繪于圖8中。對相同Dr條件下的試樣采用式（5）［30］進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。

CSR=aNbL （5）

式中：a、b均為擬合參數(shù)。從圖8中可以觀 察到，相同Dr條件下，NL隨著CSR的增加而減少，三種Dr試樣的動強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出平行特征。動強(qiáng)度曲線的位置隨著Dr的增加而向上偏移。相同CSR條件下，Dr越大達(dá)到液化所需要的NL越多。同時，相同NL條件下，Dr越大達(dá)到液化所需要的CSR水平越高。表明Chibishi 砂的動強(qiáng)度是隨著Dr的增大而逐漸變大的。

4.2 Chibishi珊瑚砂與不同珊瑚砂抗液化強(qiáng)度

圖9比較了Chibishi珊瑚砂與不同地域珊瑚砂在σ′c=100 kPa及Dr=40%～80%條件下的動強(qiáng)度曲線。由圖9所示，在相同的σ′c下，各珊瑚砂的動強(qiáng)度隨著Dr的增加而增加。整體上Chibishi珊瑚砂的動強(qiáng)度比Dogs Bay珊瑚砂的動強(qiáng)度高，但比Cabo Rojo珊瑚砂的動強(qiáng)度低。當(dāng)Dr=60%時，Chibishi珊瑚砂的動強(qiáng)度接近相同Dr的南海珊瑚砂強(qiáng)度。當(dāng)Dr=40%時，Chibishi珊瑚砂的動強(qiáng)度略低于Dr=45%的Cabo Rojo珊瑚砂。Cabo Rojo珊瑚砂具有最高的動強(qiáng)度。

通常從土體的動強(qiáng)度曲線中定義土體的抗液化強(qiáng)度（Cyclic Resistance Ratio，CRR）。CRR被定義為，一定的循環(huán)次數(shù)N下達(dá)到液化時所需要的CSR，即某NL值所對應(yīng)的CSR值。此時，循環(huán)次數(shù)NL的取值采用擬考慮的震級大小確定的室內(nèi)試驗采用的等效循環(huán)振動次數(shù)（Nf）。例如：對于7.5級地震，Seed等［31］建議采用Nf=15發(fā)生液化時所對應(yīng)的CSR來表征土體的抗液化強(qiáng)度，記作CRR15，如圖9紫色實線所示，而Martin等［32］則表明采用循環(huán)加載Nf=20發(fā)生液化所對應(yīng)的CSR作為土體的CRR，記作CRR20，如圖9綠色實線所示。

表3根據(jù)圖9給出除7.5級地震所對應(yīng)的Nf=15和Nf=20條件下CRR與試樣Dr的關(guān)系，同時給出6級、7級和8級地震分別對應(yīng)的Nf=5，Nf=12，Nf=30［33］時，CRR與試樣Dr的關(guān)系。觀察表3可以發(fā)現(xiàn)，CRR隨著Dr的持續(xù)發(fā)展而發(fā)展。以Chibishi珊瑚砂在里氏7.5級條件下（Nf=15）的CRR與Dr的關(guān)系為例，當(dāng)Dr=40%時，Chibishi珊瑚砂抵抗液化所需要的CRR為0.196。當(dāng)Dr=60%時，Chibishi珊瑚砂抵抗液化所需要的CRR為0.274，增長幅度為39.8%。當(dāng)Dr=80%時，Chibishi珊瑚砂的CRR為0.339，增長幅度為72.69%。相似的變化規(guī)律可以在Nf=5、Nf=12、Nf=20、Nf=30條件下發(fā)現(xiàn)。

圖10根據(jù)表3給出了各Nf條件下，不同珊瑚砂Dr與CRR之間的關(guān)系。從圖中可以看出，珊瑚砂CRR的增長速率隨著Dr的增加而增加。尤其是對于Chibihsi砂而言，當(dāng)Nf=5時，Dr從40%增加到60%，CRR快速增長，增長幅度為60.85%;當(dāng)Dr從60%增長到80%，CRR增長速度減緩，其增長幅度僅為9.8%。表明當(dāng)里氏震級6級時，相對密度Dr超過某一閾值后，珊瑚砂土達(dá)到密實狀態(tài)，抗液化能力增強(qiáng)。此外，如圖10所示，在相同的里氏震級條件下，不同地域的珊瑚砂的抗液化強(qiáng)度存在顯著差異。例如：當(dāng)里氏震級為7.5級時（Nf=15、Nf=20），Cabo Rojo砂的CRR隨Dr增長速率曲線與Dogs Bay砂接近平行，表明Cabo Rojo砂與Dogs Bay砂具有相同的增長速率，但這兩種珊瑚砂的CRR隨Dr增長速率明顯快于Chibishi珊瑚砂與南海珊瑚砂。

圖11根據(jù)表3比較了Chibishi砂、Cabo Rojo砂和南海砂在Dr=40%～60%件下，各Nf對應(yīng)的CRR增長幅度。由圖11所示，珊瑚砂CRR的增長幅度隨著Nf的增加而逐漸變小。例如：當(dāng)Nf=12時，Chibishi砂CRR的增長幅度為39.8%，而Nf=30時，Chibishi珊瑚砂CRR的增長幅度為28.16%。這意味著在強(qiáng)地震作用下珊瑚砂極易發(fā)生液化。此外，相同的Nf條件下不同珊瑚砂的CRR增長幅度并不相同，Cabo Rojo砂的CRR具有最高的增長幅度，其值為80.32%～81.18%。Chibishi珊瑚砂具有第二高的CRR增長幅度，其值為57.58%～73.89%。南海珊瑚砂的CRR增長幅度不明顯。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于珊瑚砂沉積歷史的不同，造成顆粒形狀、顆粒尺寸和內(nèi)部孔隙發(fā)育的不同，最終導(dǎo)致在相同的里氏震級條件下，抵抗液化時的耗能方式不同。Tatsuoka等［34］提出不同的制樣方法將造成土試樣動強(qiáng)度的差異。Asadi等［35］表明密實狀態(tài)的易破碎砂土，選取不同的液化判別標(biāo)準(zhǔn)會對抗液化強(qiáng)度造成影響。

5 結(jié)論

針對沖繩島飽和Chibishi珊瑚砂開展一系列不排水動三軸試驗，研究了Dr和CSR對飽和珊瑚砂的Δu和εa隨N的發(fā)展規(guī)律，分析了Chibishi珊瑚砂的孔壓的發(fā)展特征、軸向應(yīng)變發(fā)展特征和液化特性，并對不同地域珊瑚砂抗液化特性進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

（1） Chibishi砂的Δu發(fā)展模式分為后期突增型、前期均勻增長型和前期突增型。Δu模式與施加在試樣上的CSR大小有關(guān)。

（2） 對Chibishi砂的孔壓比ru曲線特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，后期突增型模式的ru曲線與前期勻速增長型和前期突增型的ru曲線不同。根據(jù)珊瑚砂前期勻速增長型、前期突增型孔壓發(fā)展特征，提出了新的孔壓預(yù)測模型，該模型能更好地描述以上兩種ru曲線特征。而后期突增型的ru曲線采用修正Seed模型可以較好地進(jìn)行預(yù)測。

（3） Chibishi砂的動強(qiáng)度受到Dr和CSR的影響，其中Dr對珊瑚砂的液化發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。動強(qiáng)度CSR隨著Dr的增加而增加。在同一里氏震級等效循環(huán)振動次數(shù)（Nf）下，抗液化強(qiáng)度CRR的增長速率隨著Dr的增長而增長。

（4） 由于各珊瑚砂的沉積歷史不同，導(dǎo)致在同一里氏震級條件下不同珊瑚砂的CRR有顯著差異，主要表現(xiàn)為Cabo Rojo砂和Dogs Bay砂的CRR隨Dr增長速率相同，并且明顯快于Chibishi砂和南海砂。此外，在不同里氏震級條件下，Cabo Rojo砂的CRR增長幅度最大，Chibishi砂次之，南海砂最小。

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