王艷麗,饒錫保,潘家軍,王 勇

(1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,武漢 430010; 2.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092; 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室,武漢 430071)

細粒含量對飽和砂土動孔壓演化特性的影響

王艷麗1,2,饒錫保1,潘家軍1,王 勇3

(1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,武漢 430010; 2.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092; 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室,武漢 430071)

利用GDS循環(huán)三軸儀,對不同細粒含量砂土進行了不排水動三軸液化試驗,并基于Seed孔壓應(yīng)力模型,研究了細粒含量對液化進程中動孔壓演化特性的影響。研究結(jié)果表明：細粒含量對砂土孔壓發(fā)展影響較大,其影響主要體現(xiàn)在孔壓發(fā)展模式參數(shù)θ的不同。含細粒砂土中細粒含量與孔壓參數(shù)θ的關(guān)系不是呈單調(diào)的線性關(guān)系。參數(shù)θ先隨著細粒含量的增加而減小,并在細粒含量為30%時達到最小值,之后隨著細粒含量的增加又逐漸增加,不同的是參數(shù)θ在細粒含量超過30%后,其增加的趨勢相對平緩。通過對不同細粒含量砂土動孔壓演化特性試驗研究,更進一步證明了臨界含量的存在,試驗所用的含細粒砂土,臨界細粒含量在30%左右。

細粒含量;飽和砂土;動孔壓;動三軸試驗

土體在振動作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力是影響其抗震穩(wěn)定性的重要因素,土體的液化是在一定條件下由于荷載作用導(dǎo)致孔隙水壓力增長的結(jié)果,探討土體的液化機理可以從研究土體中孔隙水壓力增長的機理入手[1]。動荷載作用下孔隙水壓力的變化是改變土體強度、引起土體變形的根本原因,也是應(yīng)用有效應(yīng)力法分析土體穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素。已有學(xué)者對飽和砂土的動孔壓演化規(guī)律進行了研究,得到了許多有用的研究成果[2-6],這些對飽和砂土動孔壓演化特性的研究中,采用較多的是均一的純凈砂。事實上,自然界廣泛分布著含有細顆粒的砂性土或砂質(zhì)粉土等砂粉混合物。Baziar和Dobry(1991)[7]也指出在自然界中均質(zhì)砂并不多見,且易產(chǎn)生流滑現(xiàn)象的多是沖填沉積砂土或填筑砂土,它們在顆粒組成上與純凈砂明顯不同,均為含一定細粒的砂土。

細粒含量的影響研究可追溯到砂土中細粒含量對動強度的影響研究上,此后細粒含量對地基液化的影響逐漸引起學(xué)術(shù)界和工程界的重視。國內(nèi)外國相繼開展了細粒含量的影響研究,研究重點是細粒含量對動強度的影響[8],并取得了大量的研究成果[9-15],而針對細粒含量對砂土動孔壓的影響研究方面則開展相對較少,定量的研究幾乎鮮有報道。本文利用GDS循環(huán)三軸儀,對不同細粒含量砂土進行了不排水動三軸液化試驗,并基于Seed孔壓應(yīng)力模型,研究細粒含量對液化進程中動孔壓演化特性的影響。同時建立不同細粒含量影響的孔壓應(yīng)力發(fā)展模式,并對細粒含量對動孔壓影響的機理進行了解釋,研究結(jié)果可為估計同一地區(qū)不同細粒含量砂土的動孔壓發(fā)展提供一定依據(jù)。

1 試驗儀器試樣制備、試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗儀器采用同濟大學(xué)巖土與地下工程教育部重點實驗室的GDS循環(huán)三軸儀。它是由英國GDS公司研制生產(chǎn)的高精度三軸儀,利用高速直流伺服馬達施加動荷載(軸向),根據(jù)電子荷重傳感器和位移傳感器的反饋對荷載和變形的大小進行計算機控制,其基本功能包括：1)可在5 Hz范圍內(nèi)進行單向軸壓的循環(huán)加載;2)可在5 H z范圍內(nèi)對試樣施加循環(huán)的軸向變形;3)可進行常規(guī)的三軸試驗,包括拉伸和壓縮試驗,應(yīng)力控制和應(yīng)變控制;其主要參數(shù)：1)最大軸力：7 kN;2)最大圍壓：1 700 kPa;3)試樣直徑：39.1 mm、50mm、70mm、100 mm;4)加載頻率：0～5 H z。該儀器由以下幾部分組成：制動單元、三軸壓力室和平衡器、圍壓控制器、反壓控制器、信號控制器、高速數(shù)據(jù)采集和控制卡(HSDAC卡)。

1.2 試樣制備

制備試樣前對所需使用的砂粒和細粒預(yù)先進行了分選,土樣經(jīng)風(fēng)干后過0.25mm篩,然后在水中用0.075 mm篩子進行洗篩,選取0.075 mm篩上的砂樣,其粒徑在0.075～0.25mm范圍內(nèi)作為骨架砂;將0.075 mm篩下的水溶液靜置,待細顆粒沉淀,水變清后,倒出清水。晾干細顆粒土樣即為小于0.075 mm的細粒,用碎土器磨碎土樣,烘干。試驗所用的砂樣由砂粒與細粒按照不同比例重新配制而成,摻入的細粒含量FC(占試樣總質(zhì)量)分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%。試驗砂樣按同一個干密度制樣,制樣的干密度應(yīng)在最大干密度的極小值與最小干密度的極大值之間,本文試驗確定砂土的干密度為1.40 g/cm3。此時不同細粒含量砂土的相對密實度在0.29～0.71之間,屬疏松到中密狀態(tài)。表1為不同細粒含量砂樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

制樣時,控制配土試樣的干密度1.40 g/cm3,根據(jù)試樣體積得到配土樣的質(zhì)量,按配土中的細粒含量分別計算出該配制土樣中砂粒和細粒的質(zhì)量,然后稱取每個標(biāo)準(zhǔn)試樣所需的砂粒和細粒的質(zhì)量,秤好后,充分混合、拌勻,加入適量的無氣水,控制含水率在8%左右。將一定質(zhì)量的水和土充分攪拌均勻后,在密封塑料袋內(nèi)靜置過夜,再取袋內(nèi)不同位置處的砂土測試其含水量,其差值不應(yīng)超過1%。

試驗采用直徑為39.1 mm,高度為80 mm的重塑土樣。重塑土樣的制備采用多層濕搗法,分5層搗實。根據(jù)土樣的干密度及預(yù)先設(shè)計的含水率確定每層土樣的重量,擊實到相應(yīng)高度,各層接觸面刮毛,以保證上下層接觸良好。

1.3 試驗方法

土樣制備完成后,放入飽和器內(nèi)抽真空飽和,砂樣經(jīng)真空飽和后,需經(jīng)凍結(jié)才能裝樣。凍樣裝入三軸室后在小側(cè)壓(20 kPa)下化凍并通脫氣水,按照操作規(guī)程進行試驗操作,當(dāng)孔壓系數(shù)B大于0.95時,可認為試樣滿足飽和度要求,然后進入固結(jié)階段,所有試樣均在固結(jié)圍壓100 kPa作用下進行排水固結(jié),當(dāng)試樣的體變在5 m in之內(nèi)不再增加時認為達到了等壓固結(jié)標(biāo)準(zhǔn),固結(jié)完成后即施加循環(huán)荷載,振動波形為正弦波、振動頻率1 H z,試驗的液化標(biāo)準(zhǔn)有2種：1)孔壓標(biāo)準(zhǔn),即孔壓等于圍壓認為試樣破壞。2)變形標(biāo)準(zhǔn),即根據(jù)工程的重要性和經(jīng)驗選定雙向振幅應(yīng)變值εd=5%為初始液化標(biāo)準(zhǔn)[16]。試驗中采用雙重固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)：即孔壓標(biāo)準(zhǔn)(ud=σ′0)和變形標(biāo)準(zhǔn)(εd=5%)。

表1 不同細粒含量砂樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 細粒含量對動孔壓的影響

圖1給出了部分細粒含量試樣孔壓發(fā)展全過程的對比圖。由圖1可知,在振次比一定的情況下,不同細粒含量砂土孔壓比增長量不同,在振動的初始階段,孔隙水壓力迅速升高,且隨著細粒含量的增加,砂土孔壓比的增長量呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。在細粒含量為30%時,孔壓比的增長量最小。當(dāng)N/Nf達到0.2左右時,孔壓的增加趨緩;當(dāng)N/Nf達到0.8左右時,孔壓比又開始快速增加;直到N/Nf為1時,孔壓接近達到圍壓時,砂土發(fā)生液化。不同細粒含量砂土的動孔壓增長模式可用Seed提出的動孔壓發(fā)展模式(1)來表示,區(qū)別是不同細粒含量的影響體現(xiàn)在系數(shù)值的不同。

圖1 不同細粒含量砂土動孔壓的發(fā)展曲線

式中：θ為試驗常數(shù),取決于土類和試驗條件,而與動應(yīng)力和固結(jié)圍壓的大小無關(guān)。

2.2 細粒含量對試驗參數(shù)的影響分析

圖2(a)-(f)給出了歸一化處理后部分細粒含量砂土的動孔壓發(fā)展試驗曲線與Seed擬合曲線,試驗常數(shù)θ值列于表2。其擬合關(guān)系分別表示為：

當(dāng)FC=5%時：

表2 細粒含量與參數(shù)θ的關(guān)系

圖2 不同細粒含量砂土u d/σc′與N/N f的關(guān)系

由表2可知,參數(shù)θ先隨著細粒含量的增加而減小,并在細粒含量為30%時達到最小值,之后隨著細粒含量的增加又逐漸增加,不同的是參數(shù)θ在細粒含量超過30%后,其增加的趨勢相對平緩。參數(shù)θ隨細粒含量的變化關(guān)系見圖3。

由以上分析可知,細粒含量對砂土動孔壓的影響不是單調(diào)變化的,而是存在一個界限含量,使含細粒砂土的動孔壓在界限含量前后的變化規(guī)律呈相反的變化趨勢。對本次試驗所用的含細粒砂土,臨界細粒含量在30%左右。

3 細粒含量對砂土動孔壓影響的機理研究

細粒含量對砂土動孔壓的影響仍可從含細粒砂土的微觀結(jié)構(gòu)特征去解釋。按顆粒大小不同,含細粒砂土中的顆粒可分為2種粒組,分別為粗粒組和細粒組。在FC＜30%的情況下,含細粒砂土的動力特性由粗粒組決定,當(dāng)細粒含量逐漸增加時,粗粒之間形成的骨架孔隙比(粒間孔隙比)es逐漸變大,隨著骨架孔隙比(粒間孔隙比)es的增大,砂土的振動孔壓更易消散,發(fā)展的較慢,這是導(dǎo)致相同振次比作用下,含細粒砂土動孔壓逐漸降低的原因。在FC＞30%的情況下,當(dāng)細顆粒再進一步增加時,砂土的動力特性主要由細粒決定,而細粒之間形成的骨架孔隙比(細粒間孔隙比)ef則隨著細粒含量的增加而逐漸減小,隨著骨架孔隙比(細粒間孔隙比)ef的減小,相同振次比作用下,砂土的振動孔壓不易消散,因而發(fā)展較快,從而導(dǎo)致振次比相同的情況下,含細粒砂土的振動孔壓又隨細粒含量的增多呈逐漸變大的趨勢。

圖3 參數(shù)θ隨細粒含量的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

利用GDS循環(huán)三軸儀,進行了不同細粒含量砂土不排水動三軸液化試驗,并基于Seed孔壓應(yīng)力模型,研究了細粒含量對液化進程中動孔壓演化特性的影響。主要得出以下幾點結(jié)論：

1)細粒含量對砂土動孔壓發(fā)展的影響較大。其影響不是隨著細粒含量的變化呈單調(diào)變化的趨勢,在振次比一定的情況下,不同細粒含量砂土孔壓比增長量不同,隨著細粒含量的增加,砂土孔壓比的增長量呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢,這種趨勢在振動的初始階段尤為明顯。

2)采用Seed孔壓應(yīng)力模型進行分析時,細粒含量的變化對砂土動孔壓的影響主要體現(xiàn)在參數(shù)θ值的不同,參數(shù)θ先隨著細粒含量的增加而減小,并在細粒含量為30%時達到最小值,之后隨著細粒含量的增加又逐漸增加,不同的是參數(shù)θ在細粒含量超過30%后,其增加的趨勢相對平緩。

3)通過對不同細粒含量砂土動孔壓演化特性試驗研究,更進一步證明了臨界含量的存在,本次試驗所用的含細粒砂土,臨界細粒含量在30%左右。

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(編輯 王秀玲)

Effects of Fines Content on Evolutionary Characteristics of Dynamic PoreWater Pressure of Saturated Sands

WANGYan-li1,2,RAOXi-bao1,PANJia-jun1,WANGYong3

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,W uhan 430010,P.R.China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tong ji University,Shanghai 200092,P.R.China;3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and SoilMechanics,Chinese Academy of Sciences,W uhan 430071,P.R.China)

W ith the GDS dynamic triaxial system,undrained dynam ic triaxial tests on the saturated sand with different fines contentare performed,and the effectsof fines contenton evolutionary characteristics of dynam ic porew ater p ressure of saturated sands in the p rocess of liquefaction are analyzed based on Seed pore water pressure stressm odel.It is found that fines content has great effect on the dynamic porewater pressure of saturated sands by the parameterθfor Seed model.The relationship between parameterθand fines content isn't linear.Param eterθdecreasesw ith the increase of fines contentat first,and then reaches its smallest value when the critical value of fines content is 30%.A fter that,parameterθincreases gradually with the rise of fines content.According to the experimental study on effects of fines content on evolutionary characteristicsof dynam ic porewater pressureof saturated sands,theexistence of critical fines contentw ith 30%is further proved in the sandy soilused in the test.

fines content;saturated sands;dynamic porewater p ressure;dynamic triaxial test

TU435

A

1674-4764(2011)03-0052-05

2010-12-20

國家“十一五”科技支撐項目(2008BAB29B02);長江科學(xué)院中央級公益科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(CKSF2010016)

王艷麗(1981-),女,博士,主要從事巖石滲流力學(xué)與土動力學(xué)方面的研究,(E-mail)wy ldhh@126.com。