豐土根,張禮明

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098;2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京210098)

0 引 言

地震是嚴重的自然災害,我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一。在近幾年國內(nèi)發(fā)生的幾次強烈地震中,都有砂土的堤壩、土坡、地基的破壞實例[1-2]。地震的大多數(shù)砂土破壞發(fā)生在地震后數(shù)十秒甚至數(shù)小時,其原因是地震作用時引起土層中的孔隙水壓力增長,導致有效應力降低、承載能力下降,剩余強度甚至可降為零。目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)就地震荷載作用下土體動力特性的研究取得了大量成果[3-4]。影響土的動力特性的因素很多,振動頻率就是影響飽和砂土動力特性的重要因素。

國內(nèi)外許多學者對不同地區(qū)砂土的動力特性進行研究,取得了相當進展。Peacock等[5]針對砂土進行的研究結(jié)果顯示:若實驗的振動頻率控制在0.17 Hz～4.00 Hz范圍內(nèi),對單剪實驗的砂土液化強度的影響規(guī)律性不強;顧小蕓[6]進行室內(nèi)動三軸試驗的研究發(fā)現(xiàn)頻率0.1 Hz變?yōu)?.0 Hz的周期荷載對砂土動力特性的影響不大,而郭瑩等[7]則認為液化強度隨著振動頻率的增大而增大。張建民等[8]研究較粗粒徑的飽和標準砂發(fā)現(xiàn)當振動頻率 f=1 Hz～20 Hz時振動頻率的大小對砂土液化沒有影響。

王星華等[9-10]采用北京新技術(shù)研究所研制的DDS-70微機控制動三軸儀研究洞庭湖區(qū)砂土發(fā)現(xiàn)動荷載的振動頻率小于10 Hz時,振動頻率對砂土液化的極限強度影響不大,并將孔隙水壓力與應變、應力路徑相聯(lián)系,總結(jié)了各種因素對砂土液化中孔隙水壓力發(fā)展的影響。各種其它文獻[11-13]也不同程度的提出了這個影響因素的作用效應,并對其進行評價。

上述針對砂土進行研究的振動頻率基本都在1.0 Hz以上,而對低于1.0 Hz的研究較少。本文采用北京新技術(shù)研究所研制的DDS-70微機控制動三軸儀對相對密度為30%的飽和松砂,來探討振動頻率為0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz時對飽和砂土的動力特性的影響。

1 試驗設(shè)備、材料及方法

1.1 試驗設(shè)備

本次試驗設(shè)備為DDS-70微機控制電磁式振動三軸試驗系統(tǒng),可做砂土和粉土的液化試驗和各種土的動彈模、動強度及阻尼特性試驗,配上電控閥,還可做循環(huán)荷載試驗。此儀器適用直徑39.1 mm,高80 mm的圓柱體試樣,具有自動采集數(shù)據(jù)和處理功能。

1.2 試驗材料

試驗材料采用福建標準砂,制備試樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm。其材料特性:顆粒比重為GS=2.643;最大與最小干密度分別為 ρdmax=1.74 g/cm3,ρdmin=1.43 g/cm3;最大與最小孔隙比分別為emax=0.848,emin=0.519;粒徑組成特性參數(shù)d50=0.34 mm,Cu=1.542,Cc=1.104。級配曲線如圖1所示。

1.3 試驗方案

試驗中控制三向均等初始固結(jié)條件,周圍壓力σ3c=100 kPa。試樣在 σ3c下固結(jié)排水,當試樣固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥,然后施加循環(huán)應力σd直至試樣液化破壞。方案設(shè)置見表1。

圖1 級配曲線

表1 試驗方案設(shè)置

1.4 破壞標準

破壞標準分為孔壓破壞標準和應變破壞標準,本文取孔壓破壞標準,把試樣孔壓接近固結(jié)壓力并不再上升時的孔壓作為破壞孔壓,其相對應的振次為破壞振次Nf。

2 試驗結(jié)果及分析

采用較粗粒徑的飽和標準砂,相對密實度為30%,在振動頻率為 0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz,固結(jié)壓力 σ3c=100 kPa,進行了固結(jié)不排水振動三軸試驗。

2.1 振動頻率對動強度特性的影響

土的動強度通常定義為一定振動次數(shù)(或一定振動應力幅值)條件下使土體達到某一破壞標準所需的動應力幅值(或振動次數(shù))[14]。不同振動頻率下液化強度與破壞振次的關(guān)系如圖2所示。由試驗結(jié)果可知:在相同圍壓且均壓固結(jié)條件下,飽和松砂的液化強度隨著振動頻率的增加而增加。這與文獻[5]試驗的振動頻率控制在0.17 Hz～4.00 Hz范圍內(nèi),對單剪實驗的砂土液化強度的影響規(guī)律性不強有差別 ,但與郭瑩等[7]在 0.05 Hz、0.10 Hz、1.00 Hz振動頻率范圍內(nèi),飽和松砂的液化強度均隨著振動頻率的增大而增大相類似。各個振動頻率下飽和松砂的動強度均隨振動次數(shù)的增大而減小。

圖2 破壞振次 Nf和動剪應力τd的關(guān)系曲線

相對密實度為30%的飽和松砂,在破壞振次分別為20次和30次、振動頻率分別為0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz,以及在不同圍壓條件下均壓固結(jié)的液化強度試驗結(jié)果如表2所示。

表2 均壓固結(jié)下松砂的液化強度

2.2 振動頻率對動孔壓特性的影響

試驗控制軸向動應力 σd=50.0 kPa,探討不同振動頻率對動孔壓變化規(guī)律的影響,得到不同振動頻率下振次N和動孔壓ud的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,在軸向動應力、圍壓一定且均壓固結(jié)條件下,頻率對飽和松砂循環(huán)峰值孔壓均具有顯著影響,達到同一峰值孔壓的水平,頻率越高,所需要的振次越多;對于不同頻率,動孔壓最后時刻不再增大,保持平穩(wěn),以平穩(wěn)段開始所對應的振次N為破壞振次Nf,振動頻率為0.05 Hz、0.1 Hz 、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz的 Nf分別為 18、27、34、42、48 次。

2.3 振動頻率對動軸向應變特性的影響

試驗控制軸向動應力 σd=50.0 kPa,來探討不同振動頻率對動軸向應變的變化規(guī)律的影響。得到不同振動頻率下振次N和動軸向應變εz的關(guān)系如圖4所示,由圖4可知,在軸向動應力、圍壓一定且均壓固結(jié)條件下,頻率對飽和松砂動軸向應變有顯著影響。動軸向應變都是在某一振次Np下突變,當振次N小于Np時,應變的發(fā)展很緩慢,但當N大于Np時,應變的發(fā)展加快,直到破壞應變。隨著振動頻率f的增大,Np的數(shù)值也在增大,最終破壞的振次Nf也在增大。

圖3 振次N和動孔壓ud的關(guān)系曲線

圖4 振次 N和動軸向應變εz的關(guān)系曲線

2.4 動孔壓與動軸向應變之間的關(guān)系

圖5 為本文試驗條件下動孔壓與動軸向應變關(guān)系曲線。從圖5中可知,曲線開始,隨著振次的增加,動孔隙水壓力的增長很快,動軸向應變的增長緩慢,而在后期,動軸向應變的增長很快,動孔隙水壓力的增長趨于平緩,基本不再增大,王星華等[9]稱這種狀態(tài)為動穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。這說明前后的軸向應變引起的體應變不同,開始階段軸向應變與體應變緊密聯(lián)系,而后期軸向應變主要是由于某一區(qū)域液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形,此時,試件的體應變增加并不多。這說明動孔隙水壓力與動軸向應變之間有著一定的關(guān)系,但變化發(fā)展的方向是不一致的。

由于動孔隙水壓力增長不到圍壓水平,基本在95 kPa后不再增長,以此不再上升的動孔壓為破壞孔壓,破壞動孔壓所對應的動軸向應變?nèi)绫?所示。由表3可知,隨著振動頻率的增大,飽和松砂達到破壞動孔壓時,所對應的動軸向應變是逐漸變小的。

圖5 動孔壓ud和動軸向應變εz的關(guān)系曲線

表3 破壞動孔壓及對應的動軸向應變

2.5 振動時間與各動力特性的關(guān)系

圖6為動剪應力 τd與試樣達到液化破壞時所需的時間tf的關(guān)系曲線,從圖6可以看出,在其它條件相同情況下,振動頻率越高,達到液化所需要的振動時間急劇減少,說明低頻長振動時間和高頻短振動時間都可以使砂土產(chǎn)生液化。

圖6 破壞時間 tf和動剪應力τd的關(guān)系曲線

圖7 和圖8分別是振動時間 t與動軸向應變εz、動孔壓ud的關(guān)系曲線。從圖中可以看出達到峰值孔壓或軸向應變?yōu)?%時,振動頻率大的所需時間少,隨著振動頻率的減小,所需的時間急劇增多。圖7的實際意義是,振動持續(xù)時間一定時,較高頻率比較低頻率的動荷載作用下導致飽和砂土發(fā)生過量變形而破壞的可能性顯著增大。圖8的實際意義是動荷載的振動頻率較低時,引起某一較大孔壓水平所需振動時間較長,則動荷載所引起的孔壓還可能發(fā)生消散而有所降低,甚至對土體的破壞很小。如果動荷載的振動頻率較高,則孔隙水壓力發(fā)展迅速且不能及時消散,可能導致飽和砂土的動強度急劇下降,最終導致土體動力失穩(wěn)。所以在實際工程中,對于較高頻率的動荷載引起的作用應予以特別注意。

圖7 振動時間 t和動軸向應變εz的關(guān)系曲線

圖8 振動時間 t和動孔壓ud的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文采用DDS-70微機控制電磁式振動三軸儀,在均等固結(jié)條件下進行了不同振動頻率對飽和砂土動力特性影響的循環(huán)三軸試驗,本次試驗研究表明:

(1)在相同圍壓且均壓固結(jié)條件下,隨著振動頻率的增加,飽和砂土的動強度逐漸增大,而各個振動頻率下飽和松砂的動強度均隨振動次數(shù)的增大而減小。

(2)在軸向動應力、圍壓一定且均壓固結(jié)條件下,動孔壓隨著振動頻率的增加,達到峰值動孔壓所需的振次增多,各個振動頻率達到峰值動孔壓后隨著振動次數(shù)的增加動孔壓基本不再變化。

(3)在其他條件相同情況下,動軸向應變隨著振動頻率的增加,達到5%的應變所需的振次增多;動軸向應變與動孔壓之間存在一定的關(guān)系,但各自的變化發(fā)展方向不是一致的。

(4)在其他條件相同情況下下,振動頻率越高,達到液化所需要的振動時間急劇減少,較高頻率比較低頻率的動荷載作用更能迅速地使飽和砂土達到某一變形、孔壓和強度發(fā)揮水平,也使飽和砂土產(chǎn)生液化的可能性顯著增大。

[1]曹振中.汶川地震液化特征及砂礫土液化預測方法研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所,2010:1-14.

[2]李兆焱.基于巴楚地震調(diào)查的液化判別方法研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所,2012:1-24.

[3]豐土根.飽和砂土不排水動力特性及多機構(gòu)邊界面塑性模型研究[D].南京:河海大學,2002:25-71.

[4]Bhatia S K,Soliman A F.Frequency distribution of void ratio of granular materials determined by an image analyzer[J].Soils and Foundations,1990,30(1):l-16.

[5]Peacock W H,Seed H B.Sand liquefaction under cyclic loading simple shear conditions[J].Journal of the Soi1 Mechanics and Foundations Division,ASCE,1968,94(SM3):689-708.

[6]顧小蕓.海洋工程地質(zhì)的回顧與展望[J].工程地質(zhì)學報,2000,8(1):40-45.

[7]郭 瑩,賀 林.振動頻率對飽和砂土液化強度的影響[J].防災減災工程學報,2009,29(6):618-623.

[8]張建民,王穩(wěn)祥.振動頻率對飽和砂土動力特性的影響[J].巖土工程學報,1990,12(1):89-97.

[9]王星華,周海林.砂土液化動穩(wěn)態(tài)強度分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(1):96-102.

[10]周海林,王星華.動三軸實驗中的飽和砂土孔隙水壓力分析[J].鐵道學報,2002,22(1):93-98.

[11]郭 文,李 強,王汝恒.振動頻率對飽和砂卵石土動模量和動阻尼比影響的試驗研究[J].四川建筑科學研究,2007,33(6):113-115.

[12]張建民,魏剛文.振動頻率對飽和砂土動有效抗剪強度指標的影響[J].陜西機械學院學報,1989,5(4):339-348.

[13]林 奇.振動頻率對土動力特性影響的試驗研究[D].上海:上海交通大學,2011:13-70.

[14]邵生俊,謝定義.飽和砂土動力學基本特性及其應用途徑的研究[J].西安理工大學報,1999,15(3):34-38.