孟凡麗，呂　筱，來淑娜

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014;2．杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心, 浙江 杭州 310016)

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循環(huán)荷載下杭州粉砂土動孔壓模型研究

孟凡麗1，呂筱1，來淑娜2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014;2．杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心, 浙江 杭州 310016)

摘要：通過杭州典型粉砂土的固結(jié)不排水動三軸試驗，研究了不同圍壓、頻率和固結(jié)比條件下的循環(huán)荷載對杭州粉砂土動孔壓增長的影響，分析了在不同頻率、不同固結(jié)比、不同圍壓作用下，杭州粉砂土的孔隙水壓力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)固結(jié)比對孔壓增長影響顯著；同時通過對張模型、改進(jìn)的張模型和雙曲線模型進(jìn)行對比，總結(jié)出分段式孔壓增長模型，上升段用雙曲線模型進(jìn)行擬合，穩(wěn)定段選用線性模型，構(gòu)建了適合杭州粉砂土孔壓發(fā)展的模型，并明確提出了相應(yīng)條件下的模型對應(yīng)參數(shù)值.

關(guān)鍵詞：粉砂土；動孔壓；孔壓模型

對于飽和粉砂土的孔隙水壓力模型的研究并不是很多，目前的研究還主要集中在飽和粉土的孔壓模型，如曾長女，劉漢龍等[1]針對重塑的飽和粉土孔壓變化規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究，找尋動孔壓增長的影響因素；宮全美,廖彩鳳等[2]研究了地鐵荷載作用下南京地區(qū)飽和粉土孔隙水壓力變化情況，并建立了對應(yīng)的動孔壓計算模型，為后續(xù)研究提供了參照；于濂洪[3]、孟凡麗[4]、朱小可[5]和劉延志[6]等也針對粉土的動力特性進(jìn)行了對應(yīng)研究.但因為粉砂土比粉土多了砂粒的成分，在循環(huán)動荷載作用下與粉土的動力特性會有不同的表現(xiàn)，因此要對循環(huán)動荷載下飽和粉砂土的孔隙水壓力變化進(jìn)行深入研究，并建立起與杭州粉砂土動孔壓增長相匹配的對應(yīng)模型.

1試驗條件

本試驗土料采用了杭州市濱江區(qū)江陵路地鐵站位置對應(yīng)土層的飽和粉砂土，試驗用土料顆粒分析試驗結(jié)果見表1，土料對應(yīng)的場地土天然狀態(tài)的物理性指標(biāo)如下：含水率26.6%，重度19.09 N/m3，比重2.7 g/cm3，干密度1.508 g/cm3，飽和度95.84%，孔隙比0.756，塑性指數(shù)7.5，液限14.65%.

表1　土樣顆粒組成

試驗用重塑試樣采用39.1 mm×80 mm的圓柱體，根據(jù)原狀土的干密度及含水率，確定土樣控制干密度為1.508 g/cm3，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》的分層擊實法配制.

本試驗是為了研究在不同應(yīng)力條件下，循環(huán)動荷載作用對杭州粉砂土動力響應(yīng)的影響，因此試驗設(shè)定試驗應(yīng)力條件為：圍壓100，150，200 kPa；固結(jié)比取1.0，1.5，2.0；正弦波形態(tài)動荷載頻率分別為0.5，1.0，2.0 Hz.試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)的判定，由于不同的固結(jié)比下，試樣液化破壞時能達(dá)到的最大孔壓并不是都能達(dá)到圍壓值，所以針對本試驗選擇試樣動應(yīng)變達(dá)到5%為動態(tài)破壞標(biāo)準(zhǔn)，破壞振次為f，Nf對應(yīng)的最大動孔壓為破壞動孔壓.

2動孔壓的試驗結(jié)果

飽和粉砂土在動荷載作用下會產(chǎn)生液化，土體產(chǎn)生液化過程中，其強度變化主要由孔隙水壓力的發(fā)展情況決定，而在動荷載作用下孔壓的發(fā)展?fàn)顩r和土樣的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，也就是試驗時固結(jié)比、圍壓和振動頻率變化會影響孔壓的發(fā)展[7].

本試驗在固結(jié)比為1.0、圍壓為100 kPa時，土樣在不同振動頻率作用下的孔壓時程曲線如圖1所示.從圖1中顯示：當(dāng)振動頻率為0.5 Hz時，孔壓增長速度最慢；而振動頻率為2.0 Hz時，孔壓增長最快，這個結(jié)果顯示，試驗的振動頻率不同時，動孔壓的時程曲線有明顯的不同，無論從形態(tài)還是時間上，當(dāng)頻率較大時孔壓上升速度明顯加快，曲線斜率較大，頻率小時孔壓上升速度較緩慢，曲線斜率也較小，這說明頻率變化明顯影響孔壓的時程發(fā)展.

圖1　孔壓時程曲線Fig.1　The time history curves of pore water pressure

本試驗土樣不同應(yīng)力狀態(tài)下的歸一化孔壓發(fā)展曲線顯示，飽和粉砂土在不同應(yīng)力條件下的動孔壓增長趨勢基本相同，主要表現(xiàn)在初期穩(wěn)步上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定孔壓比后，孔壓增速明顯減緩，最終趨向于一個穩(wěn)定值；在一定的固結(jié)比、圍壓作用下，頻率變化對該飽和粉砂土的孔壓比與振次比發(fā)展規(guī)律影響不大，孔壓發(fā)展曲線的趨勢基本相同，且最終孔壓都能夠接近或達(dá)到某個特定值(圖2)；在一定振動頻率1.0 Hz作用下土樣的動孔壓比歸一化曲線(圖3)顯示，固結(jié)比對孔壓發(fā)展影響顯著，固結(jié)比越大對應(yīng)的孔壓比會越低，而圍壓的變化也明顯影響孔壓的發(fā)展趨勢，并且這個影響與固結(jié)比密切相關(guān).

圖2　不同振動頻率的孔壓與振次歸一化曲線Fig.2　The normalized curve of pore pressure and vibration under different vibration frequency

圖3　不同固結(jié)比和圍壓的孔壓于振次比歸一化曲線Fig.3　The normalized curve of pore pressure and vibration under different consolidation ratio and confining pressure

3動孔壓的發(fā)展及孔壓上升模型的建立

3.1　孔壓增長模型的驗證和比較

表2　模型擬合對比分析

續(xù)表2

由表2可以看出：該飽和粉砂土試樣在不同固比條件下孔壓增長模型表現(xiàn)出不同的特征：首先試樣破壞時達(dá)到的極限孔壓比是隨著荷載頻率的增大而減小的，當(dāng)同一固結(jié)比條件下圍壓較大時，孔壓比會相對較高,而當(dāng)固結(jié)比加大時，孔壓變化更顯著；其次，在等壓固結(jié)條件下，用這3個模型對孔壓發(fā)展進(jìn)行模擬，在后期孔壓進(jìn)入穩(wěn)定階段時都不能很好地擬合，究其原因是孔壓發(fā)展曲線在中后期有明顯的拐點.

3.2　孔壓增長模型的改進(jìn)

通過對各組不同應(yīng)力條件下的試驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，孔壓增長的趨勢呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，但當(dāng)固結(jié)比不同時，孔壓增長曲線出現(xiàn)拐點的位置會有明顯的不同.因此在對這次研究的飽和粉砂土的孔壓上升模型的建立的過程中，重點考慮了這個明顯拐點的作用.在不同的固結(jié)比條件下，對已有模型進(jìn)行改進(jìn)，在孔壓增長曲線在出現(xiàn)拐點的位置的進(jìn)行分段，找出不同固結(jié)比條件下的拐點對應(yīng)的振次比的值，并依此對曲線分段：當(dāng)Kc=1.0時，N/Nf≤0.8，孔壓穩(wěn)步上升，N/Nf>0.8，孔壓增長逐步趨向穩(wěn)定；若Kc=1.5，在N/Nf≤0.9區(qū)段內(nèi)，孔壓持續(xù)增長，至N/Nf>0.9，孔壓則趨向穩(wěn)定；而Kc=2.0時，孔壓單向增長.因此，確定孔壓增長模型采用分段式，曲線第一階段上升段用雙曲線模型進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為

(1)

曲線的第二階段穩(wěn)定段采用線性等比例模型來估計孔壓比的值，其表達(dá)式為

(2)

用這個分段式模型，構(gòu)建杭州飽和粉砂土的孔壓增長模型，依照不同固結(jié)比和圍壓下不同頻率動荷載作用下的孔壓增長曲線，其模型參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)詳見表3，以f=1.0Hz為例給出擬合雙曲線圖4，5.

表3　孔壓模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

圖4　Kc=1.0雙曲線擬合曲線Fig.4　Kc=1.0 hyperbolic model

圖5　Kc=1.5雙曲線擬合曲線Fig.5　Kc=1.5 hyperbolic model

4結(jié)論

杭州飽和粉砂土在循環(huán)動荷載作用下破壞時所能達(dá)到的極限孔壓比的值，是由固結(jié)比的大小決定，當(dāng)固結(jié)比較大是，孔壓上升會明顯受到抑致兩者呈現(xiàn)反比例關(guān)系；在相同固結(jié)比條件下，振動頻率的增大，孔壓比會相對減小，但圍壓增加時，孔壓比的值則會相應(yīng)提高；試驗結(jié)果顯示，固結(jié)比、圍壓和振動頻率都和土樣的孔壓發(fā)展密切相關(guān).通過對張建民A型、改進(jìn)的張建民A型和雙曲線3種模型曲線的比較分析發(fā)現(xiàn)，無論是雙曲線模型還是改進(jìn)的張建民A型曲線模型對孔壓發(fā)展進(jìn)行模擬，在曲線的第二階段孔壓進(jìn)入穩(wěn)定時都不能很好地擬合，究其原因是孔壓發(fā)展曲線在中后期有明顯的拐點存在.根據(jù)杭州這個飽和粉土孔壓增長的規(guī)律，構(gòu)建了新的分段式孔壓增長模型，對曲線上升段用雙曲線模型進(jìn)行擬合，穩(wěn)定段選用線性模型確定孔壓比的值，這里重點考慮了不同固結(jié)比影響下模型曲線拐點處的破壞振次比的準(zhǔn)確定位，當(dāng)Kc=1.0時，N/Nf為0.8，；當(dāng)Kc=1.5時，N/Nf為0.9；當(dāng)Kc=2.0時，無明顯拐點存在.

參考文獻(xiàn)：

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[2]宮全美，廖彩鳳，周順華，等．地鐵行車荷載作用下地基土動孔隙水壓力實驗研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(5)：1154-1157．

[3]于濂洪，王波．飽和粉土振動孔隙水壓力的試驗研究[J]．大連大學(xué)學(xué)報，1999(4)：59-62．

[4]孟凡麗，盧成原，王珊珊．波浪荷載下粉質(zhì)土動應(yīng)變和動強度的試驗研究[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，35(6)：671-674．

[5]朱小可，胡敏云，朱燁．循環(huán)荷載作用下近海粉土工作性狀的試驗研究[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，36(2)：214-220．

[6]劉延志，胡敏云，沈映，等．杭州市粉土的各向異性室內(nèi)試驗研究[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，40(2)：188-192．

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[8]張建民，劉公社．動荷載下飽和砂土與無粘性土孔壓計算模型的分析研究[C]//第三屆全國土動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990：23l-235．

[9]曾長女，劉漢龍，周云東．飽和粉土粉粒含量影響的動孔壓發(fā)展規(guī)律試驗研究[J]．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2006，5(26)：180-184．

[10]張偉．粉土在不同頻率循環(huán)荷載作用下的動力特性試驗研究[D]．南京：河海大學(xué)，2008．

(責(zé)任編輯：劉巖)

Study on the model of dynamic pore water pressure in silt soil in Hangzhou under cyclic loading

MENG Fanli1, Lü Xiao1, LAI Shuna2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. Hangzhou Water Treatment Facilities Construction and Development Center, Hangzhou 310016, China)

Abstract:Based on the undrained dynamic triaxial test on the typical silt soil in Hangzhou, the effects of cyclic loading on the development of pore water pressure in sand soil in Hangzhou under different confining pressures, frequencies, and consolidation ratios are studied. The variation of pore water pressure in silt soil in Hangzhou is analyzed for different frequencies, confining pressures, and consolidation ratios. It is found that the consolidation ratio has a significant effect on the development of pore water pressure. At the same time, through comparisons of the Zhang model, the improved Zhang model, and the hyperbola curve model, a piece-wise model of pore water pressure is proposed. In this model, the ascending and descending branches are represented by a hyperbolic curve and a straight line, respectively. Thus, a development model of pore water pressure suitable for the silt soil in Hangzhou is established and the values of the model parameters corresponding to various conditions are determined.

Keywords:silt soil; dynamic pore water pressure; pore water pressure model

中圖分類號：TU435

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)01-0067-05

作者簡介：孟凡麗(1969—)，女，遼寧錦州人，教授級高級工程師，研究方向為巖土工程，E-mail:zgdmfl@126.com．

基金項目：浙江省科技廳資助項目(2013C31034)

收稿日期：2015-09-28