唐小微, 李濤, 張西文, 馬玲

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116023；2.濟南大學 土木建筑學院， 山東 濟南 250022)

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粘粒含量對砂土靜動力液化影響的試驗

唐小微1, 李濤1, 張西文2, 馬玲1

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116023；2.濟南大學 土木建筑學院， 山東 濟南 250022)

摘要：含一定粘土顆粒的砂土在一定條件下易發(fā)生靜態(tài)和動力液化的現象，且粘土對砂土的抗液化影響規(guī)律較為復雜。為了研究粘粒含量對砂土液化的影響規(guī)律，通過靜力三軸儀和動力三軸儀試驗系統，對粘粒含量分別為0%、5%、10%和15%的砂土進行試驗。靜力與動力的試驗結果表明：粘粒含量對砂土抗液化性能的影響并不是單調的，存在一個粘粒含量值(5%～10%)使得砂土的抗液化性能最差。當粘粒含量小于5%時，粘粒會促進孔壓的發(fā)展；當粘粒含量大于10%時，粘粒會抑制孔壓的發(fā)展。不同含量的粘粒在砂土顆粒間分別起到潤滑與粘結砂粒的作用。

關鍵詞：粘粒含量；抗液化；液化試驗；抗剪強度；孔壓

1978年美國巖土工程學會將液化定義為“任何物質轉化為液體的過程”[1]。根據土體承受荷載的不同，液化又可細分為靜態(tài)液化與動力液化。關于靜態(tài)液化，戴福初等[2]指出在飽和砂土的不排水三軸剪切試驗中，砂土的抗剪強度迅速達到峰值，此時發(fā)生的應變很小(<1%)，之后又快速下降到一個很小的穩(wěn)態(tài)值。在液化評價標準上主要分為2種,即Seed等[3]從應力狀態(tài)角度出發(fā)提出的循環(huán)活動性準則，以及Roberston等[4]從位移角度出發(fā)提出的臨界孔隙比準則。實際工程中的砂土里含有一定量的細粒，包括粉粒和粘粒。從細粒含量影響砂土抗液化性能的角度考慮時，因粉粒和砂粒性質比較接近，可以認為土的抗液化性能主要受粘粒含量的影響。關于細粒含量對砂土液化特性的影響，有學者提出隨著細粒含量的增加，飽和砂土的抗液化能力會降低，這主要以Lade等[5]為代表。而Chang等[6]研究卻發(fā)現隨著細粒含量的增加，飽和砂土的抗液化能力會提高。衡朝陽等[7]研究指出，含粘粒砂土的動剪應力比與粘粒含量的關系呈下凹拋物線型。楊永香等[8]則對飽和砂土液化特性進行了可視化試驗研究。為了更好的模擬實際場地中土體的側限邊界條件，許成順等[9-10]利用動態(tài)土工真三軸儀對側限條件下砂土的液化機理進行了研究。目前關于細粒含量對砂土液化特性的影響規(guī)律有很多結論，但普遍認為存在一個臨界細粒含量使砂土抗液化能力最低，而關于臨界細粒含量所處的范圍有一些較大分歧。

本文先通過靜力三軸試驗，從影響砂土有效抗剪強度指標c′、φ′出發(fā)來探究臨界粘粒含量的大小，再通過動力三軸試驗對所得到的結果進行討論與相互驗證。最后同時從靜力和動力角度對粘粒含量影響砂土的抗液化規(guī)律進行探討。

1試驗概況

1.1試驗設備

靜力部分采用應變控制式靜力三軸儀[11]進行固結不排水試驗(CU試驗)，動力部分采用CKC全數字閉環(huán)控制氣動式三軸儀(簡稱CKC動三軸儀)進行試驗。用該儀器可進行等向與非等向固結試驗、三軸壓縮和拉伸試驗、K0線性固結試驗、動力三軸試驗和任意應力路徑試驗等。

1.2 土樣制備

試樣的尺寸均為39.1 mm ×80 mm(直徑×高度)，且都為重塑樣。摻入砂中的粘粒為含Na基的商用膨潤土，粘粒含量Pc分別為0%(純砂)、5%、10%和15%。制樣所用砂為經過粒徑篩選(dmax<0.5 mm)的福建標準砂，該砂的級配曲線如圖1。

圖1　試驗用砂的顆粒級配曲線Fig. 1　The curve of grain composition for the test sand

從圖1可以看出，經過0.5 mm粒徑篩選的福建標準砂的顆粒主要集中在0.1～0.4 mm的粒徑范圍內，土體的不均勻系數Cu與曲率系數Cc分別等于1.912和0.803，其級配不良。此外通過試驗可以得到土體的比重Gs=2.627，最大干密度ρdmax=1.662 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.351g/cm3。

試驗中所用全部試樣均先通過濕裝法進行制樣，隨后利用真空飽和法對其進行飽和。飽和完成后，需測孔隙水壓力系數B，若達到95%以上，認為試樣飽和。試樣的制備、裝樣、飽和、固結等具體步驟參照《SL 237-1999土工試驗規(guī)程》[12]。

1.3試驗安排

試驗中所有試樣均采用20%的初始相對密實度，靜力試驗依次在50、100和200 kPa的圍壓下進行CU試驗。試驗采用靜力三軸儀進行剪切，以應變控制的方式進行加載，剪切過程中加載速率為0.6 mm/min，直至試樣的軸向應變達到25%時停止試驗；動力試驗采用應力控制的方式施加等幅半正弦形式的動荷載，荷載頻率f=0.5 Hz，周期T=2 s，當達到1 000個應力循環(huán)后停止試驗。

1.4破壞標準

土樣破壞的標準包括：初始液化標準、應變標準以及極限平衡標準等。經驗表明，土樣中粘粒含量較少或粗顆粒較大時，易達到完全液化；而當粘粒含量較大或粗顆粒較小時，盡管土樣已產生足夠的變形，但測得的動孔隙水壓力并不高。針對以上情形并結合試驗設計方案，靜力三軸試驗中可以從偏應力與軸向應變的曲線中觀察試樣是否出現靜態(tài)液化的現象，當試樣軸向應變達到25%時停止試驗；動力三軸試驗采用應變標準：選取試樣全幅應變達εf=5%為破壞標準。

2試驗結果與分析

2.1靜力試驗結果

圖2(a)、(b)、(c)分別為相同初始相對密實度情況下，4種不同粘粒含量的試樣分別在50、100和200 kPa固結圍壓下的CU試驗結果。

從圖2(a)中的σ1-σ3～εa曲線可以看出，純砂試樣的應力-應變曲線呈現出先軟化后硬化的特點，整體上表現為軟化的特征，發(fā)生了靜態(tài)液化；Pc=5%試樣的偏應力在加載后迅速上升至峰值，之后又快速降至一個非常小的穩(wěn)定值，發(fā)生靜態(tài)液化的現象比純砂更劇烈；Pc=10%試樣的應力-應變曲線同樣呈現出軟化-硬化特征，但軟化現象較弱，試樣總體上表現為硬化，與Pc=5%試樣相比，靜態(tài)液化現象極大地減弱。當粘粒含量增至15%時，這種減弱現象變得更為明顯。從圖2(a)中u-εa曲線可以發(fā)現，加載初期Pc=5%試樣的孔壓迅速上升并接近圍壓，之后保持平穩(wěn)，純砂試樣大約在軸向應變?yōu)?5%左右孔壓才慢慢達到峰值，且峰值低于5%粘粒含量的，之后孔壓呈下降趨勢；Pc=10%、15%試樣的孔壓曲線在整體走勢上和純砂類似，但峰值低于純砂，峰值之后孔壓的下降也比純砂明顯。

從圖2(b)中σ1-σ3～εa曲線可以看出，各個粘粒含量試樣的液化現象較圖2(a)有所加劇。如圖中純砂試樣的應力-應變關系曲線前期軟化現象加劇，而后期的硬化現象較圖2(a)有所減弱。由此可以看到100 kPa圍壓作用下純砂試樣的液化現象比50 kPa圍壓作用下純砂的液化更為劇烈。而u-εa曲線中Pc=5%試樣的孔壓在加載初期依然上升很快并接近圍壓，之后一直保持平穩(wěn)，而純砂試樣在加載初期的孔壓增長速率小于Pc=5%試樣的，加載后期當試樣的軸向應變達到約17%左右時，純砂試樣的孔壓上升到和Pc=5%試樣的孔壓幾乎相同的水平，但仍低于Pc=5%試樣的。隨著應變的發(fā)展，孔壓也出現了下降的趨勢。因此純砂試樣對于孔壓的積聚效應沒有Pc=5%試樣的顯著。所以從以上試驗結果可以看出，Pc=5%試樣的液化現象比純砂劇烈。

(a)50 kPa圍壓

(b)100 kPa圍壓

(c)200 kPa圍壓圖2　不同圍壓作用下試樣的CU試驗曲線Fig. 2　Curves of CU tri-axial tests for specimens with different confining pressures

從圖2(c)中的σ1-σ3～εa曲線可以看出，隨著圍壓的增加，不同粘粒含量試樣的液化現象進一步加劇，Pc=5%的試樣在加載初期偏應力達到峰值后迅速降至接近為零的水平，靜態(tài)液化現象最為明顯。純砂試樣的應變軟化-硬化特征更加顯著，另外還可以發(fā)現Pc=10%、15%試樣的應變軟化-硬化趨勢較圖2(a)、(b)的都有所加劇。

從圖2(a)～(c)中的u-εa曲線可以發(fā)現，各圍壓作用下的孔壓線分布情況自下而上依次為5%、0%、10%、15%，而且各粘粒含量試樣的孔壓曲線初始斜率也按此規(guī)律依次減小。上述這些都說明粘粒含量對砂土靜態(tài)液化的影響并不是單調的，而是存在一個界限值。小于界限值時，粘粒的存在會加劇靜態(tài)液化；大于此值時，粘粒的存在會抑制靜態(tài)液化。通過試驗結果，利用摩爾-庫倫強度包線可以求得各個粘粒含量砂土的有效抗剪強度指標c′、φ′，圖3是c′、φ′隨粘粒含量Pc的變化曲線。

圖3　有效抗剪強度指標隨粘粒含量變化的關系曲線Fig. 3　Curves of effective shear strength parameters versus clay content

從圖3中可以看出，隨著粘粒含量的增加，有效粘聚力c′一直在增大，而有效內摩擦角φ′先減小后增加，呈現出開口向上的近似拋物線型，存在一個最低值。由圖可知，當粘粒含量大于10%時，c′和φ′均呈上升趨勢，相應的有效抗剪強度是增大的；當粘粒含量小于5%時，φ′的值一直在下降，但c′幾乎不變，因此相應的有效抗剪強度是減小的。據此，可以推斷粘粒含量對砂土的有效抗剪強度的影響也近似呈開口向上的拋物線型，即存在一個界限粘粒含量，使得含粘粒砂土的有效抗剪強度最低，并且該值處于5%～10%。

圖4為3種圍壓作用下各粘粒含量試樣的有效抗剪強度。從圖中可以看出，各圍壓作用下4種粘粒含量試樣的強度曲線均呈開口向上的近似拋物線型，本次試驗中各個粘粒含量的試樣中有效抗剪強度的最低值出現在粘粒含量Pc=5%。因此可以揭示出粘粒含量對于砂土靜態(tài)液化的非單調影響規(guī)律。

圖4　土體有效抗剪強度隨粘粒含量變化的關系曲線Fig. 4　Curves of effective shear strength versus clay content

2.2動力試驗結果

為了探究粘粒含量對砂土動力液化的影響以及驗證靜力試驗所得到的粘粒含量對砂土靜態(tài)液化的影響規(guī)律，以下采用CKC動三軸儀對4種粘粒含量的砂土進行試驗。圖5～8給出了Pc=0%、5%、10%和15%的砂土在循環(huán)動荷載作用下的εa-N曲線以及u/σ3-N曲線，其中N為循環(huán)振次。

(a)不同荷載幅值下的εa-N曲線

(b)不同荷載幅值下的u/σ3-N曲線圖5　不同荷載幅值下Pc=0%的試驗結果Fig. 5　Results of tests under different loading (Pc=0%)

從圖5(a)可以看到，純砂試樣在達到破壞時(εa=5%)，各個荷載幅值作用下試樣破壞的循環(huán)振次差別較大，當荷載幅值為160.15 kPa時，試樣幾乎瞬間就破壞；當荷載幅值為159.28 kPa時，雖然該值與160.15 kPa相差甚小，但破壞時的循環(huán)振次差值已超過10次。當荷載幅值為156.92 kPa時，試樣破壞時的循環(huán)振次與159.28 kPa時試樣的破壞振次相差大約也為10次。當荷載幅值等于147.36 kPa時，試樣破壞時所需的循環(huán)振次明顯增加，將近100次。而從圖5(b)中可以看到純砂試樣在破壞時，動孔壓比平均都維持在0.7左右，荷載幅值為160.15 kPa時的動孔壓比瞬間增大，而當荷載幅值為147.36 kPa時，動孔壓比在將近80次的循環(huán)振次時上升到與荷載幅值為160.15 kPa的動孔壓比相同水平。

(a)不同荷載幅值下的εa-N曲線

(b)不同荷載幅值下的u/σ3-N曲線圖6　不同荷載幅值下Pc=5%的試驗結果Fig. 6　Results of tests under different loading (Pc=5%)

從圖6(a)可以看到，Pc=5%的試樣在達到動態(tài)液化破壞標準時，動荷載幅值普遍低于純砂，Pc=5%試樣破壞時的最大動荷載幅值小于純砂試樣破壞時的最小動荷載幅值，并且試樣破壞時的循環(huán)振次也較純砂試樣有所減少，純砂試樣破壞時的振次最多可達到接近100次，而Pc=5%試樣破壞時的振次最多也只有60多次。從圖6(b)可以發(fā)現，Pc=5%試樣破壞時的動孔壓比大多數都達到0.9，普遍高于純砂破壞時的動孔壓比，加之試樣破壞時循環(huán)振次的減少，可以看出Pc=5%試樣的u/σ3-N曲線斜率大于純砂試樣。由此可以說明，Pc=5%的試樣在動荷載作用下液化現象比純砂更為劇烈。

從圖7(a)與圖8(a)可以觀察到，Pc=10%和Pc=15%的試樣在破壞時的動荷載幅值又普遍高于Pc=5%試樣的，且在某些情況下也高于純砂試樣破壞時的動荷載幅值，而從圖7(b)與圖8(b)中可以明顯發(fā)現，試樣破壞時的動孔壓比都相當低，最高時也只有0.15左右，遠低于Pc=5%試樣與純砂試樣的動孔壓比。這些都說明Pc=10%和Pc=15%試樣的抗液化性能比Pc=5%試樣的高。由此可以看出，粘粒隨著其含量的不同，既能促使孔壓的發(fā)展，也能抑制其發(fā)展。最后可以總結出粘粒含量對砂土動力液化性能的影響不是單調的。為了將粘粒含量對砂土動力液化的影響更加直觀的表現出來，圖9為4種粘粒含量試樣發(fā)生液化時所需的循環(huán)應力比CSR和相應的循環(huán)振次N，并用線性擬合的方法對相同粘粒含量的試驗點進行擬合，得到CSR-N曲線。其中循環(huán)應力比CSR的定義如下：

(1)

式中：σd為循環(huán)動應力，σ3為試樣的固結圍壓。

從圖9中可以看出，純砂的擬合直線位于5%和10%粘粒含量的擬合直線之間，而最上端的直線則代表15%粘粒含量的試樣。

(a)不同荷載幅值下的εa-N曲線

(b)不同荷載幅值下的u/σ3-N曲線圖7　不同荷載幅值下Pc=10%的試驗結果Fig. 7　Results of tests under different loading (Pc=10%)

(a)不同荷載幅值下的εa-N曲線

(b)不同荷載幅值下的u/σ3-N曲線圖8　不同荷載幅值下Pc=15%的試驗結果Fig. 8　Results of tests under different loading (Pc=15%)

圖9　粘粒含量對砂土循環(huán)抗液化的影響Fig. 9　Influence of clay content on the cyclic liquefaction resistance of sand

通過以上靜力和動力試驗的結果可以看出，粘粒含量對砂土抗液化的影響并非是單調的，而是存在某個界限粘粒含量使得砂土的抗液化性能最差，而且該界限粘粒含量的范圍處于5%～10%。小于5%時，隨著粘粒含量的增加，粘粒的存在將促使孔壓的發(fā)展，導致砂土的抗液化性能下降；大于10%時，隨著粘粒含量的增加，粘粒的存在將抑制孔壓的發(fā)展，砂土的抗液化性能隨之增強。該結論可結合圖10中試樣的初始孔隙比隨粘粒含量的變化曲線對砂土的液化機理進行解釋。砂土中的粘粒是以點接觸的形式分布在砂粒周圍。當粘粒含量較低時，粘粒對砂粒主要起潤滑作用，這種潤滑作用使得砂粒在受外力時將沿粘粒發(fā)生滑動，這將導致粒間空隙減小，孔隙水壓力上升，抗剪強度下降，最終發(fā)生液化。在低粘粒含量下，隨粘粒含量的增加，試樣的初始孔隙比呈現出下降的趨勢，且在Pc=10%左右，試樣的初始孔隙比達到最低。當發(fā)生剪切時，低粘粒含量試樣的孔壓積聚效應非常明顯，所以液化現象比純砂更劇烈。當粘粒含量增加至某一值時，粘粒對砂粒主要起穩(wěn)固作用，這是由于隨著粘粒含量的增大，粘粒包裹在砂粒周圍。粘粒一方面膠結砂粒，另一方面調整自身結構，在整體上則表現出穩(wěn)固砂粒的作用。此時隨著粘粒含量的增加，砂性土逐漸向粘性土過渡。相同質量的粘土和砂土，前者孔隙比較后者更大，所以此時試樣的初始孔隙比呈現出回升趨勢，孔壓的積聚效應減弱，試樣抗剪強度增強，液化受到抑制。

圖10　試樣的初始孔隙比隨粘粒含量變化的關系曲線Fig. 10　Curve of initial void ratio of specimen versus clay content

3結論

本文以含一定量粘粒的砂土為研究對象，進行了室內靜三軸和動三軸試驗，研究了粘粒含量對砂土抗液化的影響規(guī)律，可得出以下結論：

1)粘粒含量對砂土抗液化性能的影響并非是單調的。粘粒含量較小時，粘粒的存在將促使孔壓的發(fā)展，使得砂土的抗液化性能下降，此時含粘粒砂土比純砂更易發(fā)生靜態(tài)或動力液化；粘粒含量較大時，粘粒的存在會抑制孔壓的發(fā)展，使得砂土的抗液化能力提高。因此可以得出，靜力或動力作用下，粘粒含量對砂土抗液化的影響規(guī)律都呈開口向上的近似拋物線型，即存在一個界限粘粒含量使砂土的抗液化能力最低，并且該值位于5%～10%。

2)粘粒含量對砂土抗液化的影響規(guī)律可以從粘粒與砂粒的接觸情況進行解釋：當粘粒含量較小時，粘粒主要起潤滑作用，粘粒的存在使得砂土的抗液化能力降低；當粘粒含量較大時，粘粒主要起膠結砂粒的作用，這時土體表現出粘性土的性質，粘粒的存在使得砂土的抗液化能力增強。

3)圍壓對砂土的靜態(tài)液化行為有較大的影響。在低圍壓下，粘粒含量為10%與15%的試樣不會發(fā)生靜態(tài)液化；隨著圍壓的增加，各個粘粒含量試樣的液化趨勢由弱到強，不斷加劇，因此砂土更易在高圍壓下發(fā)生靜態(tài)液化。

4)確定界限粘粒含量的值無論是對于理論研究還是解決實際工程中有關土體的靜態(tài)液化或者是動力液化的問題都有著非常重要的意義。由于本次試驗只配制了四種粘粒含量的砂土試樣，以上試驗結果并沒有確定出界限粘粒含量的具體值，而只給出了界限粘粒含量所處的范圍，還有待于通過大量的含不同粘粒含量砂土的試驗來驗證。

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Experiment of effect of clay content on static and dynamic liquefactionof sand

TANG Xiaowei1, LI Tao1, ZHANG Xiwen2, MA Ling1

(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China; 2.School of Civil Engineering and Architecture, University of Ji’nan, Ji’nan 250022, China)

Abstract：Sand with a certain percent of clay is easily liquefied under static and dynamic loading. Clay has a complicated effect on the liquefaction resistance of sand. In order to study the influence of clay content on the liquefaction of sand, sand samples with different clay contents, 0%, 5%, 10% and 15% were investigated with static triaxial and dynamic triaxial test systems. Static and dynamic test results show that the clay content has a non-monotonic impact on the liquefaction resistance of sand. The liquefaction resistance of the mixture is poorest when the clay content is about 5%～10%. When the clay content is less than 5%, the clay promotes pore pressure development. When the clay content is more than 10%, the clay suppresses pore pressure development. Different contents of clay play roles of lubrication and cementation between sand particles.

Keywords：clay content; liquefaction resistance; liquefaction test; shear strength; pore pressure

中圖分類號：TU441

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)03-332-07

doi:10.11990/jheu.201407073

作者簡介：唐小微(1968-)，男,副教授,博士生導師;李濤(1989-)，男,博士研究生.通信作者：李濤，E-mail: 476693724@qq.com.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51078062); 國家973計劃資助項目(2011CB013605-2).

收稿日期：2014-07-29.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20150928.1009.006.html

網絡出版日期： 2015-09-28.