粉土液化后剪切強度特性研究①

曾長女，馮偉娜

（河南工業大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

工程結構的變形預測是設計結構的重要問題之一，地基土的液化會直接引發建筑物的破壞［1］。已有研究表明，包括砂礫石、粉土、黃土、砂土等土類都有發生液化的可能。唐山地震后粉土的地震液化現象開始引起我國學者的重視［2］。液化的研究歷史較長，關于液化機理等研究課題一直是熱點問題［1－5］。隨著地震災害現場測試技術的進步，發現某些已液化的土體甚至會發生達30%的大變形現象［6－7］，已有的基于小變形理論的研究結果不能很好地描述該現象。因此專家們開展了較多的砂土液化后特性的研究，提出了液化后的變形機理、預測液化后大變形的經驗公式等研究成果［8－9］，為預測地基變形和結構變形提供理論基礎，也為該類地基的防災減災提供指導。

粉土液化得到較多的重視和研究成果［10－11］。但粉土的液化后大變形，尤其是液化后剪切強度恢復程度開展得較少。從顆粒組成來說，粉土居于砂土和粘土之間，兼有砂粒、粉粒和粘粒成分，且粉粒占有較大比例，粘粒含量所占比例較小，不同地區粉土的組成結構差異較大。粉土在我國分布較為廣泛，唐山周圍區域、黃河中下游地區、臨海區域、昆明地區等都含有大量的粉質土，分析粉土這類地基土液化特性對于該類地區的抗震減災具有重要意義。

液化后的殘余強度是工程界關心的問題，也是學術界具有挑戰性的課題。本文設計了一組試驗，分析液化后殘余強度的影響因素。試驗利用已有的先進的三軸儀，可進行變形較大的三軸試驗，對已液化的粉土實施不排水單調剪切荷載，模擬液化后粉土的殘余強度恢復過程。試驗將分析液化后殘余強度的影響因素，研究土樣初始孔隙比和有效固結壓力對液化后剪切強度Su的影響，并根據試驗結果分析Su與有效固結壓力、土樣初始孔隙比的關系。

1 試驗過程

試驗采用的重塑土具有如圖1所示的顆分曲線。表1所示為其基本物性指標。根據上述物理指標分析該土為粉土。

圖1 試驗粉土顆粒分布曲線Fig.1 Particle distribution curve of the tested silt

表1 試驗粉土基本物性指標Table 1 Physical characteristics of silt

試驗儀器采用專門定制的靜動三軸儀，在測試大應變方面具有優勢，可模擬發生液化后應變達百分之十幾的大變形；同時動三軸試驗結束后可改變加載方式，施加單調靜荷載，用來模擬液化后大變形具有常規儀器無法比擬的優勢。試驗采用應力控制的方式，試驗尺寸為Φ61.8×150mm。

試驗過程由兩組三軸試驗構成，即觸發液化的動三軸試驗和觸發液化后大變形的不排水單調剪切試驗。與常規動三軸試驗制樣相同［11］，根據要求的孔隙比制備好的土樣經過充分飽和后，在有效應力分別為50kPa，100kPa和200kPa的條件下固結，然后分別施加動荷載。動三軸試驗采用的頻率為0.05Hz，定義τd＝σd／2，典型的動荷載加載過程動剪應力、動應變和動孔壓隨時間發展曲線如圖2所示。粉土與砂土略有不同，初始液化時孔壓往往并不能達到固結時的圍壓，因此采用雙幅軸向應變達到5%時認為達到初始液化條件。動加載結束后的孔壓條件和應力狀態即為不排水單調剪切試驗的初始應力狀態。

圖2 試驗的動荷載和加載過程中應變及動孔壓發展Fig.2 The dynamic loading which trigging the tested silt to liquefation，the dynamic strain and pore water pressure change during the dynamic loading

2 液化后不排水剪切試驗結果分析

已液化的粉土在不排水三軸壓縮試驗條件的應力應變關系、孔壓消散如圖3所示。由圖可見，液化后的粉土剪切強度增加，即使在不排水條件下其孔壓也逐漸降低，因此此時粉土呈現出剪脹特性；軸向應變在即使初始加載階段有效應力為零時也逐漸增加，且增加速率很快。粉土液化后變形階段在初始時剪切應力q≈0時，產生了大約3%的軸向應變。這個現象與文獻觀察到的砂土液化后現象類似［7］，即液化后初始階段孔壓達到初始孔壓或達到初始液化條件，顆粒接觸消失而導致應變發展很快；隨著單調荷載的施加，液化土顆粒將會發生重組，顆粒逐漸開始接觸，孔壓開始下降，土體發生剪脹，有效應力逐漸增加直至達到穩定狀態，該穩定狀態的強度定義為液化后不排水強度Su。

圖3 液化土單調剪切試驗的應力－應變關系和孔壓消散Fig.3 The stress－strain curve and pore water pressure curve of the silt with static loading in shear test

粉土的滲透系數較低，液化后土中的孔隙水壓力消散較慢，孔壓消散對液化后不排水強度的增長影響較大，因此試驗時控制較低的加載速率，保證土中孔壓有足夠的時間消散。圖3（b）為孔壓消與應變的關系。在開始的一段時間，應變增加但孔壓保持不變，與應力應變關系圖一致，隨后孔壓逐漸消散直至達到很小的值，土體剪切強度逐漸達到穩定值。

2.1 初始有效固結壓力的影響

液化后不排水剪切強度Su對初始有效固結壓力σ＇0較為敏感。隨著應變的增加，孔隙水壓力逐漸消散，土體剪切強度逐漸增加，土體顆粒發生重組，土體剛度也得到恢復。由圖4可見Su與初始有效固結壓力呈線性擬合關系，初始有效應力越大，發生顆粒重組后得到的不排水剪切強度Su越大。圖4擬合了有效固結壓力與液化后穩定強度關系，擬合曲線表現為式（1）所示的線性關系：

圖4 液化后穩定強度Su與初始有效固結應力關系Fig.4 The relation of liquefied stability strength Su and initial effective confining pressure

圖4中液化后剪切強度 表現為與初始固結壓力為很好的線性關系，這是由于初始固結后的試樣土顆粒排列緊密，變形穩定，其壓力即為某深度的土層壓力。土體發生液化后顆粒間接觸減弱，在液化土體中施加單調靜荷載時土顆粒隨著剪切荷載的施加而發生顆粒重組，直至達到變形穩定狀態。因此試驗表明這兩種變形穩定具有很好的一致性，而且液化后的土體受到單調荷載后顆粒排列更加緊密，因此強度表現為更大。

2.2 不同孔隙比對液化后剪切強度影響

圖5為不同初始孔隙比條件下不排水剪切試驗應力應變關系曲線。由圖可以看出，不同的初始孔隙比對液化后土施加靜載后的穩定強度Su有較大的影響。初始孔隙比越小的粉土，液化后顆粒重組越快，剪脹性越強，表現為液化后穩定不排水強度越大。

圖5 不同初始孔隙比應力應變關系Fig.5 The stress－strain relationship between differrent initial void ratios

3 結論

對已液化粉土施加不排水單調荷載后，粉土表現為很強的剪脹特性。穩定后的液化后剪切強度對初始有效固結壓力和孔隙比都較為敏感。具體表現為：

（1）已液化土體進行試驗的初始條件即達到一定液化程度的結束條件，即初始有效應力為0，土顆粒相互接觸力很弱，土體結構破壞；

（2）實施靜力不排水剪切試驗后土體顆粒發生重組，隨著土顆粒完全接觸試樣內孔壓開始消散，土體發生剪脹特性；

（3）初始固結壓力σ＇0越低，不排水剪切強度Su恢復也越低，試驗結果表明Su與σ＇0呈擬合度較高的線性關系；

（4）不同孔隙比對液化后恢復的剪切強度Su也有較大的影響，相同初始有效固結壓力σ＇0時，隨著孔隙比的降低，土體越密實，Su增加較迅速，超過一定密實度后Su增加速度變緩。

（References）

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