摻細料礫石土的動孔壓特性探討

摻細料礫石土的動孔壓特性探討

羅會武1， 彭旭1， 陳生水2，劉恩龍1

(1.四川大學水利水電學院 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都610065；

2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 21002)

摘要：地震荷載作用下發生滑坡的滑動帶通常由粗顆粒與細顆粒組成。滑帶土的動力性質及動孔隙水壓力的發展對邊坡的穩定性至關重要。對摻細料礫石混合土進行動三軸試驗來探討細料(粒徑小于0.5 mm)含量對礫石(粒徑6～20 mm)混合土的動孔壓特性的影響，進行細料含量為0%、20%和40%的三組試樣的動三軸試驗，采用固結圍壓為100 kPa、固結應力比為1.0、頻率為1.0 Hz，施加軸向動應力分別為0.50、0.55、0.60和0.65 kN，得到動孔壓的變化規律。試驗發現：(1)相同激振力作用下，隨著細料含量的增加，動孔隙水壓力增長速度逐漸變緩；相同細料含量時，隨著激振力的增大，動孔隙水壓力增長速度變快。(2)激振力較大和細料含量較少時，動孔隙水壓力在較少的振次下達到較大值并趨于穩定。(3)細料含量為20%的礫石混合土試樣在試驗終止時的振動次數最大，細料含量為40%的礫石混合土在試驗終止時的振動次數最小。(4)當細粒含量為0%和20%時，試驗終止時最終的孔壓都可以接近固結圍壓；當細粒含量為40%，激振力較大時，試驗終止時最終的孔壓才接近固結圍壓，而激振力較小時最終的孔壓遠遠沒有達到固結圍壓。

關鍵詞：摻細料礫石土； 動孔壓； 動三軸試驗； 動力特性

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：國家自然科學

通訊作者：劉恩龍(1976-)，男，教授，博士生導師，主要從事巖土材料本構關系和數值分析方面的教學與科研工作.E-mail：liuenlong@scu.edu.cn

中圖分類號:TU411文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0034

Discussion on Dynamic Pore Pressure Properties of Gravelly

Soil Mixed with Fine Grains

LUO Hui-wu1， PENG Xu1， CHEN Sheng-shui2， LIU En-long1

( 1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，CollegeofWaterResource&Hydropower，SichuanUniversity，

Chengdu，Sichuan610065China； 2.NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing，Jiangsu210029，China)

Abstract：Under seismic loading，sliding bands originating from landslides are usually composed of coarse and fine grains.The dynamic features of sliding-band soils and the development of dynamic pore water pressure during the cyclic loading process are extremely important to the stability of slopes.Dynamically cyclic triaxial tests on gravels including fine particles smaller than 0.5 mm were conducted to investigate the influence of fine particles on the dynamic pore water pressure features of these mixed soil gravels of 6～20 mm.Three groups of specimens with fine contents of 0%，20%，and 40% were tested using a triaxial dynamic apparatus wherein the consolidation confining pressure was 100 kPa，the ratio of consolidation was 1.0，and the frequency was 1.0 Hz.Dynamic axially cyclic stress of 0.50 kN，0.55 kN，0.60 kN，and 0.65 kN was applied to each group.The specimen shape was cylindrical，and the specimen size was 100 mm × 200 mm.The dry densities of the specimens with fine contents of 0%，20%，and 40% were 1.605 g/cm3；1.741 g/cm3，and 1.570 g/cm3，respectively.After the tests were concluded，the development of dynamic pore water pressure and its evolution laws were obtained and analyzed in detail. It was experimentally determined that under the same dynamic load，a more rapid increase in dynamic pore water pressure occurs when the fine soil particle content is small；when the content is high，the speed is lower.For the same fine grain content，a small dynamic load resulted in a low speed increase of dynamic pore water pressure; when the dynamic load was high，the increase was rapid. Moreover，a larger dynamic load and smaller fine grain content resulted in relatively larger dynamic pore water pressure of soil specimens that tended to be stable.The number of the dynamic cycles was largest (smallest) when the specimen with fine content of 20% (40%) was wreck.At the end of the experiment, the pore water pressure of the soil specimen was close to the consolidation confining pressure with fine contents of 0% and 20%.For the specimens of 40% fine content，the pore water pressure was close to the consolidation confining pressure under a high dynamic load.

Key words： gravels mixed with fine grains； dynamic pore pressure； dynamic triaxial test； dynamic properties

0引言

“5·12”汶川地震是建國以來破壞性最強的地震，造成了大規模的地質災害，特別是突發性的大面積滑坡。根據我國西南地區地震滑坡的現場情況來看，大量的破壞面都是由較粗粒和較細粒組成的滑帶土構成的[1-2]。所謂滑帶土是指在滑動過程中經過一系列研磨、剪切、擠壓和搓揉后而破壞形成的一層由土和碎石構成的混合土體。這層土體介于滑動體和不動土體之間，厚度可以是幾毫米，也可以達幾米[3]。研究這種較粗粒與較細粒的混合土的動力性質對了解地震滑坡產生機理有著重要意義。

最近許多學者對粗細粒混合土的動力性質進行了相關研究。曹成林等[4]通過對來自黃河三角洲的粉質土中摻入質量百分比分別為15%、9%和3%的黏土進行動三軸試驗，得出結論如下：隨著剪應力比的增加，達到飽和時所需要的振動次數減少，細粒含量對混合土的影響十分大，隨著細粒含量的增加動強度呈現出先降低再增加的趨勢。周建等[5]通過對不同細粒含量的飽和砂土進行動三軸試驗，得出如下結論：當細粒含量小于30%時，其扮演的是相似于“滾珠”的角色，隨著細粒含量的增加飽和砂土抗液化強度減低；當細粒含量超過30%時，飽和砂土抗液化強度隨著其含量增加而增加。Abedi[6]通過對含不同比重礫石的細粒采用控制不同的圍壓條件和不同干密度進行室內靜力三軸試驗，認為細粒含量的增加會導致不穩定性的升高，而且當細粒含量達到20%時升高趨勢開始趨于緩慢。Tsotsos[7]在一維壓縮試驗中，將6組含不同砂石質量分數的黏土進行對比，找出了得到最小孔隙比的組合。Ali等[8]將取自東歐的粒徑很粗的萊頓帕扎德砂摻雜碾碎的細砂，代替以往的孔隙比，而提出“粒間孔隙比”(即inter-granular void ratio)在相同固結應力下隨著不同細砂含量而變化；并發現存在一個明顯的轉化細粒含量，即在相同的壓縮強度下，這個轉化含量之前粒間孔隙比隨細粒增加而發生緩慢線性變化，而在轉化含量之后粒間孔隙比隨著細粒的增加而激增。王勇等[9]通過對含不同質量分數細粒的砂土進行不排水動三軸試驗，得出的結論為：當細粒含量低于30%時，隨著細粒含量的增加動彈性模量逐漸減小；當細粒含量超過30%時，隨著細粒含量的增加，動彈性模量逐漸增大；阻尼比呈現出相反的規律，界限細粒含量也是30%。劉恩龍等[10]也對摻加不同質量分數黏粒(粒徑小于0.075 mm)的粗粒砂(粒徑為1 mm和2 mm之間)混合土進行動三軸試驗，發現粗砂粒中摻加黏粒，其含量的增加會改變動強度，而動強度隨著黏粒含量的增加呈現先降低后升高，當黏粒含量為20%時，動強度最低；相同黏粒含量下，破壞時達到的孔壓基本相同。

由以上研究可見，對摻細料的礫石土的動力特性研究較少。本文將細粒(粒徑小于0.5 mm)和粗粒(粒徑6～20 mm)按質量比為0%：100%、20%：80%及40%：60%三組混合制樣。試樣直徑為10 cm，施加1.0 Hz的軸向動荷載，圍壓為100 kPa，固結應力比為1.0，并對三組試樣進行不排水條件下的動三軸試驗來初步探討摻細粒的礫石混合土的動力特性。

1試樣制備及試驗方法

所用土料為粒徑6～20 mm的粗粒(比重為2.752)和粒徑小于0.50 mm的細粒(比重為2.345)，按細粒與粗粒的質量比分別為0%：100%、20%：80%以及40%：60%制樣，即細料含量分別為0%、20%和40%三組，相應的干密度分別為1.605 g/cm3、1.741 g/cm3和1.570 g/cm3。試樣為圓柱樣，尺寸為D×H=100 mm×200 mm，分層擊實制樣后進行飽和，然后裝樣進行固結。

三組試樣均采用等壓固結(Kc=1.0；σc=100 kPa)，每組試樣施加的激振力分別為0.50、0.55、0.60和0.65 kN。儀器選用為全自動GCTS動三軸儀。選取頻率f=1.0 Hz的正弦波形施加動應力，試驗終止時軸向動應變為10%。

2試驗結果分析

2.1動孔壓特點

圖1、圖2和圖3分別給出細料含量分別為0%、20%和40%時礫石混合土在激振力為0.50、0.55、0.60和0.65 kN作用下的動孔壓隨振動時間的關系曲線。

圖1　動孔壓-振動時間曲線(細料含量為0%) Fig.1　Curves of dynamic pore pressure-vibration time (fines content of 0%)

由動孔壓隨振動時間變化的關系曲線可以得出：(1)隨著振動時間的逐漸增加，動孔隙水壓力逐漸增加。細料含量0%時，動孔隙水壓力隨振動時間增加得較快，最終可以達到接近固結圍壓。而細料含量40%時，動孔隙水壓力隨振動時間增加得較慢，激振力較小時最終的動孔壓遠遠沒有達到固結圍壓，激振力較大時最終的動孔壓接近固結圍壓。(2)對于相同的試樣，激振力越大，隨著時間的增加動孔隙水壓力增加得越快，孔隙水壓力的最大值越大，且試樣終止時的破壞次數越小；隨著細料含量的逐漸增加，試樣終止時的動孔隙水壓力卻逐漸減小。(3)對于相同的激振力，激振力較小時(如0.50 kN)，隨著細料含量的逐漸增加，試驗終止時的動孔隙水壓力值呈明顯的減小趨勢；而激振力較大時(如0.650 kN)，隨著細料含量的逐漸增加，試驗終止時的動孔隙水壓力值呈現的減小趨勢不明顯。可見細料含量和激振力對摻細料礫石混合土的動孔隙水壓力的發展過程有很大影響。

2.2動孔壓演化規律

圖4為細料含量分別為0%、20%和40%時礫石混合土的動孔壓(峰值)隨振動周次的變化規律。可見，激振力較大時，在較小的振動周次下動孔壓增加到較大值并趨于穩定，細料含量越少(即粗料含量越多)，孔壓上升的越快；激振力較小時孔壓上升的較慢，在較多的振動周次下動孔壓才可增加到較大值，且細料含量為40%時，動孔壓隨著振動周次的增加一直增大到試驗終止時(軸向應變為10%)都沒有穩定，但此時的動孔壓遠遠小于固結圍壓。

圖2　動孔壓-振動時間曲線(細料含量為20%) Fig.2　Curves of dynamic pore pressure-vibration time (fines content of 20%)

圖3　動孔壓-振動時間曲線(細料含量為40%) Fig.3　Curves of dynamic pore pressure-vibration time (fine content of 40%)

圖5為不同激振力下動孔壓與固結圍壓之比與振動周次關系曲線。可見，激振力較小(0.50 kN)時，隨著振動周次的增加動孔壓與固結圍壓之比逐漸增加，但增加的速度較為緩慢，細料含量為0%時的動孔壓與固結圍壓之比較大；激振力較大(0.65 kN)時，隨著振動周次的增加動孔壓與固結圍壓之比增加的速度較快，特別是細料含量為0%時的動孔壓與固結圍壓之比在10個振動周期就達到較大的值并趨于穩定。

圖4　動孔壓-振動周次曲線 Fig.4　Curves of dynamic pore pressure-number of vibration cycles

圖5　 動孔壓/固結圍壓-振動周次曲線 Fig.5　Curves of dynamic pore pressure/consolidation confining pressure-number of vibration cycles

細料含量為20%的礫石混合土試樣在試驗終止時的振動次數最大，而細料含量為40%的礫石混合土在試驗終止時的振動次數最小。這是由于試樣的干密度、激振力和試樣內顆粒的傳力和承載機制所導致的，情況非常復雜，有待進一步的探討。

3結論

(1) 細料含量較低時，動孔隙水壓力隨振動時間增加得較快，最終可以達到接近固結圍壓。而細料含量較高時，動孔隙水壓力隨振動時間增加得較慢，動應力較小時最終的動孔壓遠遠沒有達到固結圍壓。

(2) 激振力較大時，在較小的振動周次下動孔壓增加到較大值并趨于穩定，細料含量越少孔壓上升得越快；激振力較小時，孔壓上升得較慢，在較多的振動周次下，動孔壓才可增加到較大值。

(3) 細料含量為20%的礫石混合土試樣在試驗終止時的振動次數最大，細料含量為40%的礫石混合土在試驗終止時的振動次數最小。

(4) 當細粒含量為0%和20%時，試驗終止時最終的孔壓都可以接近固結圍壓；當細粒含量為40%時，在激振力較大時，試驗終止時最終的孔壓才接近固結圍壓，而激振力較小時最終的孔壓遠遠沒有達到固結圍壓。

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