黏粒含量對粉土地震液化影響及機理的探討

楊 翼，馬俊祥，王晨東，吳 迪

(1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007；2.華能河南清潔能源分公司，河南 鄭州 450000)

地震是自然界常發生的地質災害之一，目前諸多學者從不同角度對飽和砂土、粉土動力性質進行了研究，Nemat和Shokooh[1]提出了基于能量法的土壤液化特性分析方法，從能量角度研究了振動荷載下砂土孔壓增長機理，并建立了數學模型；黃志全等[2]以能量耗損為指標，主要分析了黏粒含量、干密度、圍壓及相位差對砂土液化特性的影響;Lade等[3，4]的研究結果表明，細粒含量的增加降低了飽和砂土的抗液化能力；Xenaki等[5]發現砂土的抗液化強度伴隨粘粒含量的增加先逐漸降低；但當粘粒含量增大到某一界限值時，抗液化強度，反而逐步升高；陳永健[6]研究了粘粒含量對飽和砂土動孔隙水壓力的影響，認為粘粒含量對砂土孔隙水壓增長隨粘粒增加分為由促進、不完全抑制到完全抑制的過程；曾長女等[7]研究了飽和粉土粉粒含量影響的動孔壓發展模型；呂筱[8]對細粒含量對粉土動力特性及微觀結構影響的實驗研究，取得了豐富的實驗資料。

然而黏粒對粉土地震液化的影響及機理的研究較少。本文以土力學基本理論、應力分布理論及黏土礦物學基礎知識為基礎，結合本領域有關學者的研究成果及現行規程規范，旨在分析顆粒分布對粉土地震液化的影響及機理。

2 研究思路及粉土液化微元損傷

2.1 研究思路

結合粉土的顆粒組成、微觀結構分析微觀概化模型，對模型微單元進行受力分析，了解其地震液化條件下微元的響應；選取臨界錘擊數、動孔隙水壓研究粉土隨粘粒含量變化的響應機制，觀察粉土不同黏粒含量的微觀結構，從微觀結構角度解釋粉土隨黏粒增加臨界錘擊數、動孔隙水壓變化趨勢，得出黏粒含量對粉土地震液化影響及機理。研究流程見圖1。

圖1 研究流程圖

2.2 粉土顆粒組成、微觀結構及微元假定條件

2.2.1 粉土顆粒成分組成

粉土是由砂粒、粉粒及黏粒組成[7]，砂粒粒徑一般介于：0.075-0.25mm之間（據華能濮陽縣500MW風電項目大量實驗資料統計所得）；粉粒粒徑：0.075-0.005mm；黏粒粒徑：小于0.005mm。

2.2.2 研究的微元假定條件

假定粉土砂粒及粉粒為不可壓縮的鋼球，黏土礦物假定為鋼片；震動作用發生時只發生在鋼球及鋼片表面,鋼球及鋼片內部的不發生結構損壞及變形。

2.3 粉土液化微元損傷

2.3.1 微元的作用力

液化微元為粉土中的粒狀顆粒（鋼球），以地下水位以下埋深小于20m的一鋼球(粉、砂粒)為研究對象，對其進行受力分析，其受力可分為：支撐力、接觸摩阻力、膠結力及孔隙水壓力（孔隙水壓力各向同性），土體的抗剪強度來源于接觸力摩阻力、膠結力。接觸摩阻力主要來源于鋼球與鋼球之間的摩擦，膠結力主要來源于鋼片內部的結合水膜的膠結作用。

2.3.2 地震作用對微元的影響

地震作用為交變荷載，在地震力大于鋼球所承受的周圍顆粒的約束力時，鋼球向地震力作用方向位移，土體孔隙有減少趨勢，高頻率交變地震力作用下土體顆粒頻繁位移，粉土滲透系數較小，孔隙水未能及時排出產生超靜孔隙水壓力，顆粒間支撐力逐漸減小甚至消失，顆粒間摩擦力隨之減小甚至消失，土體逐漸液化，當含量較少的黏土膠結物不足以承受土體所受的剪力時，土體發生剪切破壞。

圖2 臨界錘擊數隨黏粒含量變化規律

圖3 震次比與孔壓圍壓比關系曲線

3 黏粒含量對粉土液化性能及動孔隙水壓的影響

3.1 黏粒含量對粉土液化性能的影響

粉土液化性能按臨界錘擊數大小進行判斷，以華能濮陽縣500MW風電項目為例，部分風機位0-20m范圍內分布稍密至中密粉土，地下水埋深約1.5m左右。

砂土、粉土液化判別公式如下[10]：

式中：

Ncr-----液化判別貫入錘擊數臨界值；

No-----液化判別貫入錘擊數基準值；

ds-----飽和土標準貫入點深度(m)；

dw-----地下水位；

ρc-----粘粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3；

β-----調整系數，設計地震第一組取值0.80，第二組取0.95，第三組取值為1.05。

輸入條件：地下水位1.5m，No取12，β取0.95（地震分組為第二組），土層臨界錘擊數隨黏粒含量變化規律見圖2。

由圖可知其他條件相同的條件下，隨黏粒含量增加粉土越不易液化。

3.2 黏粒含量對粉土動孔隙水壓的影響

粉土試樣三軸實驗中圍壓固定，對試樣施加動荷載直至試樣破壞，若動孔隙水壓力(U)與初始圍壓(δЗ)比稱為孔壓圍壓比,震動次數(N)與試樣破壞時動荷載施加總次數(Nf)的比值稱為震次比。黏粒設定為10%、12%及15%條件下震次比與孔壓圍壓比變化曲線見圖3。

由圖可知初始階段隨動荷載施次數的增加，不同黏粒含量的各試樣孔隙水壓力增長速率基本相同，孔隙水壓發展至一定階段，黏粒含量越高，孔隙水壓增長越迅速，之后均趨于穩定試樣破壞。

4 黏粒含量對粉土微觀結構的影響及機理

砂粒及粉粒等粒狀顆粒奠定了粉土的基本骨架，隨黏粒含量的增加，骨架顆粒之間形成的微觀孔隙的填充度逐漸變大，黏粒含量影響粉土如下兩方面性質。

（1）影響黏土膠結物總面積，黏土礦物增加膠結物總膠結面積增加；（2）影響微觀小孔隙的孔隙分布，黏土礦物增加，微小孔隙孔徑區間變小。

5 黏粒含量對粉土液化影響及機理綜合分析

5.1 粉土微元動荷載響應機制

根據2節假定條件，不同粒徑鋼球之間組成孔隙，在地震動荷載作用下，各級鋼球有向周圍孔隙內部位移的趨勢，由于瞬時位錯微元之間喪失接觸時，鋼球處于非接觸狀態，土體液化。

黏土礦物組成的膠結物填充于微觀孔隙之中，減小了土體的滲透性，對動荷載作用下土體抗液化不利，但是在地震動荷載作用下，黏粒填充骨架之間，黏土膠結物沿結合水膜反復剪切，增加土體的抗液化性能。

5.2 黏粒含量對粉土抗液化性能的影響的機理分析

鋼球骨架（粉土中粉粒、砂粒組成的骨架顆粒）被鋼片（黏粒）填充于微孔隙之中（見圖2），隨黏粒含量增加骨架顆粒之間的膠結力增加，該膠結力是由黏土礦物片之間結合水膜承擔，不會隨超靜孔隙水壓力增加而變化，因此隨黏粒含量變化，粉土抗液化性能增加，宏觀表現為隨黏粒含量增加臨界錘擊數減小。

5.3 黏粒含量對粉土動孔隙水壓發展的機理分析

隨動荷載作用次數增加，能量在土體內部積累，初始階段隨動荷載施加，能量積累有限，該階段主要表現為骨架顆粒向大孔隙內位移，之后隨能量積累遞增，骨架顆粒逐漸向微小孔隙內位移。

黏粒含量主要改變的是粉土微小孔隙段的孔徑分布，因此隨動荷載作用次數增加，各黏粒含量粉土動孔隙水壓初始基本相同，之后黏粒含量高的粉土樣品動孔隙水壓增長較快，綜上宏觀性質與微觀結構一致性較好。

5.4 黏粒含量對粉土抗液化性能的綜合影響

隨黏粒含量增加，一方面表現為膠結面積增大，土體抗液化能量增加；另一方面由于粉土骨架顆粒被黏粒填充，隨黏粒含量增加微觀孔徑減少，動孔隙水壓中期增長迅速，對粉土抗液化不利。綜合第3節可知：黏粒增加對孔隙水壓影響的負面作用小于其膠結性能對抗壓化作用的貢獻，黏粒增加宏觀上體現為抗液化能力增加。

6 結論

（1）粉土可看作由砂粒、粉粒及黏粒做成的土體，砂粒、粉粒抽象為鋼球，黏粒可抽象為鋼片。

（2）可液化微元為粉土中的粒狀顆粒（鋼球），其受力可分為：接觸摩阻力、膠結力及孔隙水壓力，土體的抗剪強度來源于接觸摩阻力及膠結力。

（3）其他條件一定，隨黏粒含量增加，粉土液化臨界錘擊數降低，抗液化性能增強。

（4）粉粒含量一定，隨黏粒含量增加，粉土動荷載作用條件下，動孔隙水壓初期受黏粒含量增加影響較小，中期隨黏粒含量增加，增速變大。

（5）黏粒增加對粉土抗液化效應（表現為黏聚力增大）大于其促進液化的效應(表現為動孔隙水壓增大)，黏粒增加宏觀上體現為抗液化能力增加。