飽和摻礫砂土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張志昊

(漳州城投建工集團(tuán)有限公司，福建 漳州 350600)

0 引 言

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為砂礫土顆粒較粗,礫石含量多,在地震中不會(huì)出現(xiàn)液化[1],而在近二十年來的多次大地震中均發(fā)現(xiàn)砂礫土的液化現(xiàn)象,如1999年臺灣集集地震[2]、2008年中國汶川地震[3]等,因此砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度問題近年來成為國內(nèi)外學(xué)者的研究焦點(diǎn)。此前國內(nèi)外學(xué)者對飽和砂土的動(dòng)強(qiáng)度問題開展了大量而廣泛的研究,取得了豐富的研究成果[4-6]。而對砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度研究相對較少,Wong等[7]進(jìn)行了飽和摻礫砂土的動(dòng)強(qiáng)度三軸試驗(yàn),證實(shí)了砂礫土的液化現(xiàn)象。Evans等[8]研究了摻礫量對砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度隨著摻礫量的增多而增大。王艷麗等[9]研究了含礫量對飽和摻礫砂土液化特性的影響,結(jié)果表明砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度隨含礫量的增加呈單調(diào)遞增趨勢。王炳輝等[1]進(jìn)行了砂礫土液化強(qiáng)度的振動(dòng)臺試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)飽和砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度隨著含礫量和相對密度的增加而顯著增大的現(xiàn)象。孫田等[11]研究了礫石形狀對砂礫土動(dòng)剪切模量的影響,發(fā)現(xiàn)圓礫砂礫土比角礫砂礫土具有更大的動(dòng)剪切模量,且砂礫土動(dòng)剪切模量最大值存在礫石含量的一個(gè)閥值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用材料為篩選江河砂礫石料,制備試樣前需對砂礫石料進(jìn)行篩分,分選出亞圓形、棱角形、片狀3中不同形狀的礫石,礫石粒徑控制在2～5 mm,砂礫土物理力學(xué)性質(zhì)見表1。試驗(yàn)所用的砂礫土均為重塑土樣,由礫粒與沙粒分別按照不同配比重新配制而成,試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻入的礫粒含量P5分別為15%,30%,45%和6%的4種級配的砂礫土,該級配曲線與中國唐山、臺灣集集和日本阪神等國內(nèi)外地震多發(fā)的液化砂礫土級配類似,相對具有一定的代表性。3種形狀礫粒的砂礫土具有相同的級配曲線,如圖1所示。

表1 砂礫土粒物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 摻礫砂土級配曲線

1.2 試驗(yàn)原理

利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度特性,充分飽和砂礫土,等壓固結(jié)后進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn),振動(dòng)周次設(shè)置為600次,循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比CSR根據(jù)試驗(yàn)的動(dòng)應(yīng)力與有效圍壓來確定,CSR的公式為:

(1)

試驗(yàn)時(shí)需反復(fù)調(diào)整動(dòng)應(yīng)力比值,若試樣剛振動(dòng)便發(fā)生破壞,則須降低動(dòng)應(yīng)力比值,若試樣振動(dòng)周次達(dá)到600次未破壞,則須提高動(dòng)應(yīng)力比值。當(dāng)試驗(yàn)加載的軸向應(yīng)變達(dá)到εd=5%時(shí),則試樣破壞,試樣的動(dòng)強(qiáng)度從循環(huán)動(dòng)應(yīng)力σd與破壞振次Nf的關(guān)系中體現(xiàn),即σd～lgNf曲線。

1.3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)采用的儀器為GDS動(dòng)三軸儀,如圖2所示。該GDS動(dòng)三軸儀主要由三軸壓力室和平衡器、電控系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)組成,如圖2所示。動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)為固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn),固結(jié)壓力分別為100 kPa、200 kPa和400 kPa,對試樣施加正弦波荷載,采用軸向應(yīng)變控制,振動(dòng)頻率為1 Hz。試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)數(shù)據(jù)由微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集,記錄下固結(jié)過程、動(dòng)荷載、動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程數(shù)據(jù),最后需對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)了8組動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn),共25個(gè)有效試樣。

圖2 GDS動(dòng)三軸儀

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻礫量的影響

以棱角形摻礫砂土為例,不同圍壓下?lián)降[量對砂礫土動(dòng)強(qiáng)度的影響CSR～lgNf曲線如圖3所示。

圖3 摻礫量對砂礫土CSR～lgNf的影響曲線

CSR與lgNf呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系,CSR值隨振動(dòng)次數(shù)逐漸降低,摻礫量越多,CSR值越大,表明摻礫砂土動(dòng)強(qiáng)度隨著摻礫量的增多而增大,并且隨圍壓的升高這種趨勢越來越明顯,這是因?yàn)楦邍鷫菏沟妙w粒間接觸點(diǎn)增多,法向應(yīng)力變大,礫粒之間咬合力增大,從而使得試樣抵抗剪切破壞的能力提高。

2.2 動(dòng)強(qiáng)度CRR

將試驗(yàn)在循環(huán)次數(shù)為15周次時(shí)試樣發(fā)生液化所需CSR定義為土體CRR(土的動(dòng)強(qiáng)度概念),繪制Pg與CRR關(guān)系曲線,如圖4所示,可見圍壓對砂礫土CRR值影響較小,而摻礫量對CRR值影響較為明顯,摻礫量越多,砂礫土的CRR值越大。

圖4 摻礫砂土CRR-Pg的關(guān)系曲線

2.3 摻礫形狀的影響

選取摻礫量為45%時(shí),3種摻礫形狀對砂礫土動(dòng)強(qiáng)度的影響CSR～lgNf曲線如圖5所示。

圖5 摻礫形狀對砂礫土CSR～lgNf的影響曲線

相對摻礫量而言,礫粒形狀的影響相對較小,不同圍壓下,片狀摻礫砂土顯示出CSR值最大,而亞圓形摻礫砂土的CSR值最小,棱角形摻礫砂土介于兩者之間,表明礫粒形狀越不規(guī)則,砂礫土的動(dòng)強(qiáng)度越大。

3 結(jié)束語

(1)CSR值隨振動(dòng)次數(shù)逐漸降低,摻礫量越多,CSR值越大,表明摻礫砂土動(dòng)強(qiáng)度隨著摻礫量的增多而增大,并且隨圍壓的升高這種趨勢越來越明顯。

(2)圍壓對砂礫土CRR值影響較小，而摻礫量對CRR值影響較為明顯，摻礫量越多，砂礫土的CRR值越大。

(3)亞圓形摻礫砂土動(dòng)強(qiáng)度比片狀的摻礫砂土強(qiáng)度低，摻棱角狀礫砂土則比亞圓略高，比摻片狀礫砂土略低。