魯西黃泛區淤積粉土動力特性研究

韓 超，崔學仕，王旭鋒，譚 浩，張永飛

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；3.濟南大學土木建筑學院，山東 濟南 250002)

0 引言

近年來，全球范圍內地震災害頻發，造成嚴重的經濟和生命財產的損失。地基液化失穩引發建筑物倒塌、沉陷、傾覆等是典型的地震次生災害[1]。從而，研究易液化土的抗液化特性對防范地震災害具有重要的理論和應用意義。國際上，Seed等[2]最早開展土體液化研究，對振動荷載下飽和砂性土液化機理進行了總結，并提出了實用的判斷砂性土液化的經驗方法。Salour等[3]試驗探索了粉土累積應變隨振次的發展規律，并嘗試用數學模型進行解釋。Polito等[4]對重塑粉土樣進行了動三軸試驗，發現不同粒徑顆粒含量影響粉土抗液化強度的。國內學者陳國興等[5]發現在等壓固結條件下可以用雙曲線模型描述動荷載作用下的孔壓發展模式。黃鋒和樓志剛[6]研究了南海海洋粉質土不同排水條件下的動三軸特性，發現排水過程正常固結狀態土樣的孔隙水壓力發展速率會有所降低、不排水強度會有所提高。此外，曹成林等[7]、羅強[8]、丁志宇等[9]通過動三軸研究了細粒含量對粉土動強度的影響。總體上研究發現，土的動力特性及抗液化特性即動力作用下土的力學性能，會受到土體周圍壓力、孔隙比、顆粒組成、含水率、應變幅值等多方面因素的影響。

針對黃泛區土體動力學特征，董正方等[10]以圍壓、干密度和細粒含量作為影響因素對開封地區粉砂土的動強度和抗液化強度進行研究，李曉靜等[11]、趙心濤[12]針對魯北粉土進行動三軸試驗，得出實度和黏粒含量對動強度的影響規律。盡管有學者針對粉土、砂土和粉砂等在土體液化方面取得了一些有益結果，但對魯西黃泛區淤積粉土在偏壓影響下動力特性還不夠充分。本文針對魯西黃泛區粉土開展動三軸試驗，研究圍壓和偏壓對其抗液化特征影響，以期為相關工程設計和施工提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本研究土樣取自山東省菏澤市鄆城縣城南偏東約9 km處，聯合篩分法和激光粒度分析法開展顆粒分析試驗(見圖1)，分析可知，土樣不均勻系數Cu為4.79，曲率系數Cc為1.67，土體級配不良。

1.2 試樣制備

根據GB/T 50123—1999土工試驗方法標準，試驗采用擊實法制作50 mm×100 mm的重塑土樣。將取回土樣依次進行碾碎、過篩、烘干、配水、密封保濕等步驟后備用，配水時采用分層濕法配置水的質量分數為20%的濕土，使用噴霧設備噴灑預估加水量，土樣和水充分拌勻后，保鮮膜密封養護12 h以上。測試濕潤土樣不同位置的含水率，測得水的質量分數與制備標準之差值在±1%范圍內滿足要求。試樣分三層擊實，按目標干密度計算每層所需濕土質量，每層擊實5次～20次不等，以擊至所需高度為準(見圖2)。擊實后用鋼尺進行刨毛，避免出現分層斷裂現象，稱重并四周貼6條長約12 cm的濾紙，以保證土樣表面的水利貫通，更容易滲流，同時保護土樣(見圖3)。

試驗土樣采用真空飽和法和反壓飽和法進行飽和。安裝完成后對土樣進行等壓固結、偏壓固結和動幅值加載，如圖4所示。動荷載施加頻率為單向1 Hz，試驗方案見表1。

表1 粉土動三軸試驗方案

合理指定破壞標準是討論土體動強度問題的基礎。本試驗針對土體動強度的破壞標準為試樣受循環動荷載時，將峰值循環孔壓與圍壓的比值初次達到100%，即孔壓比為1時的狀態稱為初次液化。若雙幅軸向應變達5%時孔壓未達到初始固結圍壓則以應變標準作為補充破壞標準。若均未達到以上兩個破壞標準，則以軸向應變值初次達到5%作為破壞標準。

2 試驗結果與分析

2.1 應力路徑發展規律

根據動三軸試驗結果，繪制不同工況條件下的飽和黃泛區淤積粉土應力路徑及應力應變曲線。限于篇幅，本文僅列出圍壓50 kPa-偏壓40 kPa條件不同加載幅值的試驗土樣偏應力-有效平均主應力(q-p)和偏應力-軸向應變(q-εa)關系(見圖5～見圖7)。可以看出，因阻尼的存在，土體在動力循環作用下的應力應變曲線表現為滯回圈狀，在振幅較小時，整個循環加載階段試樣的應力應變曲線繪制成的滯回圈幾乎重疊，骨干曲線的斜率在同一工況下保持一致，土單元隨循環荷載主要發生彈性變形；隨著加載次數的增加，滯回圈的形狀、面積大小幾乎不發生改變，試樣內部應力分布沒有發生失衡，內部結構處于相對穩定的狀態，宏觀上沒有出現較為明顯的塑性變形，仍然具有較大的動應力強度。在振幅較大時，滯回圈形狀隨著循環圈數的增加失去其穩定性，滯回圈面積逐漸增大，骨干曲線傾角不斷減小，表明試樣內部能量耗散在增加，土體發生破壞。

2.2 圍壓及偏壓對動強度影響

圍壓是模擬土體埋深的重要影響因素，本試驗在干密度和偏壓固結壓力不變，分析圍壓對黃泛區粉土動強度的影響，取圍壓50 kPa,100 kPa和200 kPa。保持干密度和圍壓不變，分析偏壓對黃泛區粉土動強度的影響，取偏壓0 kPa,40 kPa和80 kPa。圖8分別是試樣在不同圍壓和偏壓下動強度曲線。可以看出，圍壓與偏壓對土體動強度的影響較大且規律性明顯，在其他條件一定時，動強度曲線隨圍壓和偏壓的增加逐漸升高，但動強度的變化并不隨圍壓或偏壓的增減呈等距的變化。

2.3 圍壓及偏壓對動剪切模量影響

土體在動荷載作用下的動彈性模量是評價土體剛度水平、分析動力特性重要依據，定義和計算方法為：

(1)

其中，σd為動應力；εd為動應變；σmax,σmin和εmax,εmin分別為一個循環加載周期內動應力和動應變的最大值和最小值。

動三軸試驗中，動剪切模量Gd,動彈性模量Ed、動剪切應變rd、軸向應變εd之間關系如下式：

γd=εd(1+μ)

(2)

(3)

(4)

其中，μ為泊松比，對于飽和不排水動三軸試驗取0.5。

最大剪切模量Gmax計算方法參考謝定義《土動力學》，采用試驗法確定，根據試驗結果得到εd～σd關系曲線，轉化為εd/σd～εd曲線，將此曲線擬合直線后取縱截距的倒數得到彈性模量E0，最大剪切模量Gmax計算式為：

(5)

圖9為圍壓、偏壓變化時動剪切模量比與動剪應變關系。可以看出，在相同動剪應變下，黃泛區粉土的動剪切模量比隨著圍壓及偏壓的增大而增大，可能原因為圍壓和偏壓越高，土體內部結構越密實，試樣抗剪強度就越高。

2.4 圍壓及偏壓對阻尼比影響

阻尼比是土動力特性表征的一個重要參數，代表土體動應力-動應變關系中動應變對動應力的滯后性，反映土體內部因動荷載作用發生摩擦而消耗能量的特點。在循環荷載下，土體消耗能量的大小一般用阻尼比λ表示。

(6)

其中，W為加載過程中的總能量；ΔW為一次加載所消耗的能量。

圖10為不同圍壓與偏壓下阻尼比隨動剪應變的變化關系。可以看出，偏壓恒定時，阻尼比隨著圍壓從50 kPa升至100 kPa時變化較小；圍壓恒定時，阻尼比隨偏壓的增大而降低，可能原因是偏壓力越大土體顆粒內部接觸越緊密，循環一周所需能量就越少，即阻尼比就越低。

3 結論

通過室內動三軸試驗，進行了黃泛區粉土不同圍壓、偏壓和動荷載幅值條件下的動力特性試驗。根據試驗結果和分析，得出以下結論：1)圍壓與偏壓對土體動強度的影響較大且規律性明顯，動強度曲線隨圍壓和偏壓的增加逐漸升高；2)在相同動剪應變下，黃泛區粉土的動剪切模量比隨著圍壓及偏壓的增大而增大；3)阻尼比受圍壓影響較小，受偏壓影響大，并隨著偏壓的增大而逐漸降低。