考慮靜偏應力影響的含粉粒砂土循環(huán)與循環(huán)后特性研究

◎呂斌 潘坤 潘曉東 浙江工業(yè)大學土木工程學院

在近淺海的大河三角洲、殘積平原和水下淺灘地區(qū)，由于河流和海洋等水動力因素的分選沉積作用，大量以砂粒含量為優(yōu)勢并摻雜粉粒或黏粒等細粒的砂性土廣泛分布。在復雜的動荷載（風浪、潮汐、海流）作用下，土體易發(fā)生強度衰減、動力液化和流動失穩(wěn)等災變現(xiàn)象，因此關于含細粒砂土的力學特性研究一直以來備受廣大研究者的關注[1-3]。

現(xiàn)實中地基土體包括天然海床土體常處于非等向應力狀態(tài)，存在著初始偏應力作用[4-6]。大量試驗研究表明初始靜偏應力對土體的動力響應有很大的影響。最早Lee和Seed[7]在室內(nèi)三軸試驗中，通過施加非等向豎向固結應力和水平固結應力來實現(xiàn)對靜偏應力的模擬。Hyodo等[8]和谷川等[9-10]通過開展大量的循環(huán)三軸試驗，綜合考慮砂土的密實度、圍壓和靜偏應力的影響，發(fā)現(xiàn)靜偏應力作用呈現(xiàn)明顯的狀態(tài)相關性，其不排水循環(huán)剪切響應可概括為三類模式：流動液化、循環(huán)活動性和殘余變形累積。陳國興等[11]通過對循環(huán)荷載下片狀細砂不排水動力性態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)是否靜偏應力反向決定著振動孔壓的發(fā)展，同時還影響著循環(huán)荷載下的破壞模式。另一方面，對于考慮細粒含量對土體性質(zhì)和剪切特性的影響，結合以往學者的研究發(fā)現(xiàn)結論不一。Thevanayagam和Martin[12]研究發(fā)現(xiàn)當細粒含量達到30%的時候抗液化現(xiàn)象會表現(xiàn)出明顯的減少。Carraro等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)，飽和砂土隨著細粒含量增多，峰值應力與臨界狀態(tài)摩擦角也隨之增大。朱建群等[14]在進行不排水單調(diào)剪切試驗時發(fā)現(xiàn)細粒含量的增減會影響砂土的抗剪強度和剛度。參考實際工程中波浪荷載的時間間隔性，結合Wang等[15-16]僅考慮了等向固結情況下粉細砂后循環(huán)單調(diào)剪切強度變化和孔壓特性，因此對靜偏應力作用下的含細粒砂土循環(huán)后特性的研究有待開展。

本文通過一系列室內(nèi)靜、動三軸試驗，在獲得各細粒含量下粉砂的臨界狀態(tài)線后，控制相同的狀態(tài)參數(shù)下，研究了不同靜偏應力和不同細粒含量對飽和砂土循環(huán)與循環(huán)后特性的影響。

1.試樣制備及試驗方案

1.1 試驗設備與試樣制備

試驗采用GDS標準型動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ELDCS數(shù)字控制系統(tǒng)和電機控制的電液伺服加載系統(tǒng)等組成，可以精確地在動態(tài)試驗中控制軸向力和軸向位移，在GDSLAB控制和數(shù)據(jù)采集軟件中設置好循環(huán)加載正弦波的基準（偏應力值）、幅值和加載頻率后開始動三軸試驗。

試驗用砂為福建標準砂，對原始砂通過研磨制備細粒（粒徑分布為2-75μm），控制原始砂和細粒相對含量獲得不同細粒含量的（fc=5,10,20%）砂樣，測得各細粒含量土樣物性指標和顆粒級配曲線分別如表1和圖1所示。

圖1 測試土樣顆分級配曲線

表1 測試土樣基本物性指標

試樣直徑50mm，高度100mm，采用濕搗法分層制樣。將特定質(zhì)量的烘干砂樣配和指定比例的細粒還有5%的無氣水，經(jīng)攪拌均勻后分層加入并擊實到指定高度，施加微小負壓以檢查氣密性和加持試樣，再依次緩慢通入二氧化碳和無氣水[18-19]，經(jīng)施加420kpa反壓進行反壓飽和后，當測得的B值大于0.96時基本認為試樣達到飽和狀態(tài)。

1.2 試驗方案

Roscoe等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)，無論土樣的密實度和圍壓如何，隨著剪切的進行，土樣所受的有效應力和體應變趨于穩(wěn)定，只有剪應變持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)稱為土的臨界狀態(tài)。Li和Wang[21]曾提過在e-p'平面內(nèi)，可通過一定的形式進行線性表示。以相同的有效圍壓p0'=100kpa和單調(diào)剪切速率0.1mm/min，對細粒含量為0、5%、10%和20%的四類砂土，進行系列不同孔隙比的不排水單調(diào)壓縮試驗。根據(jù)單調(diào)試驗，得到如圖2所示四類砂土的e-p'/pa臨界狀態(tài)線。

圖2 土樣e-p'/pa臨界狀態(tài)線

由圖2可以看出，由于各細粒含量砂土基本物理性質(zhì)近似，各細粒含量砂土的e-p'/pa臨界狀態(tài)線近似平行，這與Yang[22]的研究相符，且隨著細粒含量的增加，土樣臨界狀態(tài)線下移。

在控制相同的狀態(tài)參數(shù)條件下，對各細粒含量砂土進行不同初始偏應力qs條件下，特定循環(huán)偏應力幅值qcyc的一系列等幅循環(huán)加載試驗，包括循環(huán)后單調(diào)剪切試驗和循環(huán)后再循環(huán)剪切試驗。

參考Ishihara和Vaid等[23-24]研究，循環(huán)加載階段的破壞標準采用應變標準，即軸向應變達到5%的單幅（Single-amplitude，SA）或雙幅（Double-amplitude，DA）時可認為試樣發(fā)生破壞。試樣在先期循環(huán)加載下發(fā)生破壞后，再進行固結讓試樣回到循環(huán)加載之前時的應力狀態(tài)，即回到循環(huán)加載之前時的初始有效正應力p0'和偏應力qs，并穩(wěn)定30分鐘。為了更符合實際生活中的波浪荷載，循環(huán)加載應力路徑采用正弦波形式，周期為120s。具體試驗方案參見表2。

表2 不排水循環(huán)三軸試驗系列

2.試驗結果

循環(huán)與循環(huán)后試驗。通過循環(huán)加載試驗得到了如圖3所示，四類砂土在狀態(tài)參數(shù)條件下，破壞振次Nf1與靜剪應力比SSR的關系。從圖中可看出，10%粉砂位于最上方，其次是5%粉砂，最底部的是純砂，可見粉粒含量對砂土抗循環(huán)剪切強度的影響是隨著粉粒含量的增加，抗剪強度呈現(xiàn)先增大后減小。此外，四類砂土破壞振次Nf1隨靜剪應力比SSR的變化趨勢具有相似性，個別SSR值較大試樣未發(fā)生破壞的情況下除外，一般在靜剪應力比SSR=0.1處動強度達到最大值。

圖3 破壞振次和靜剪應力比SSR關系

其次，通過循環(huán)后再單調(diào)試驗發(fā)現(xiàn)，試樣單調(diào)剪切強度受先期循環(huán)加載模式和初始偏應力大小影響。文中給出了圖4～圖6，純砂在三種循環(huán)加載模式下循環(huán)后再單調(diào)響應。

圖4和圖5分別為循環(huán)活動性和流動液化響應模式，共同點是在循環(huán)加載后期軸向應變突增，試樣發(fā)生了破壞。根據(jù)應力路徑曲線，該兩種模式下循環(huán)后單調(diào)剪切強度有所降低。與此相比，圖6為殘余變形累積響應模式，在加載后期軸向應變緩慢發(fā)展，孔壓在達到峰值后逐漸降低，有效應力逐漸增大，試樣發(fā)生應變硬化。在該種循環(huán)響應模式下，試樣在后期單調(diào)剪切過程中剪切強度得到了提高。

圖4 純砂在作用下單調(diào)響應及kpa作用下循環(huán)和循環(huán)后再單調(diào)響應

圖5 純砂在作用下單調(diào)響應及kpa作用下循環(huán)和循環(huán)后再單調(diào)響應

圖6 純砂在kpa作用下單調(diào)響應及kpa作用下循環(huán)和循環(huán)后再單調(diào)響應

此外，盡管試樣在先期循環(huán)加載過程中發(fā)生了流動破壞，但當初始偏應力較大時，其在后續(xù)單調(diào)剪切階段響應類似于殘余變形累積模式下情況，其單調(diào)剪切強度也有所提高。如下圖7所示純砂在qs=60 kpa及kpa作用下循環(huán)后再單調(diào)響應。

圖7 純砂在qs=60 kpa作用下單調(diào)響應及kpa作用下循環(huán)和循環(huán)后再單調(diào)響應

與循環(huán)后再單調(diào)試驗類似的是，通過比較循環(huán)后再循環(huán)試驗先、后破壞振次Nf1、Nf2與靜偏應力比的關系，發(fā)現(xiàn)在初始偏應力比較大的情況下，試樣在再循環(huán)階段的動強度較其先期動強度有所增大。如圖8四類砂土先后、破壞振次Nf1、Nf2與靜偏應力比的關系所示。

圖8 先后破壞振次、與靜剪應力比SSR關系

3.結論

本文針對不同細粒含量砂土在相同狀態(tài)參數(shù)下，開展了一系列飽和不排水動三軸試驗。探討了細粒含量和初始偏應力對砂土剪切特性及循環(huán)后特性的影響。主要得出以下結論：

（1）對于純砂和細粒含量5%、10%及20%的粉砂，其e-p'/pa臨界狀態(tài)線近似平行且隨著細粒含量的增加逐漸下移。

（2）在相同的狀態(tài)參數(shù)下，摻雜些許細粒含量既可能提高土體抗剪強度，也可能降低土體抗剪強度，隨著細粒含量的增加，土體強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。對于本文采用的福建標準砂，一般在靜剪應力比SSR=0.1處動強度達到最大值。

（3）對于循環(huán)后再單調(diào)試驗，砂土單調(diào)剪切強度的變化受先期循環(huán)加載響應模式和初始偏應力大小的影響。在發(fā)生以流動破壞為主的循環(huán)響應下，土樣后期單調(diào)剪切強度將會有所降低甚至發(fā)生液化；若發(fā)生以殘余變形累積為主的循環(huán)響應下，土樣后期單調(diào)剪切強度將得到顯著地提高。此外，在較大壓縮偏應力作用下，先期循環(huán)加載響應模式對土樣后期單調(diào)剪切強度的影響較小，土樣的抗剪強度同樣得到了增大。

（4）對于循環(huán)后再循環(huán)試驗，砂土的先期循環(huán)剪切強度除與細粒含量有關外，還與靜剪應力比大小有關，特別地，在靜剪應力比絕對值（）較大時，先期循環(huán)加載試驗將有助于后續(xù)砂土循環(huán)剪切強度的提高。