福建標準砂的液化特性試驗研究

利用GDS多方向動態(tài)循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)進行了動單剪試驗，對相對密實度為80%的福建標準砂，在飽和、均等固結(jié)條件下進行動態(tài)循環(huán)荷載剪切試驗，探究循環(huán)應力比對不排水條件下密砂循環(huán)特性的影響。試驗結(jié)果表明：密砂抗液化能力與循環(huán)應力比密切相關，循環(huán)應力比越大，孔壓上升越快，應變發(fā)展越快，試樣在更少的加載圈數(shù)下更容易發(fā)生液化。

動單剪; 循環(huán)應力比; 福建標準砂; 液化

TU411.2A

建筑設備與建筑材料建筑設備與建筑材料

［定稿日期］2023-02-28

［基金項目］四川省自然科學基金面上項目（項目編號：2022NSFSC0475）

［作者簡介］蔣民軒（1997—），女，碩士，研究方向為地震邊坡。

0" 引言

砂土作為一種天然的建筑材料被廣泛地應用在路堤、大壩、斜坡等各種建筑設施基礎中［1］。影響飽和砂土液化的因素有很多，如：動強度、砂土的類型和狀態(tài)、初始應力狀態(tài)等。在循環(huán)荷載特別是地震荷載作用下，砂土易發(fā)生液化進而引發(fā)修建在砂土地基上的建筑物出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生破壞。

飽和松散的砂土在動荷載作用下喪失其原有強度而急劇轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，稱為振動液化［2］。振動液化現(xiàn)象是一個特殊的強度問題，表現(xiàn)為強度大幅度喪失，在施加周期循環(huán)荷載的動三軸試驗中已將這種現(xiàn)象得到證實。砂土液化常在地震時發(fā)生，1966年邢臺地震、1975年海城地震和1976年唐山地震都引發(fā)了大范圍的砂土液化，液化造成地基喪失承載力，建筑物大量沉陷和倒塌。之后，有很多研究者都開展了大量工作來解釋和理解土壤液化［3-8］。1688年我國山東郯城地震就有記錄顯示“城東北，井三口，噴水高三四尺”。1970年以來，F(xiàn)inn［9］在1981年的國際會議上第一次提出液化的潛在性；Ishihara K等［10］通過三軸扭轉(zhuǎn)裝置研究了飽和砂土的液化特性；Seed等［11-12］研究了飽和砂土在地震循環(huán)荷載作用下的液化問題及不排水條件下的孔隙水壓力的形成和殘余強度等；Yoshimi等［13-14］研究了不排水循環(huán)三軸試驗下的未擾動砂土的循環(huán)特性等；同濟大學的周健和史旦達等［15］研究過循環(huán)荷載作用下的飽和砂土的液化特性。

基于動單剪試驗，使用福建標準砂作為試驗材料，制成密實度為80%的密砂，在相同的條件下進行飽和、固結(jié)，加載不同循環(huán)應力比的正弦波荷載，為探究不同循環(huán)應力比對砂土循環(huán)特性的影響。

1" 實驗材料和設備

使用的儀器是英國GDS公司生產(chǎn)的多方向動態(tài)循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)（MDDSS），如圖1所示。MDDSS采用電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)，提供3個動態(tài)控制作動器，3個方向均可獨立進行加載，可以施加最大法向荷載（x向）10 kN、剪切向為5 kN（y和z向），頻率為1 Hz的動態(tài)荷載。在試驗過程可以通過計算機輸入?yún)?shù)進行控制，儀器的所有加荷控制和測量數(shù)據(jù)均可以實現(xiàn)計算機實時顯示反饋。

如圖2所示，在試驗中使用高度為20 mm和直徑為50 mm的圓柱形試樣。這樣的直徑與高度比可以盡量減小試樣中的應力和應變的不均勻性［16-18］。將24個低摩擦性的聚四氟乙烯涂層環(huán)（每個高 1.1 mm）放置在試樣橡膠膜外部。聚四氟乙烯涂層環(huán)環(huán)的硬度可以保證試樣實現(xiàn)K0固結(jié)。接著，在常體積條件下進行不排水加載試驗。在不排水循環(huán)剪切試驗中，試樣的高度和直徑恒定，儀器保持試樣頂座固定，而底座以一定的速率移動。儀器具備反壓壓力源，可以在動態(tài)加載過程中實時測量超孔隙水壓力。

采用的試驗材料是福建標準砂，福建標準砂是二氧化硅為主要成分的天然石英質(zhì)海砂。將砂烘干后進行篩分實驗、最大最小干密度實驗、相對密度試驗，表1總結(jié)了福建標準砂的基本物理性質(zhì)，級配曲線見圖3。

2" 實驗過程

在疊置的聚四氟乙烯涂層環(huán)內(nèi)套橡膠膜，放置濕潤后的濾紙，使用落砂法分3層在橡膠膜內(nèi)均勻填上福建標準砂，制成密實度Dr為80%，高度20 mm、50 mm的圓柱形試樣。然后對試樣進行飽和，在本實驗中，每個試樣都進行了3個階段的飽和過程，首先是二氧化碳飽和，在圍壓20 kPa條件下通CO2 維持2 h，接著是水飽和，保持圍壓20 kPa，反壓10 kPa，維持2 h，最后是反壓飽和，采用圍壓與反壓相差10kPa梯級加載的方式。飽和階段完成后，固結(jié)使有效圍壓σ′v 達到100 kPa，維持至關閉排水閥后5 min內(nèi)孔隙壓力不上升即認為固結(jié)完成。固結(jié)完成后關閉排水閥，然后進行應力控制的循環(huán)剪切試驗，施加頻率為0.2 Hz的正弦波荷載。破壞標準選用孔壓標準，即當孔壓達到固結(jié)圍壓時，認定為破壞。

為了研究不同循環(huán)應力水平對福建標準砂不排水循環(huán)特性的影響，循環(huán)應力比CSR=τd/σ′v，其中τd為循環(huán)剪應力、σ′v為初始固結(jié)有效應力，設置CSR依次為0.3、0.4、0.5，加載波形為等幅正弦波，加載頻率為0.2 Hz。

建筑設備與建筑材料蔣民軒： 福建標準砂的液化特性試驗研究

3" 結(jié)果分析

圖4（a）、圖4（b）顯示了試樣在CSR為0.3的正弦荷載條件下的有效應力曲線和超靜孔隙水壓增長曲線。隨著不斷加載，超靜孔隙水壓力逐漸增大，在接近37個循環(huán)時，開始保持穩(wěn)定的振動。由于超靜孔隙水壓力的積累而引起的有效應力減小，有效應力路徑逐漸向原點移動，趨近于零，同時超靜孔隙水壓力并非一直保持在初始圍壓水平，而是隨著正弦波荷載作用循環(huán)變化，所以試樣加載后得到的應力路徑在原點附近循環(huán)，結(jié)果形成一個完美的蝴蝶形曲線。圖4（c）顯示了應力應變曲線，曲線類似于一系列原點對稱的封閉滯回圈。在最初幾個循環(huán)，滯回圈比較陡峭，斜率較大，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，滯回圈逐漸向右傾斜，漸漸被拉長，從較為飽滿的橢圓變?yōu)楸馄降乃鬆睢?/p>

圖5顯示了試樣的CSR為0.4的正弦荷載條件下的破壞過程。圖5（d）顯示了應變發(fā)展曲線，試樣應變隨著正弦波應力不斷循環(huán)，加載前9圈，應變變化范圍很小（γlt;1%），隨著循環(huán)圈數(shù)N的增加，應變不斷增加，直到加載到第34圈試樣達到孔壓破壞標準。

圖6顯示了試樣在CSR為0.5的正弦荷載條件下的破壞過程。在不排水條件下，隨著循環(huán)圈數(shù)N的增加，孔隙水壓力不斷增加，并且孔隙水壓力的增長速率同CSR水平有關。當CSR較小時，在加載的最初幾圈內(nèi)，孔隙水壓力增長較快，但在之后的加載，孔隙水壓力增長速度放緩，直至達到一種平衡狀態(tài)；當CSR較大時，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，孔隙水壓力迅速上升，試樣很快達到破壞狀態(tài)，且隨著CSR越大，超靜孔隙水壓力也越快接近初始有效圍壓。CSR為0.3時，試樣在加載到第37圈發(fā)生破壞，當CSR為0.4時，試樣在加載到第34圈發(fā)生破壞，而當CSR為0.5時，試樣在加載到第21圈即發(fā)生破壞。

從圖7可知，當CSR為0.3、0.4時，剛開始加載時應變振動幅值很小，當循環(huán)圈數(shù)達到20圈左右，可以達到2%的單幅應變，之后應變的振幅開始增大。隨著循環(huán)應力比變大，應變振動的振幅開始增大的更快，當CSR為0.5時，在第2個循環(huán)即可達到2%的單幅應變，當試樣液化時，最大單幅應變已達8.6%。

從圖8超靜孔隙水壓力發(fā)展曲線可以看出，CSR越大，超靜孔隙水壓力隨著加載過程而增長的速度越快。并且隨著CSR的增大，由于超靜孔隙水壓力增長加快，有效應力向原點靠近的速度也加快，見圖9。

4" 結(jié)論

在不排水條件下，隨振動次數(shù)的增加，超靜孔隙水壓力不斷上升，有效應力逐漸趨近于零，變形不斷增大。孔隙水壓力的增長速率同CSR水平密切相關，當CSR越大，孔隙水壓力上升斜率越大，超靜孔隙水壓力越快接近初始有效圍壓，試樣更快達到破壞狀態(tài)。并且由于超靜孔隙水壓力增長加快，有效應力向原點靠近速度也加快，試樣在更少的加載圈數(shù)下即可破壞。隨著CSR越大，應變振動幅度開始增大的更快。當CSR為0.3、0.4時，循環(huán)圈數(shù)在20圈左右，才可以達到2%的單幅應變；當CSR為0.5時，在第2個循環(huán)即可達到2%的單幅應變，當試樣液化時，最大單幅應變已達8.6%。

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