循環(huán)荷載作用下鈣質(zhì)砂液化及體變特性

李 博,陳 烈,余 闖

(1. 溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 溫州 325035; 2. 韌性城市生命線工程智慧防護(hù)應(yīng)急技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 溫州 325035)

0 引言

鈣質(zhì)砂是一種由海洋生物骨架殘骸經(jīng)物理、生物及化學(xué)作用后形成的土,性質(zhì)類似于砂土,主要成分是碳酸鈣,含量可達(dá)到90%以上。鈣質(zhì)砂廣泛分布于南北回歸線之間的熱帶太平洋,印度洋和大西洋海域。鈣質(zhì)砂具有形狀不規(guī)則、多孔隙、易破碎和摩擦角大等特點(diǎn)[1]。由于成因不同,鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)與陸源石英砂存在較大差異。吹填島礁工程施工難度大,經(jīng)濟(jì)成本高,因此島礁地基防抗震減災(zāi)問題是工程界重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。我國南海地處太平洋西部海域,是世界三大地震帶之一,為地震多發(fā)區(qū)域。地震所引起的自然災(zāi)害對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的危害。

從1993 年關(guān)島地震[2]、2006 年夏威夷地震[3]、2010 年海地地震[4]的震害資料來看,鈣質(zhì)砂在地震過程中會(huì)發(fā)生液化,會(huì)造成建筑物嚴(yán)重的破壞。鈣質(zhì)砂主要成分與常見的石英砂不同,由碳酸鈣構(gòu)成,同時(shí)結(jié)構(gòu)上具有多孔隙易破碎等特點(diǎn),使其具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性[5]。其中鈣質(zhì)砂在循環(huán)荷載下的孔隙水壓力特征,是研究其動(dòng)力特性的關(guān)鍵。針對(duì)這一問題,王桂萱等[6]對(duì)砂質(zhì)土展開研究,建立了砂質(zhì)土的孔壓上升模型;王艷麗等[7]發(fā)現(xiàn)顆粒性土體的孔隙水壓力增長速率與所施加的循環(huán)應(yīng)力幅值有關(guān)。雖然大量關(guān)于砂質(zhì)土的孔隙水壓力研究已經(jīng)展開,已經(jīng)具有相對(duì)豐富的理論體系。但是針對(duì)鈣質(zhì)砂這一特殊材料的孔壓特性,仍然有大量國內(nèi)外學(xué)者仍不斷討論,其中虞海珍等[8]對(duì)鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度展開研究,較早提出歸一化后的孔隙水壓力比與廣義剪應(yīng)變之間的關(guān)系可以用雙曲線表示,SEED等[9]提出在三軸不排水條件下鈣質(zhì)砂的孔壓發(fā)展模式為反正弦孔壓發(fā)展模式,高冉等[10]研究島礁鈣質(zhì)砂在三軸不排水條件下,歸一化的累積孔壓u/σ′0與振次比N/Nf之間的關(guān)系也與SEED提出的理論相同。針對(duì)砂土孔隙水壓力的研究主要依托三軸循環(huán)系統(tǒng),孔隙水壓力計(jì)位于試樣底部,因此只能測到試樣下部的孔隙水壓力,缺少對(duì)試樣上部孔隙水壓力的研究,所以試樣不同位置的孔壓研究仍有空白。同時(shí)由于鈣質(zhì)砂物理性質(zhì)的特殊,在地震、沖擊等外部動(dòng)荷載作用下,砂性土體中的動(dòng)孔隙水壓力累積和消散規(guī)律與石英砂也存在較大的差別;孔隙水壓力耗散引起土體體積變化規(guī)律也有所差異,常規(guī)砂土的沉降預(yù)測模型并不適用于鈣質(zhì)砂地層。ISHIHARA等[11-12]建立了動(dòng)孔隙水壓力的有效應(yīng)力路徑模型,并較早提出可以通過體變來預(yù)測土體沉降,為液化沉降的確定提供了新的預(yù)測方法,讓鈣質(zhì)砂體變規(guī)律研究有了理論支持,國內(nèi)對(duì)鈣質(zhì)砂沉降室內(nèi)試驗(yàn)分析較少。因此展開鈣質(zhì)砂體變規(guī)律的研究有利于填補(bǔ)這一空白。

本文針對(duì)不同級(jí)配,密實(shí)度、有效圍壓、循環(huán)應(yīng)力比條件下的鈣質(zhì)砂,展開了一系列不排水循環(huán)剪切試驗(yàn)。同時(shí)為了探究了大尺寸試樣的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律,實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)試樣上部及下部同時(shí)開展孔隙水壓力監(jiān)測。最后為了揭示鈣質(zhì)砂液化后的沉降特性,本研究對(duì)試樣液化后的體變特征進(jìn)行了測量,為鈣質(zhì)砂場地液化特性和沉降預(yù)測提供計(jì)算依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器采用美國的CKC 三軸試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以針對(duì)砂土開展不同加載路徑和不同初始應(yīng)力狀態(tài)下的系列試驗(yàn)研究。設(shè)備如圖 1所示,試樣大小為直徑70 mm,高度145 mm,其他參數(shù)細(xì)節(jié)可參考李玉博[13]的研究。常規(guī)系統(tǒng)只能進(jìn)行下部的孔隙水壓力監(jiān)測,本研究為進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)過程中試樣尺寸對(duì)孔隙水壓力分布的影響,還對(duì)試樣上部加裝了孔隙水壓力進(jìn)行了監(jiān)測,可以實(shí)現(xiàn)體積試樣孔壓累積和消散規(guī)律的觀察。

圖1 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Triaxial test system

鈣質(zhì)砂試樣取自我國南海島礁,圖2為鈣質(zhì)砂電鏡掃描圖像,放大倍數(shù)第一張為700倍;第二張200倍,通過圖像可更直觀地看到珊瑚砂顆粒形狀不規(guī)則,主要呈現(xiàn)出片狀和多角狀,且顆粒表面較為粗糙,內(nèi)部含有較多孔隙。試驗(yàn)所用福建砂為典型石英砂,顆粒呈圓形且表面較為光滑。將鈣質(zhì)砂烘干,以粒徑0.075、0.15、0.25、0.5、1、2 mm進(jìn)行篩分,配制得砂土級(jí)配曲線如圖 3 所示,參照標(biāo)準(zhǔn)砂級(jí)配,將鈣質(zhì)砂分為級(jí)配良好的試樣(SW),級(jí)配不良的砂土(SP)和標(biāo)準(zhǔn)砂(FJ砂土)不同砂土試驗(yàn)的的基本性質(zhì)如表1所示。

圖2 試樣的電鏡掃描圖像Fig. 2 SEM photos of calcareous sand tested

圖3 鈣質(zhì)砂與福建砂的級(jí)配曲線Fig. 3 Grain-size distribution curves of calcareous sand and Fujian sand表1 砂土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Index properties of sand土體參數(shù)SWSPFJ砂土ρd,min/(g/cm3)1.2501.241.57ρd,max/(g/cm3)1.5801.491.81Gs/(g/cm3)2.7502.752.63e00.9931.050.58φ/(°)43.55039.2837.08Cu5.0402.385.07Cc1.1700.901.17 注: SW為級(jí)配良好的試樣; SP為級(jí)配不良的砂土; FJ砂土為標(biāo)準(zhǔn)砂。

試樣采用分層裝樣的方法制作。試樣直徑D=70 mm,高H=145 mm。將砂土烘干并按照級(jí)配對(duì)每層所需粒徑顆粒的質(zhì)量分成五等份,進(jìn)行單獨(dú)配制,將配好的砂土分層倒入模具中,各層之間進(jìn)行刮毛處理,裝填過程中適當(dāng)敲擊承膜筒外壁,使試樣分布均勻,保證每層試樣裝入高度相等,保證試樣的均勻性。飽和試樣時(shí),考慮鈣質(zhì)砂顆粒多棱角,且內(nèi)孔隙豐富的特點(diǎn),先通入 30 min 的CO2以置換土體中的空氣;然后從試樣底部通入無氣水,直至無氣泡排出來以此來保證試樣達(dá)到飽和狀態(tài);最后進(jìn)行分級(jí)反壓飽和。由于鈣質(zhì)砂的多孔性,為了增加結(jié)果可靠性和可重復(fù)性,本研究要求當(dāng)試樣的孔壓系數(shù)B達(dá)到 0.97以上時(shí),可認(rèn)為此時(shí)砂土已達(dá)到飽和。

1.2 試驗(yàn)方案

為了進(jìn)一步探究鈣質(zhì)砂的特性,本文對(duì)鈣質(zhì)砂展開系列三軸試驗(yàn),具體工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案匯總表Table 2 Summary of test schemes

考慮鈣質(zhì)砂在不同密實(shí)度(Dr)、有效圍壓(σ′3)、 循環(huán)應(yīng)力比(cyclic stress ratio, CSR)下鈣質(zhì)砂的液化特性,其中循環(huán)應(yīng)力比是指對(duì)試件循環(huán)加載時(shí)的軸向應(yīng)力與2倍有效圍壓之比參照式(1):

CSR=σd/2σ′3

(1)

式中σd為軸向應(yīng)力。

其中有效圍壓σ′3選定為100、150、200、300 kPa,固結(jié)完成后在循環(huán)應(yīng)力比 CSR 為0.2、0.3,試驗(yàn)采用應(yīng)力控制的正弦波加載,加載頻率為0.1 Hz。當(dāng)試樣軸向應(yīng)變超過5%或超孔隙水壓力達(dá)到有效圍壓的95%時(shí),循環(huán)加載終止。在循環(huán)荷載作用后,打開排水閥,由于超孔隙水壓力耗散需要時(shí)間,讓試樣在相同的應(yīng)力條件下靜置15 min,待體變裝置內(nèi)液面不再變化,可以判斷超孔隙水壓力完全耗散,此時(shí)記錄體變裝置上的數(shù)據(jù),計(jì)算得到體應(yīng)變。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性分析

砂土液化判定在國際上有多種標(biāo)準(zhǔn),本文試驗(yàn)在循環(huán)加載試驗(yàn)中雙幅軸向應(yīng)變應(yīng)達(dá)到 5%[14],則認(rèn)為試樣破壞。圖4中描述了試樣軸向應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載作用次數(shù)。其中循環(huán)次數(shù)越多,表明試樣抗液化能力越強(qiáng)。圖4(a)為級(jí)配不良試樣的軸向應(yīng)變時(shí)程曲線,在循環(huán)荷載作用下,密實(shí)度較高的試樣軸向應(yīng)變的增長速率低于密實(shí)度小的砂樣,達(dá)到相同的軸向應(yīng)變需要經(jīng)歷更多的循環(huán)周期。

圖4 鈣質(zhì)砂軸向應(yīng)變時(shí)程曲線Fig. 4 Axial strain time history curve of calcareous sand

試驗(yàn)結(jié)果表明,不同工況下鈣質(zhì)砂的抗液化能力均強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)砂,圖4(b)給出了其中一個(gè)工況的對(duì)比曲線。由于鈣質(zhì)砂表面粗糙,形狀不規(guī)則,在循環(huán)荷載作用下較石英砂更易破碎[15],隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加,顆粒會(huì)產(chǎn)生破碎,破碎后會(huì)導(dǎo)致試樣級(jí)配發(fā)生改變,進(jìn)一步加固試樣結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了試樣的抗液化性,在循環(huán)荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎主要發(fā)生在粒徑0.5～1 mm之間[16],這會(huì)導(dǎo)致破碎后小粒徑顆粒含量增加,同時(shí)在液化過程中試樣內(nèi)部顆粒會(huì)發(fā)生重排,重排后的試樣結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。所以鈣質(zhì)砂擁有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),鈣質(zhì)砂的抗液化性優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)砂。

為了進(jìn)一步揭示鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用下液化的過程,利用滯回圈曲線的面積大小可以表示土體的能量耗散,滯回圈的變化過程也可以反映土體結(jié)構(gòu)破壞的過程,也是鈣質(zhì)砂抗變形能力的一種體現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。FIGUEROA等[17]提出用滯回圈面積的大小來表示土單元的能量耗散。因此滯回圈面積總和可以表示鈣質(zhì)砂吸收能量的總和,土樣吸收能量越大,其產(chǎn)生變形越明顯。

圖5 不同密實(shí)度下鈣質(zhì)砂滯回曲線圖Fig. 5 Hysteresis curves of calcareous sands under different densities

實(shí)驗(yàn)中滯回圈的變化大致可以分為3個(gè)階段:第一階段為試驗(yàn)初始階段,試樣的應(yīng)變幅值較小,滯回圈較小,擴(kuò)展較慢;第二個(gè)階段為實(shí)驗(yàn)中間段,隨著循環(huán)周次的增加,滯回圈的形狀發(fā)生明顯改變,面積逐漸增大,隨著振動(dòng)次數(shù)的增加,應(yīng)變和孔壓逐步積累,當(dāng)累積到某一臨界值時(shí),其抵抗變形的能力開始減弱,試樣會(huì)出現(xiàn)明顯的剪脹現(xiàn)象;第三個(gè)階段是實(shí)驗(yàn)加載后期階段,滯回曲線的形狀趨于穩(wěn)定,滯回圈面積減小,此時(shí)試樣已經(jīng)失去吸收能量的能力,試樣原有的結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。其中圖5(a)、(b)、(c)表明滯回圈面積與密實(shí)度有較大關(guān)系,密實(shí)度越大,滯回圈圈數(shù)越多,總面積越大,圈數(shù)越多,吸收能量也越多。Dr=59%的試樣滯回圈圈數(shù)明顯多于Dr=42%的試樣,所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)多意味著吸收能量大。隨著液化的發(fā)生,在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后,塑性變形會(huì)隨之產(chǎn)生,土樣抵抗變形的能力降低,最終應(yīng)變幅值迅速升高,試樣破壞。

2.2 孔隙水壓力分析

超孔隙水壓是導(dǎo)致試樣液化的重要原因,因此本文展開對(duì)超孔隙水壓力的研究,如圖6所示,密實(shí)度越大的試樣超孔隙水壓力上升會(huì)越慢,如相同有效圍壓條件下,Dr=57%的試樣比Dr=40%的試樣需要更多的加載周期才能達(dá)到相同的孔隙水壓力。因此在鈣質(zhì)砂土液化前,密實(shí)度大的試樣孔隙水壓力上升速率慢,抗液化性越強(qiáng)。這是由于密實(shí)度大的試樣孔隙率低,顆粒間連接更加緊密,土骨架能夠承擔(dān)更多的外力。也就是說在地震荷載來臨時(shí),密實(shí)度較大的試樣,土骨架間的孔隙較少,顆粒間孔隙水通過的路徑少,孔隙水壓力累積速率變緩,液化過程所需時(shí)間長,能量大。與標(biāo)準(zhǔn)砂相似,鈣質(zhì)砂的密實(shí)度是影響超孔隙水壓力上升速率的一個(gè)重要因素。可以通過改變土體密實(shí)度來提高其抗液化能力。工程上常采用分層碾壓法、強(qiáng)夯法和振沖法等方法來提高鈣質(zhì)砂地基密實(shí)度,從而提高地基承載力。

圖6 孔隙水壓力與密實(shí)度之間關(guān)系Fig. 6 Relationship between pore water pressure and compactness

取圍壓σ′3分別為100、150、200、300 kPa的試樣,進(jìn)行孔隙水壓力上升速率與圍壓的影響探究。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,發(fā)現(xiàn)在一定的動(dòng)力幅值下隨著有效圍壓的增大,孔隙水壓力上升速率也越快,液化所需周期越少。用孔壓比(ru)的上升速率來表示不同圍壓下砂土孔隙水壓力上升速率,能更直觀地反應(yīng)孔隙水壓力上升速率的變化規(guī)律。其中孔壓比(ru)公式為:

圖7 下部孔隙水壓力與有效圍壓之間關(guān)系Fig. 7 Relationship between bottom pore water pressure and effective confining pressure

ru=u/σ′3

(2)

式中u為下部孔隙水壓力。

本文實(shí)驗(yàn)表明鈣質(zhì)砂孔隙水壓力上升速率隨有效圍壓增大而增大,高圍壓的鈣質(zhì)砂試樣的抗液化能力則弱于低圍壓的鈣質(zhì)砂試樣。在對(duì)膠結(jié)鈣質(zhì)砂、普通硅砂、浮石和建筑垃圾顆粒的研究中都得到了相似的有效應(yīng)力發(fā)展趨勢[18-21]。處理后的建筑垃圾顆粒、浮石和鈣質(zhì)砂在較低循環(huán)荷載作用下就會(huì)發(fā)生破碎,性質(zhì)與鈣質(zhì)砂類似。VAID等[22]肯定了顆粒的多棱角的特點(diǎn)會(huì)提高試樣的抗液化能力,鈣質(zhì)砂顆粒形狀多樣性,循環(huán)荷載作用下易破碎的特點(diǎn)可能是引起這種有效應(yīng)力發(fā)展趨勢的原因,也是抗液化能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)砂的原因。

孔隙水壓力上升速率與CSR的影響,隨著CSR的增加,孔隙水壓力上升速率加快,循環(huán)應(yīng)力的增加會(huì)導(dǎo)致試樣的抗液化能力有所降低,如圖8所示。動(dòng)荷載的增加會(huì)使試樣承受更大的應(yīng)力,更大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致更多的顆粒發(fā)生破碎,試樣的級(jí)配隨之改變,孔隙水壓力的上升速率的增快,超孔隙水壓力的耗散會(huì)變得更加困難,液化從而更易發(fā)生。

圖8 下部孔隙水壓力與CSR之間關(guān)系Fig. 8 Relationship between bottom pore water pressure and CSR

為了進(jìn)一步探究孔隙水壓力在動(dòng)荷載作用下的變化趨勢,本文測試了上部孔隙水壓力作為對(duì)照。選取不同有效圍壓條件下,進(jìn)行上下孔隙水壓力(u上)發(fā)展情況探究,結(jié)果如圖9所示,以CSR=0.2密實(shí)度相同試樣為例,發(fā)現(xiàn)在低圍壓狀態(tài)下試樣上下的超孔隙水壓力是傳遞存在少量延遲。

圖9 上下孔隙水壓力與圍壓之間關(guān)系Fig. 9 Relationship between upper and lower pore water pressure and confining pressure

循環(huán)荷載作用初期上下孔隙水壓力基本相同,當(dāng)超孔隙水到達(dá)一定值時(shí),開始出現(xiàn)壓力差,u上要大于u下,這種孔隙水壓力差直到試樣液化都存在。有效圍壓的大小對(duì)孔隙水壓力產(chǎn)生了影響,隨著圍壓的增大,上下孔隙水壓力差也逐漸增大,其中上部孔隙水壓力會(huì)始終大于下部。由于試樣上下孔隙水壓力存在這樣的差異,試樣上部會(huì)早于試樣下部先液化。試驗(yàn)中循環(huán)荷載的施加方式是從上部開始加載,這可能是引起孔隙水壓力的傳遞是自上而下的原因,孔隙水壓力從受循環(huán)荷載作用的一端開始累積,逐漸向另一端傳遞,且受圍壓影響,圍壓越大,這種傳遞的延遲就越明顯。因此下部孔隙水壓力作為動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)中試樣整體的孔隙水壓力存在少量誤差,但對(duì)實(shí)驗(yàn)整體影響較小,但是對(duì)于更大體積的試樣還需進(jìn)一步研究。

2.3 循環(huán)荷載作用下體變規(guī)律

為了評(píng)估液化引起的沉降,在試驗(yàn)結(jié)束后,測量了孔隙水壓力消散引起的體積變化,計(jì)算體變率,為鈣質(zhì)砂沉降特性做參考。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)密實(shí)度是主要的影響因素,隨著密實(shí)度的增大鈣質(zhì)砂體變率明顯減小。同時(shí)圍壓對(duì)鈣質(zhì)砂體變也有一定影響,圍壓越大體變會(huì)相減小。CHIEN等[23]的研究中采用我國西部的云林地區(qū)一種粒徑較小,均勻系數(shù)Cu為2.3～4.7,曲率系數(shù)Cc為0.60～1.42的一種黑砂,其中發(fā)現(xiàn)εv與Dr是一次函數(shù)關(guān)系。本文檢測了不同密實(shí)度狀態(tài)下的鈣質(zhì)砂在循環(huán)荷載作用后的體變,并繪制密實(shí)度體變率圖,多次實(shí)驗(yàn)擬合出密實(shí)度與體變的一次函關(guān)系式為:

εv(in%)=-aDr(in%)+b

(3)

式中a、b為試驗(yàn)所得參數(shù)。

本文又采用2種不同級(jí)配的鈣質(zhì)砂試樣,2種級(jí)配相同的鈣質(zhì)砂和標(biāo)準(zhǔn)砂試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。利用同種方法擬合出鈣質(zhì)砂密實(shí)度與體變率的關(guān)系如圖10所示,曲線中發(fā)現(xiàn)從體變角度,鈣質(zhì)砂體積應(yīng)變率受密實(shí)度影響較黑砂和標(biāo)準(zhǔn)砂更小,整體體積應(yīng)變率較低。而不同級(jí)配鈣質(zhì)砂在循環(huán)荷載作用下體變率整體相差不大,但是級(jí)配良好的試樣在循環(huán)荷載作用下體變率變化更小。級(jí)配不良試樣的體變率受密實(shí)度影響較級(jí)配良好的更大,隨密實(shí)度的增加變化降低。由此本文得出級(jí)配對(duì)地震液化引發(fā)體變時(shí)影響較小,但是級(jí)配良好土樣的體變率受密實(shí)度影響較小。PENDO等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)級(jí)配不是主要影響循環(huán)荷載后鈣質(zhì)砂體變的主要影響因素,與本文結(jié)論相似,因此本文認(rèn)為密實(shí)度是影響鈣質(zhì)砂地基液化沉降的重要因素。

圖10 2種砂樣擬合曲線圖Fig. 10 Fitting curves of two sand samples

2.4 鈣質(zhì)砂液化后顆粒破碎分析

一種工況下的三軸不排水試驗(yàn)后2種級(jí)配的粒度分布,如圖11所示,其他工況的結(jié)果類似。由圖11可知,0.500 mm 和 1.000 mm 粒徑的顆粒破碎量之間減少明顯,0.150 mm 和 0.075 mm 粒徑的顆粒略有增加。先前文章提出顆粒破碎有2種形式,一種是顆粒破碎形成了2個(gè)尺寸相當(dāng)小顆粒的劈裂破碎,另一種是顆粒由于磨損形成了遠(yuǎn)小于原來顆粒粒徑大小的磨損破碎。這2種破碎形式最終形成產(chǎn)出如圖11所示的結(jié)果。WIACEK等[25]得出結(jié)論,無論試樣中不同粒徑的顆粒如何分布,最大的壓力都施加在大顆粒上。因此,土骨架主要由較大顆粒形成, 為試樣提供試樣抵抗剪切和荷載的能力。本文試驗(yàn)結(jié)果顯示顆粒破碎主要發(fā)生在0.500 mm粒徑上,在剪切實(shí)驗(yàn)前后的顆粒破碎可以看到,級(jí)配不良的鈣質(zhì)砂試樣的顆粒破碎多于級(jí)配良好的鈣質(zhì)砂試樣。SALAMI等[26]研究發(fā)現(xiàn),顆粒之間的接觸數(shù)對(duì)顆粒破碎會(huì)產(chǎn)生影響,較高的顆粒接觸數(shù)往往會(huì)有較好的應(yīng)力分布,顆粒破碎更不易發(fā)生。而級(jí)配良好的試樣由于不均勻系數(shù)較好,顆粒間接觸數(shù)多于級(jí)配不良的試樣,因此破碎率會(huì)比級(jí)配不良的高。前面已經(jīng)提到,顆粒的破碎會(huì)導(dǎo)致試樣內(nèi)部顆粒發(fā)生重排,級(jí)配良好式樣的破碎率較高,能夠在破碎后有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),也使抗液化性得到提高。

圖11 三軸不排水試驗(yàn)后2種級(jí)配的粒度分布Fig. 11 Particle size distribution of two gradations after triaxial undrained testing

3 結(jié)論

采用我國南海某島礁工程實(shí)際吹填珊瑚土為實(shí)驗(yàn)材料,通過改進(jìn)后的室內(nèi)動(dòng)三軸儀進(jìn)行不同密實(shí)度、有效圍壓和循環(huán)應(yīng)力比作用下動(dòng)三軸試驗(yàn),得到主要結(jié)論如下:

1)級(jí)配不同的鈣質(zhì)砂有相似的有效應(yīng)力路徑和應(yīng)變發(fā)展過程。密實(shí)度是主要影響因素,在加載前期密實(shí)度大的試樣應(yīng)變較小,但整體發(fā)展趨勢都比較均勻。

2)在三軸不排水循環(huán)實(shí)驗(yàn)中,鈣質(zhì)砂的孔隙水壓力上升速率受圍壓、密實(shí)度與循環(huán)應(yīng)力比影響,隨著密實(shí)度的增大孔隙水壓力上升速率降低,隨著圍壓增大,孔隙水壓力上升速率加快;隨著循環(huán)荷載值的增大,孔隙水壓力上升速率也逐漸增大。 同時(shí)試樣上下孔隙水壓力上升速率存在差異,u上大于u下,這種差異隨有效圍壓增大而增大。

3)三軸不排水實(shí)驗(yàn)中,試樣上下孔隙水壓力上升速率是不同的,這種速度差主要在孔隙水壓力較大時(shí)會(huì)比較明顯。特別是液化階段孔隙水壓力出現(xiàn)明顯差值。試樣的密實(shí)度、圍壓以及CSR都會(huì)對(duì)上下孔隙水壓力有影響。密實(shí)度越大,圍壓越大,CSR越大的試樣上下孔隙水壓力可能產(chǎn)生的差值也會(huì)越大,反之則越小。

4)在循環(huán)荷載作用下,鈣質(zhì)砂體變率會(huì)小于普通石英砂、黑沙等砂土。圍壓越大體變率越小,密實(shí)度越大體變率越小。體變率受密實(shí)度影響較大,密實(shí)度為主要影響因素。

5)在循環(huán)荷載作用下級(jí)配良好的鈣質(zhì)砂因?yàn)楹休^多大顆粒土骨架,會(huì)比級(jí)配不良的鈣質(zhì)砂顆粒破碎量更大,同時(shí)級(jí)配也會(huì)影響密實(shí)度引起的體變大小。級(jí)配差的試樣在密實(shí)度變小后體變率會(huì)明顯變化,而級(jí)配較好的試樣則相對(duì)穩(wěn)定。