粗细粒混合土液化特性研究综述

潘剑锋,刘喜康,王 力,程崇晟

(四川大学水利水电学院,成都,610065)

近年来,许多学者开始对粗细粒混合土的液化现象进行大量研究,有文献资料表明含粘粒的砂土抗液化的能力受粘粒含量影响较大。本文主要综述粗细粒混合土的动力特性,结合已有的文献资料及作者对粗细粒混合土的动三轴实验,对粗细粒混合土的液化进行比较系统的分析。

1 研究历史及现状

在动力荷载作用下对砂土的液化研究由来已久,早期的研究主要集中在爆炸冲击荷载、地震作用、机器基础等诸方面。如 30年代前日本、德国、苏联开展的机器基础振动设计方面的系统研究。Casagrande研究了加荷时间对土动力强度的影响,Taylor和 Whitman则研究了应变速率对土强度的影响。关于砂土,Casagrande曾试图用临界孔隙比的概念解释砂土的液化现象,后来 Seed和Lee以孔压值作为砂土是否发生液化的依据,并提出其后被广泛引用的“初始液化”的概念。我国对振动液化问题的开创性研究始于我国学者黄文熙、汪文韶等[1]。早在 1959年,黄文熙就倡议用动三轴仪来进行液化研究,并很快得到国内外重视和采纳。其后,汪文韶、沈珠江等对国内外液化的研究做了较详细的总结。从 60年代开始,国内外开始了对砂土液化的大量室内试验。在此期间,形成了一些应用广泛的理论。如 Seed简化判别法,Biot在 1965年给出了固液两相介质中波传播的完整控制方程[1]等。

70年代,随着近海重力式石油平台的大量兴建,研究者们的注意力集中在波浪等周期荷载作用下砂土液化的可能性和液化强度等问题,后来又注意到了孔隙水压力消散的影响。Baligh曾给出一个较为完美的循环荷载作用下的固结理论。低路堤在交通荷载作用下的变形特性也早已引起了人们的重视。较早的如 Seed及其同事们的工作 ,后来 Kawakami和 Ogawa,Yamanouchi和 Aoto以及 Luo等也继续了这项工作。进入 80年代,这项工作进一步深入,Yahuhara等提出了一个排水循环荷载作用下土体变形的近似预测方法,Fujiwara的研究则集中在排水条件下考虑固结影响的变形计算。

近年来室内实验很多是利用对饱和粗细粒混合土的动三轴、共振柱试验对土的液化进行研究,通过分析动三轴试验过程中孔压及振次与细粒含量的关系,判定混合土的抗液化能力。并且随着计算机技术的发展,用数值模拟方法进行砂土液化边界问题和液化问题的研究将得到越来越广泛的应用。

2 动力特性室内测试技术

土动力特性的实验室测试技术经 50多年的发展,由黄文熙院士最初提出的动三轴仪测试发展到多种振动测试技术。笔者将常规的振动测试技术归纳如下:

(1)循环三轴试验。利用与静三轴试验相似的轴对称应力条件,通过对试样施加模拟的动主应力,测得试样在动荷载的作用下所表现出的动态响应。根据这方面的关系,推算岩土材料的各项弹性参数及粘弹性参数,分析试样在模拟各种实际振动的动应力作用下所表现的性状。

(2)振动剪切试验。地震作用引起地基土的动力变形,主要是由于从下卧层向上传播的剪切波引起的。为了模拟这种动力条件,70年代以来相继出现了振动单剪仪和振动扭剪仪。

(3)共振柱试验。根据共振原理对圆柱形试样施加激振,改变激振频率使试样产生共振,并借此推求试样的弹性模量及阻尼比等参数。共振柱试验是无损试验技术。

(4)振动台试验。振动台试验是 70年代发展起来的,主要是用于研究土层液化性状的大型室内动力试验,它可以模拟现场条件的大型均匀试样。

3 砂粒与粘粒混合土的液化特性

黄文熙院士(1961)在国内首先提出了用动态三轴仪研究砂土液化问题,该方法经国内外近40年的发展后,已被公认为研究土体地震反应和砂土液化的有效手段[2]。笔者在撰写综述期间也完成含粘性土的砂土动三轴试验,试验结果与相关文献结果有相同的地方。试验结果为粘粒含量为 9%左右时,混合土的抗液化能力是最低的[3]。

许多文献给出了这种结果的解释:当试样为纯砂粒时,由于砂粒的粘聚力 c为零,所以其受振动荷载时砂粒比较容易改变原来的位置,找到新的位置以保持稳定,这就必然使砂土趋于密实。砂土这种从分离到密实的过程就是颗粒挤压孔隙水的过程[4]。孔隙水压力上升导致颗粒之间的有效应力减少,砂土即产生液化。当粘粒含量较少时,粘粒未能充满砂粒的空隙,起到了润滑作用,当动荷载作用时,砂颗粒沿粘粒发生滑移,使得在粘粒含量较低的情况下,随粘粒含量的增加砂土的抗液化能力减弱,动剪应力比降低。当粘粒含量增加,充填满砂颗粒间的空隙甚至形成了粘土层时,粘土的“粘滞”作用表现突出,形成了砂土颗粒镶嵌在粘粒层中。此时在动荷载作用下,由于粘土的胶结作用,砂颗粒改变原来稳定位置变得比较困难,使得此种粘粒含量的砂土抗液化能力和动剪应力比增加。所以,当粘粒含量超过某一临界值时,随粘粒含量的增加,砂土的抗液化能力和稳定性增加,即砂土的抗液化性能与粘粒含量的关系为一开口向上的近似抛物线。

为研究粗细粒混合土动力特性,笔者进行了一系列的动三轴实验。粗颗粒用粒径为 1mm～2mm的砂粒,细颗粒为不小于 0.075mm的粘粒,将此两种粒径的颗粒按不同的混合比进行动三轴实验,测定各组三轴实验的孔压与粘粒含量的关系,动剪应力随粘粒含量变化的关系。实验结果验证了相关文献资料的正确性,同时也揭示了一些规律。实验参数如表 1所示。

表1 试 验 参 数

实验所得结论:(1)影响土动力特性的因素是多方面的,包括级配、粘粒含量、初始应力状态、密实度、固结时间、动荷载等;(2)对与其它条件(密度、围压、固结)的饱和土样,施加不同的轴向压应力,其应变的发展速度不同,达到破坏的振次随轴压的增大而有所减少;(3)土样的动强度随粘粒含量的变化不是单调增加的,而是在粘粒含量为 10%～20%左右时,动强度最低,抗液化能力最弱;当粘粒含量大于 30%时,混合土的抗液化能力比较好,动强度比较高;(4)本实验所得结论与文献资料的结论比较吻合,在具体数据上有差别,可能由于实验操作不同导致。

有文献资料表明,当粘粒含量小于 30%时,随粘粒含量的增加,饱和砂土的抗液化强度减小。也有文献结果显示,当粘粒含量为 10%左右时,砂土的抗液化能力最小。虽然各资料所得的结论有较大差距,但是可以确定,砂土动剪应力和抗液化性能最低点的粘粒含量在 10%～30%之间。笔者认为,出现此种差异的因素有以下几点:各研究单位的实验仪器有所不同,所取的参数各有差异;粗颗粒的粒径范围及试样级配不同;制样时试样的密实度不同,不同的操作人员装样的捣实程度有差异;固结时围压有的是低围压下固结,有的实验是在高围压下固结,所以所得结论存在差异。从笔者所做室内动三轴试验经验所知,装样过程中的试样控制干密度和扰动对试验结果影响较大,并且固结时间也是影响破坏振次和孔压值的重要因素。所以,对于不同地区的地基土,不能套用已有文献资料下结论,需根据实验所得数据来判定其稳定性。具体的工程应用问题,还应做现场试验和室内试验综合分析地基或土坡的安全系数。

4 液化研究发展趋势

液化导致的地基失效问题,现在已经是地震及其他动载引发的主要破坏形式。砂土液化是造成地基失稳的主要原因之一,不论砂土部分液化或完全液化,都可能使建筑物产生破坏。关于部分液化和完全液化的界限问题,还没有得到统一的结论。并且由于部分液化也会导致地基的大变形、大位移,所以今后在部分液化问题上的研究应该比较多。在宏观试验上已做过大量的室内试验,所以今后液化问题的发展方向应该会向更加微观、细化方向发展。临界问题,界限值的研究将成为液化研究主要解决的问题。

随着计算机软件的发展,今后由数值模拟方法进行研究会将成为液化问题研究的发展趋势。对各种数值格式的选择、精度分析以及有限元法中对边界条件的处理,如非反射边界、透射边界等问题的分析,还有待于更深入的研究。数值方法显然有很大的优越性,人们可以借助这个工具快速而经济地分析各种情况下饱和砂土的液化问题[1]。

5 小结

本文对人们在粗细粒混合土液化方面的的研究发展作了总结,包括饱和砂土液化的动三轴实验。经过 60多年的历程,饱和土体方面的研究已经得到了很大的发展。地震引起的建筑物倾倒、地基失效、列车轨道变形等灾害得到了科学的解释。并且砂土液化的研究在防震减灾方面发挥了巨大作用。近年来,国内外学者不仅在饱和砂土的研究方面得到了重大发展,并且开始研究其他种类土如轻亚粘土、砾砂土、粉煤灰甚至黄土的液化特性。

地基液化到是否会导致地质灾害,还取决于是否产生了大变形。如果部分液化,并且由于上覆土体厚度较厚,也有可能孔隙水慢慢渗出,孔压的逐渐消散而不会导致建筑物破坏。所以,对实际工程问题中土体承载力的判定,还必须通过动力反应分析,必须要有土的动力特性指标,包括动模量、动阻尼和动强度等。这就是说,为解决工程问题所进行的土的动力特性研究,往往需要做系统的、各种应力状态下的动力试验,然后通过计算中迭代的办法选择符合计算点动力过程的动力特性指标[5]。研究地基土在地震作用下的动力特性,是进行建筑物抗震设计和采取防震措施所不可缺少的内容。在饱和砂土和粉土地基上建造建筑物,需研究这类地基土在地震作用下是否会液化,对建筑物是否能安全运行起着至关重要的作用。对土体在不规则荷载下的动力特性,还需要这方面的学者进行更加深入的研究。笔者在此只对粗细粒混合土的发展概况、研究现状、实验方法、现阶段研究成果等进行了总结综述。

〔1〕鲁晓兵等.饱和砂土液化研究新进展.力学进展,2004.

〔2〕柯 瀚,陈云敏.动态三轴试验确定砂土抗液化强度.土木工程学报,2004.

〔3〕曹成林,孙永福等.不同粘粒含量粉质土的动力强度特性研究,海岸工程.2009.

〔4〕杨进良.土力学(第四版).北京:中国水利水电出版社.

〔5〕王明洋.饱和砂土动力特性及数值方法研究.南京:解放军理工大学出版社.