细粒含量对饱和砂土动孔压演化特性的影响

王艳丽,饶锡保,潘家军,王 勇

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010; 2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室,武汉 430071)

细粒含量对饱和砂土动孔压演化特性的影响

王艳丽1,2,饶锡保1,潘家军1,王 勇3

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010; 2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室,武汉 430071)

利用GDS循环三轴仪,对不同细粒含量砂土进行了不排水动三轴液化试验,并基于Seed孔压应力模型,研究了细粒含量对液化进程中动孔压演化特性的影响。研究结果表明：细粒含量对砂土孔压发展影响较大,其影响主要体现在孔压发展模式参数θ的不同。含细粒砂土中细粒含量与孔压参数θ的关系不是呈单调的线性关系。参数θ先随着细粒含量的增加而减小,并在细粒含量为30%时达到最小值,之后随着细粒含量的增加又逐渐增加,不同的是参数θ在细粒含量超过30%后,其增加的趋势相对平缓。通过对不同细粒含量砂土动孔压演化特性试验研究,更进一步证明了临界含量的存在,试验所用的含细粒砂土,临界细粒含量在30%左右。

细粒含量;饱和砂土;动孔压;动三轴试验

土体在振动作用下产生的孔隙水压力是影响其抗震稳定性的重要因素,土体的液化是在一定条件下由于荷载作用导致孔隙水压力增长的结果,探讨土体的液化机理可以从研究土体中孔隙水压力增长的机理入手[1]。动荷载作用下孔隙水压力的变化是改变土体强度、引起土体变形的根本原因,也是应用有效应力法分析土体稳定性的关键影响因素。已有学者对饱和砂土的动孔压演化规律进行了研究,得到了许多有用的研究成果[2-6],这些对饱和砂土动孔压演化特性的研究中,采用较多的是均一的纯净砂。事实上,自然界广泛分布着含有细颗粒的砂性土或砂质粉土等砂粉混合物。Baziar和Dobry(1991)[7]也指出在自然界中均质砂并不多见,且易产生流滑现象的多是冲填沉积砂土或填筑砂土,它们在颗粒组成上与纯净砂明显不同,均为含一定细粒的砂土。

细粒含量的影响研究可追溯到砂土中细粒含量对动强度的影响研究上,此后细粒含量对地基液化的影响逐渐引起学术界和工程界的重视。国内外国相继开展了细粒含量的影响研究,研究重点是细粒含量对动强度的影响[8],并取得了大量的研究成果[9-15],而针对细粒含量对砂土动孔压的影响研究方面则开展相对较少,定量的研究几乎鲜有报道。本文利用GDS循环三轴仪,对不同细粒含量砂土进行了不排水动三轴液化试验,并基于Seed孔压应力模型,研究细粒含量对液化进程中动孔压演化特性的影响。同时建立不同细粒含量影响的孔压应力发展模式,并对细粒含量对动孔压影响的机理进行了解释,研究结果可为估计同一地区不同细粒含量砂土的动孔压发展提供一定依据。

1 试验仪器试样制备、试验方法

1.1 试验仪器

试验仪器采用同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室的GDS循环三轴仪。它是由英国GDS公司研制生产的高精度三轴仪,利用高速直流伺服马达施加动荷载(轴向),根据电子荷重传感器和位移传感器的反馈对荷载和变形的大小进行计算机控制,其基本功能包括：1)可在5 Hz范围内进行单向轴压的循环加载;2)可在5 H z范围内对试样施加循环的轴向变形;3)可进行常规的三轴试验,包括拉伸和压缩试验,应力控制和应变控制;其主要参数：1)最大轴力：7 kN;2)最大围压：1 700 kPa;3)试样直径：39.1 mm、50mm、70mm、100 mm;4)加载频率：0～5 H z。该仪器由以下几部分组成：制动单元、三轴压力室和平衡器、围压控制器、反压控制器、信号控制器、高速数据采集和控制卡(HSDAC卡)。

1.2 试样制备

制备试样前对所需使用的砂粒和细粒预先进行了分选,土样经风干后过0.25mm筛,然后在水中用0.075 mm筛子进行洗筛,选取0.075 mm筛上的砂样,其粒径在0.075～0.25mm范围内作为骨架砂;将0.075 mm筛下的水溶液静置,待细颗粒沉淀,水变清后,倒出清水。晾干细颗粒土样即为小于0.075 mm的细粒,用碎土器磨碎土样,烘干。试验所用的砂样由砂粒与细粒按照不同比例重新配制而成,掺入的细粒含量FC(占试样总质量)分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%。试验砂样按同一个干密度制样,制样的干密度应在最大干密度的极小值与最小干密度的极大值之间,本文试验确定砂土的干密度为1.40 g/cm3。此时不同细粒含量砂土的相对密实度在0.29～0.71之间,属疏松到中密状态。表1为不同细粒含量砂样的基本物理力学性质指标。

制样时,控制配土试样的干密度1.40 g/cm3,根据试样体积得到配土样的质量,按配土中的细粒含量分别计算出该配制土样中砂粒和细粒的质量,然后称取每个标准试样所需的砂粒和细粒的质量,秤好后,充分混合、拌匀,加入适量的无气水,控制含水率在8%左右。将一定质量的水和土充分搅拌均匀后,在密封塑料袋内静置过夜,再取袋内不同位置处的砂土测试其含水量,其差值不应超过1%。

试验采用直径为39.1 mm,高度为80 mm的重塑土样。重塑土样的制备采用多层湿捣法,分5层捣实。根据土样的干密度及预先设计的含水率确定每层土样的重量,击实到相应高度,各层接触面刮毛,以保证上下层接触良好。

1.3 试验方法

土样制备完成后,放入饱和器内抽真空饱和,砂样经真空饱和后,需经冻结才能装样。冻样装入三轴室后在小侧压(20 kPa)下化冻并通脱气水,按照操作规程进行试验操作,当孔压系数B大于0.95时,可认为试样满足饱和度要求,然后进入固结阶段,所有试样均在固结围压100 kPa作用下进行排水固结,当试样的体变在5 m in之内不再增加时认为达到了等压固结标准,固结完成后即施加循环荷载,振动波形为正弦波、振动频率1 H z,试验的液化标准有2种：1)孔压标准,即孔压等于围压认为试样破坏。2)变形标准,即根据工程的重要性和经验选定双向振幅应变值εd=5%为初始液化标准[16]。试验中采用双重固结标准：即孔压标准(ud=σ′0)和变形标准(εd=5%)。

表1 不同细粒含量砂样的基本物理性质指标

2 试验结果与分析

2.1 细粒含量对动孔压的影响

图1给出了部分细粒含量试样孔压发展全过程的对比图。由图1可知,在振次比一定的情况下,不同细粒含量砂土孔压比增长量不同,在振动的初始阶段,孔隙水压力迅速升高,且随着细粒含量的增加,砂土孔压比的增长量呈现出先降低后增加的趋势。在细粒含量为30%时,孔压比的增长量最小。当N/Nf达到0.2左右时,孔压的增加趋缓;当N/Nf达到0.8左右时,孔压比又开始快速增加;直到N/Nf为1时,孔压接近达到围压时,砂土发生液化。不同细粒含量砂土的动孔压增长模式可用Seed提出的动孔压发展模式(1)来表示,区别是不同细粒含量的影响体现在系数值的不同。

图1 不同细粒含量砂土动孔压的发展曲线

式中：θ为试验常数,取决于土类和试验条件,而与动应力和固结围压的大小无关。

2.2 细粒含量对试验参数的影响分析

图2(a)-(f)给出了归一化处理后部分细粒含量砂土的动孔压发展试验曲线与Seed拟合曲线,试验常数θ值列于表2。其拟合关系分别表示为：

当FC=5%时：

表2 细粒含量与参数θ的关系

图2 不同细粒含量砂土u d/σc′与N/N f的关系

由表2可知,参数θ先随着细粒含量的增加而减小,并在细粒含量为30%时达到最小值,之后随着细粒含量的增加又逐渐增加,不同的是参数θ在细粒含量超过30%后,其增加的趋势相对平缓。参数θ随细粒含量的变化关系见图3。

由以上分析可知,细粒含量对砂土动孔压的影响不是单调变化的,而是存在一个界限含量,使含细粒砂土的动孔压在界限含量前后的变化规律呈相反的变化趋势。对本次试验所用的含细粒砂土,临界细粒含量在30%左右。

3 细粒含量对砂土动孔压影响的机理研究

细粒含量对砂土动孔压的影响仍可从含细粒砂土的微观结构特征去解释。按颗粒大小不同,含细粒砂土中的颗粒可分为2种粒组,分别为粗粒组和细粒组。在FC＜30%的情况下,含细粒砂土的动力特性由粗粒组决定,当细粒含量逐渐增加时,粗粒之间形成的骨架孔隙比(粒间孔隙比)es逐渐变大,随着骨架孔隙比(粒间孔隙比)es的增大,砂土的振动孔压更易消散,发展的较慢,这是导致相同振次比作用下,含细粒砂土动孔压逐渐降低的原因。在FC＞30%的情况下,当细颗粒再进一步增加时,砂土的动力特性主要由细粒决定,而细粒之间形成的骨架孔隙比(细粒间孔隙比)ef则随着细粒含量的增加而逐渐减小,随着骨架孔隙比(细粒间孔隙比)ef的减小,相同振次比作用下,砂土的振动孔压不易消散,因而发展较快,从而导致振次比相同的情况下,含细粒砂土的振动孔压又随细粒含量的增多呈逐渐变大的趋势。

图3 参数θ随细粒含量的变化关系

4 结 论

利用GDS循环三轴仪,进行了不同细粒含量砂土不排水动三轴液化试验,并基于Seed孔压应力模型,研究了细粒含量对液化进程中动孔压演化特性的影响。主要得出以下几点结论：

1)细粒含量对砂土动孔压发展的影响较大。其影响不是随着细粒含量的变化呈单调变化的趋势,在振次比一定的情况下,不同细粒含量砂土孔压比增长量不同,随着细粒含量的增加,砂土孔压比的增长量呈现出先降低后增加的趋势,这种趋势在振动的初始阶段尤为明显。

2)采用Seed孔压应力模型进行分析时,细粒含量的变化对砂土动孔压的影响主要体现在参数θ值的不同,参数θ先随着细粒含量的增加而减小,并在细粒含量为30%时达到最小值,之后随着细粒含量的增加又逐渐增加,不同的是参数θ在细粒含量超过30%后,其增加的趋势相对平缓。

3)通过对不同细粒含量砂土动孔压演化特性试验研究,更进一步证明了临界含量的存在,本次试验所用的含细粒砂土,临界细粒含量在30%左右。

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(编辑 王秀玲)

Effects of Fines Content on Evolutionary Characteristics of Dynamic PoreWater Pressure of Saturated Sands

WANGYan-li1,2,RAOXi-bao1,PANJia-jun1,WANGYong3

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,W uhan 430010,P.R.China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tong ji University,Shanghai 200092,P.R.China;3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and SoilMechanics,Chinese Academy of Sciences,W uhan 430071,P.R.China)

W ith the GDS dynamic triaxial system,undrained dynam ic triaxial tests on the saturated sand with different fines contentare performed,and the effectsof fines contenton evolutionary characteristics of dynam ic porew ater p ressure of saturated sands in the p rocess of liquefaction are analyzed based on Seed pore water pressure stressm odel.It is found that fines content has great effect on the dynamic porewater pressure of saturated sands by the parameterθfor Seed model.The relationship between parameterθand fines content isn't linear.Param eterθdecreasesw ith the increase of fines contentat first,and then reaches its smallest value when the critical value of fines content is 30%.A fter that,parameterθincreases gradually with the rise of fines content.According to the experimental study on effects of fines content on evolutionary characteristicsof dynam ic porewater pressureof saturated sands,theexistence of critical fines contentw ith 30%is further proved in the sandy soilused in the test.

fines content;saturated sands;dynamic porewater p ressure;dynamic triaxial test

TU435

A

1674-4764(2011)03-0052-05

2010-12-20

国家“十一五”科技支撑项目(2008BAB29B02);长江科学院中央级公益科研院所基本科研业务费项目(CKSF2010016)

王艳丽(1981-),女,博士,主要从事岩石渗流力学与土动力学方面的研究,(E-mail)wy ldhh@126.com。