海洋含黏粒砂土共振柱试验研究
2015-01-05吴和锦潘国富王小燕陈培雄
吴和锦,潘国富,王小燕,陈培雄
(国家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)
海洋含黏粒砂土共振柱试验研究
吴和锦,潘国富,王小燕,陈培雄
(国家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)
本文利用英国GDS公司生产的RCA共振柱系统测试海洋含黏粒砂土动剪切模量,同时对比纯砂样的动剪切模量,系统研究固结应力、初始密实度、黏粒含量等因素对砂土最大动剪切模量的影响。试验结果表明:最大动剪切模量随有效固结应力增大而增大;随初始密实度增大而增大;随黏粒含量的增加而降低。
共振柱试验;黏粒;最大动剪切模量;骨架孔隙比
0 引言
海洋地质调查资料表明,浙江东部河口近岸海域广泛分布含黏粒砂土,黏粒在矿物成分和颗粒组成上与砂粒明显不同。BAZIAR和DOBRY[1]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,均含一定细粒成分。国内对饱和砂土研究较多的是均一的纯净砂,如加拿大Ottawa砂、日本Toyoura砂和我国福建标准砂[2],很少有涉及含黏粒砂土。
针对黏粒含量对砂土动力特性的影响,研究较多的是砂土动强度和地基液化问题,涉及含黏粒砂土动剪切模量的研究则很少。动剪切模量是描述土体动力特性的重要指标,是场地地层地震反应分析和岩土工程抗震设计必需的力学参数,已有学者对不同地区土体的动剪切模量进行了大量的实验研究[3-7],然而这些研究多未考虑黏粒含量的影响。基于此,本文参考杭州湾地区含黏粒砂土的物质组成,通过人工制备不同黏粒含量的砂土,利用GDS共振柱试验系统对含黏粒砂土的最大动剪切模量进行测试研究,并尝试从黏粒砂土微观结构特征的角度,分析不同黏粒含量对饱和砂土动力特性的影响机理。
1 试验仪器
本试验仪器采用GDS共振柱系统,它是由英国Geotechnical Digital Systems Instruments Company(简称GDS公司)研制生产的高精度固定-自由型RCA共振柱仪,是目前国内外最常用的共振柱测试系统之一。GDS系统具有纵向激振和横向扭转激振的功能,它的优越性特别表现在小应变的条件下进行试验,可测定小应变10-6~10-4范围内的动剪切模量。
该仪器的动力由电磁动力系统提供,使用正弦波电压,最大输入电压为2 V,最大围压1 MPa,试样尺寸为50 mm×100 mm,其测试系统的三轴室剖面结构示意图如图1所示[8]。
图1 共振柱测试单元剖面结构示意图Fig.1 Schematic cross-sectional structure of resonant column test unit
2 试验材料及方法
2.1 试验材料及试样制备
试验材料包括纯净砂和黏粒。福建标准砂是我国学者研究砂土问题时所针对的一种有代表性的砂,是许多与砂土相关的单元体试验的试验用砂,因此本试验所用砂土也选用福建标准砂,以便与前人的相关研究作对比。所用福建标准砂为细砂,土颗粒均匀,级配不良[9]。图2为所用福建标准砂的颗粒级配曲
图2 福建标准砂颗粒级配曲线Fig.2 Particle grading curve of Fujian Standard Sand
线,表1为其相关的物理特性参数。试验中掺入细砂的黏粒选取福建产的灰色高岭土,主要成分是高岭石,次要矿物是伊利石和石英。表2为灰色高岭土物理特性参数。
表1 福建标准砂物理特性参数Tab.1 The physical parameters of Fujian Standard Sand
表2 灰色高岭土物理特性参数Tab.2 The physical parameters of gray kaolin
由于本次试验材料中含有黏粒,且需要制作相对较松散的试样,综合各类制样方法的适用性和优缺点及以往的研究经验,本次试验过程中采用分层击实法,在三轴压力室内原地成型。试样为圆柱体,共振柱试验试样直径为50 mm,高度为100 mm。根据试样密实度和黏粒含量计算出每个试样的黏粒与标准砂质量,将称好的黏粒和标准砂混合在一起,用搅拌棒充分混合均匀。分层击实法制样时,砂土分5层等质量击实,考虑到击实上层砂土对下层有增密作用,土层控制击实厚度向上逐层递减[4]。当完成最后一层砂土的击实后,将顶帽轻轻平放到土样顶面,扣上土样薄膜并套上O型环,通过抽真空施加20 kPa的负压以支撑制样。拆除对开试样模具后,分别测量试样水平截面各成120°的3个不同位置高度,取其平均值;并分别测量试样上、中、下3个不同位置的直径,取其平均值。待试样安装完毕后,先施加10 kPa围压,再将真空负压减小10 kPa,如此循环,直至消除负压,等待下一步试验[2,8,10]。
2.2 试验方法
试样饱和过程先通入CO2气体大约2 h,把试样中的空气置换成CO2,再用水头饱和法往试样中注水,最后是反压饱和。通过B值检测,当B值大于95%时即可进行试样固结,固结完成后在固结压力下保持1 h,然后进入RCA软件进行共振测试。
试验使用有效固结应力分别为100、200和400 kPa,初始密实度由干密度控制,砂土土粒间的联结是极微弱的,土粒排列的紧密程度对砂土的工程性质有重要影响。砂土在天然状态下的紧密程度通常用相对密度Dr来表示,本文选用相对密度为0.73、0.60和0.30的标准砂分别代表密实、中密和稍松三种状态[11-12],考虑到含黏粒砂样的制备,为了更好控制试验变量,把纯砂的3种密实度换算成的干密度1.549、1.509和1.424 g/cm3作为砂土样土粒间的紧密程度控制参数。分别研究不同黏粒含量(4%、9%和15%)的3种不同干密度砂土样在200 kPa的有效固结应力下动剪切模量和阻尼比[2]。激振模式采用稳态强迫扭转激振,激振频率由低逐渐增高,直至系统发生共振,记录共振频率和最大电压值,用以确定最大动剪切模量。详细试验方案见表3。
表3 饱和含黏粒砂土共振柱试验具体方案Tab.3 The specific programs for resonant column test of saturated clay containing sand
3 试验结果
3.1 干密度对动剪切模量的影响
干密度为1.424、1.509 和1.549 g/cm3的福建标准砂,分别在100、200和400 kPa的有效固结应力下的最大动剪切模量变化关系如图3所示。从图上可以看出,砂土样的动剪切模量随干密度的增大而增大。因为干密度越大的砂土样,其孔隙比越小,土颗粒越密集,土体颗粒接触点增加,在土体中波传播速度越快,从而增大了土体动剪切模量[4]。
图3 干密度对动剪切模量的影响Fig.3 The influence of dry density on dynamic shear modulus
3.2 有效固结应力对动剪切模量的影响
单一考虑一种干密度的纯净砂土样在100、200和400 kPa的有效固结应力下固结完成后的最大动剪切模量变化规律如图4所示。从图中可以得出,砂土样的最大动剪切模量都是随着有效固结应力的增大而增大。因为有效固结应力越大的砂土样,其孔隙比越小,土颗粒越密集,土体颗粒接触点增加,在土体中波传播速度越快,从而增大土体动剪切模量。
图4 固结应力对动剪切模量的影响Fig.4 The influence of confining pressure on dynamic shear modulus
3.3 黏粒含量对动剪切模量的影响
图5给出了200 kPa固结应力条件下饱和砂最大动剪切模量Gdmax与黏粒含量Pc的关系曲线。由图5可知,相同干密度条件下,黏粒含量对砂的最大动剪切模量影响显著,随着黏粒含量的增加,砂土的最大动剪切模量逐渐减小。
图5 黏粒含量对动剪切模量的影响Fig.5 The influence of clay content on dynamic shear modulus
黏粒含量对砂土动剪切模量的影响可以从含黏粒砂土的微观结构来阐释。含黏粒砂土的微观结构非常复杂,它是各种大小不一的土粒或者粒团通过多种连接方式形成的集合体,土粒之间不同的组合连接或解除方式称之为“力链”,导致砂土不同的宏观力学性质[6]。
含黏粒砂土,当其黏粒含量不高时(<15%),黏粒未能完全占据砂粒之间的孔隙,而是存在于砂粒与砂粒接触点附近,土体内部力链的形成和相互作用力的传递主要由粗的砂粒所控制,砂粒作为土体的骨架,按式(1)定义骨架孔隙比es:
(1)
由于黏粒比重比标准砂比重大,同样干密度的砂土样含黏粒越多,使得主骨架孔隙比es增大,砂粒之间接触点减少,土体内部力链的相互作用力逐渐减小,相同动应力水平下抵抗变形的能力随之降低,从而使动剪切模量减小。从宏观方面看,黏粒比重比标准砂比重大,同样干密度的砂土样含黏粒越多,试样反而越相对松散,土体中波传播速度就更慢,从而土体动剪切模量就越小。
4 结论
(1)砂土样的最大动剪切模量随干密度的增大而增大,随有效固结应力的增大而增大。
(2)黏粒含量对饱和砂的动力特性有显著影响,共振柱测试结果显示各级固结应力下,砂土最大动剪切模量随着黏粒含量的增加呈现线性递减的规律。含黏粒砂土动剪切模量受黏粒含量的影响机理可由土体的微观结构特征得到阐释,并可借助骨架孔隙比这一粒间状态参量来分析。
本文仅涉及黏粒含量小于15%的砂土样,大于15%的黏粒含量范围的砂土样动剪切模量变化规律还未可知,此外,本文涉及土样固结都是等向固结,没有进行偏压固结的相关研究,这些都有待进一步研究和验证。
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Study on resonant column test in marine clay containing sand
WU He-jin,PAN Guo-fu,WANG Xiao-yan,CHEN Pei-xiong
(TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)
Dynamic shear modulus in marine clay containing sand was tested using RCA resonant column test system produced by GDS Company of UK. At the same time, comparing to the dynamic shear modulus in pure sand sample, the various factors such as the consolidation pressure, initial compactness, clay content, etc. influencing the maximum dynamic shear modulus of soil were studied systematically.The results show that the maximum dynamic shear modulus increases along with the effective consolidation pressure increasing and the initial density increasing, while it decreases along with the clay content increasing.
resonant column test;clay;maximum dynamic shear modulus;skeleton void ratio
10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.010.
2015-05-15
2015-06-04
浙江省自然科学基金项目资助(LY13D060003)
吴和锦(1988-),男,江西吉安市人,主要从事港口、海岸及近海工程方面的研究。E-mail:hejin_wu@163.com
TU411; TU442
A
1001-909X(2015)03-0070-05
10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.010
吴和锦,潘国富,王小燕,等. 海洋含黏粒砂土共振柱试验研究[J]. 海洋学研究,2015,33(3):70-74,
WU He-jin,PAN Guo-fu,WANG Xiao-yan, et al. Study on resonant column test in marine clay containing sand[J]. Journal of Marine Sciences, 2015,33(3):70-74, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.010.