冲击荷载作用下饱和粉土孔压发展规律及液化特性研究

乔莹莹， 冯文凯，2， 杨 翔

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都 610059；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059；3.成都理工大学 地球科学学院， 四川 成都 610059)

冲击荷载作用下饱和粉土孔压发展规律及液化特性研究

乔莹莹1， 冯文凯1，2， 杨 翔3

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都 610059；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059；3.成都理工大学 地球科学学院， 四川 成都 610059)

对四川三溪村滑坡地区的覆盖层粉土进行试验研究，在循环周期荷载作用下通过改变振动频率等主观因素，分析其饱和重塑粉土液化特性.通过改变外界条件，包括围压、动应力以及振动频率等多个因素，研究饱和粉土的孔压变化，进而分析在不同冲击荷载作用下，粉土的液化程度.试验结果表明，在振动频率为5 Hz时，粉土极易发生液化，当频率在其他范围时则明显看出其液化程度降低；在同一围压下，粉土孔压随动荷载的增大呈现出逐渐降低的趋势，其液化程度逐渐降低.

重塑性粉土；粉土液化；孔压；振动频率；冲击荷载

0 引 言

粉土介于砂土与黏土之间，既含有一定量的砂粒，又存在一定的黏塑性，属于塑性指数Ip小于或等于10的土[1].针对砂土液化，Seed等[2]运用振动三轴试验分析了砂土液化，建立了振动孔隙水压力与振动次数比之间的孔压模型.此外，吴世明[3]认为，孔隙水压力是影响土质液化的重要因素之一.作为研究的对象，四川省都江堰三溪村的滑坡发生于“5·12”汶川大地震以后，由于受到地震作用以及之后的暴雨影响，造成了严重的后果.针对此滑坡覆盖层粉土进行现场模拟试验研究，分析其在冲击荷载作用下孔压的发展规律及液化特性，具有重要的现实意义.

本试验主要研究除粉土黏粒外，振动频率对饱和粉土液化的影响，以及在冲击荷载作用下饱和粉土孔压的发展规律.

1 试验设计

1.1 试验设备

试验使用MTS810Teststar程控液压伺服土动三轴仪，其适用于直径50 mm，高100 mm的圆柱体试样，振动波形有方波、三角波、正弦波3种，频率范围为1～10 Hz.试验可根据实际动荷载特点对振动波形、振动频率等进行控制，具有自动采集数据和处理功能.

1.2 试样制备与方法

1.2.1 试样制备.

试验用土来自三溪村滑坡覆盖层0.5 m深的粉土，取样在保证干密度不变的情况下，以含水率为20%制成的重塑土试样进行试验.原状土样经过土工试验得出其基本参数如表1所示.重塑土试样在MTS试验机上进行抽气饱和，具体为，抽气4 h，饱水5 h，以确保饱和度在0.95以上，同时试样采用等压固结，固结应力比利用Kc=σ1/σ3计算.

表1 试样基本参数

1.2.2 试验方法.

试验的目的主要为研究某单一因素对饱和粉土液化产生的影响，故试验均在固结比为1的条件下进行，通过观察其应变， 判断其破坏标准.根据相关试验研究的结果[4]，本试验主要研究在试样破坏时达到的孔压值，进而判断其是否发生液化.具体过程为：将试样安装到三轴仪上进行抽气饱和，等压固结后测孔压增量，为保证试样达到完全饱和，试验设定当饱和度B值≥0.97时，可认为试样完全饱和.试样液化的标准主要有以下2种：孔压达到围压(液化)标准；孔压破坏应变标准.

根据地基动力特性测试规范[5]，判断试验结束条件为满足以下三者之一：应变达到10%；孔压基本达到围压大小；振次达到500次.MTS试验机提供3种波形，根据该地区地震的剧烈运动情况，确定本试验采用三角波来反应现场情况.

2 振动频率对粉土液化程度影响

粉土的黏粒含量是表示粉土液化特性的一个重要指标.除了粉土中黏粒含量的影响，试验过程中一些客观因素也对粉土液化有着一定的影响[6-9].本试验拟在相同的黏粒含量条件下分析荷载频率对粉土产生的液化特性影响，试验结果如图1所示.

图1 不同振动频率粉土抗液化强度曲线

从图1可以看出，由于试验中振动频率的不同，相同循环周数比所达到的循环应力比有很大差异.当试验振动频率分别为1 Hz和8 Hz时，重塑粉土试样没有出现液化现象，其发生的破坏主要是由于土体变形增大引起的；当试验振动频率为5 Hz时，重塑粉土试样很快达到液化程度.由此可见，该滑坡地区覆盖层土发生液化的振动频率大致可以确定在5 Hz左右，此可作为判定地震波的一个依据.

3 孔压试验过程与结果分析

3.1 试验过程

将重塑粉土试样制成高100 mm，直径为50 mm的圆柱体，制样过程中保证其干密度不变.将制好的试样立即安装上机，按设计好的试验程序和技术要求进行调试，之后将试样进行充分的抽气饱水，施加不同的围压及动荷载.

3.2 结果与分析

在试验过程中，通过给重塑粉土试样施加循环应力，研究其变化规律，结果如图2所示.

图2 孔压比与循环周数比关系曲线

图2显示，试样的变化规律基本一致.在不同的循环应力比条件下，随循环周数比的增加，孔压比增长速率出现先急剧上升后缓慢持续增长的过程，试样最终达到液化.

3.2.1 动荷载对孔压的影响.

研究发现，在粉土液化过程中，孔压的变化是一个至关重要的因素，在围压一定的条件下固结，不同的动应力引起土中孔压产生很大的变化[10].因此，在围压一定的情况下，施加动荷载至试样发生破坏，孔压比的最终值可以判定该试样是否发生破坏.为研究动荷载作用对孔压的影响，本试验通过施加3种不同的围压，并通过改变动荷载的变化来观察孔压变化，结果如图3所示.

图3 孔压比在动荷载影响下的变化

由图3可看出，当围压一定时，孔压比随着动荷载的增大呈现出逐渐降低的趋势，说明对于该滑坡覆盖层粉土来说，动荷载越大，粉土发生液化的程度越小；在同一种动应力条件下，当围压处于35 kPa时，试样更易于发生液化，随着围压的增大，试样液化程度则越来越弱.

3.2.2 振幅对孔压的影响.

试验发现，振幅的变化对孔压的变化也有一定的影响，其结果如图4所示.

图4 振幅对孔压比的影响

由图4可知，当冲击荷载值从0～300 kPa时，孔压比变化缓慢，持续时间较短，其液化程度较之冲击荷载从-300 kPa～300 kPa时变化缓慢，此可作为冲击液化考虑的主要影响因素之一.

4 结 论

在土动三轴试验中，判别粉土液化的标准有很多，本试验主要研究了振动频率的变化对粉土的影响，得出适用于该滑坡覆盖层粉土的最适合频率.同时，孔压的变化可以作为另一个判别粉土液化的标准.对此，本试验主要通过动荷载的变化来分析粉土在试验过程中孔压的变化，得出在同一围压下，随动应力增大，孔压逐渐减小，试样发生液化程度也逐渐减小的结论.需说明的是，由于本次试验仅对粉土进行了小范围动荷载变化试验，是否可以应用在各种围压与动应力情况下还有待进一步的研究.

[1]中华人民共和国建设部.建筑地基基础设计规范：GB50007-2002[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]Seed H B,Lee K L.LiquefactionofSaturatedSandsDuringCyclicLoading[J].J Soil Mech Found Div,1966,92(SM6):105-134.

[3]吴世明.土动力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[4]周键,白冰,断瑞明.粉煤灰作为筑坝排水垫层的动力特性试验研究[J].勘察科学与技术,2000，18(5):7-11.

[5]中华人民共和国机械工业部.地基动力特性测试规范：GB/T 50269-97[S].北京：中国计划出版社,1984.

[6]衡朝阳,何满潮,裘以惠.含粘粒砂土抗液化性能的试验研究[J].工程地质学报，2001,9(4):339-344.

[7]曹宇春,王天龙.上海粉土液化特性及孔压模型的试验研究[J].上海国土资源,1998，19(3):60-64.

[8]王建华,要明伦.循环应变下饱和砂(粉)土衰化动力特性研究[J].水利学报,1997，27(7):24-30.

[9]景立平,崔杰,李立云.徐州市棠张镇饱和粉土液化性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2004,24(5):160-164.

[10]刘茜,郑西来,刘红军，等.黄河三角洲粉土液化的试验研究[J].世界地震工程,2007,23(2):161-166.

Development Law of Pore Pressure of Saturated Silt and Its Liquefaction Behavior under Impact Loading

QIAOYingying1,FENGWenkai1，2,YANGXiang3

(1.College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；2.State key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu Unversity of Technology, Chengdu 610059, China;3.College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

The paper analyzed the liquefaction behavior of saturated remodeling silt influenced by subjective factors such as the change of frequency under load effects in a cycle period after the research on the covering layer of silt on the landslide areas in Sanxi Village in Sichuan.In addition,the paper also studied the pore pressure change of saturated silt by changing external conditions,including factors like confining pressure,dynamic stress and frequency,etc.，so as to further analyze the liquefaction degree of silt under different impact loading.The experiment results showed that when the frequency was 5 Hz,the silt was pretty prone to be liquefied.In an area around 5 Hz,it was obvious to see that the liquefaction degree decreased. However, under the same confining pressure,the pore pressure of the silt decreased with the increase of the dynamic loading and the liquefaction of the silt also decreased gradually.

remodeling of silt;liquefaction of silt;pore pressure;frequency;impact loading

1004-5422(2016)04-0419-03

2016-09-09.

国家自然科学基金(41172278)资助项目.

乔莹莹(1989 — )， 女， 硕士研究生， 从事地质灾害防治与地质环境保护研究.

TU411

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