细粒对杭州饱和粉土动力特性的影响

孟凡丽，黄　聪，郑　棋

(1．浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014; 2．浙江省送变电工程公司，浙江 杭州 310020)

细粒对杭州饱和粉土动力特性的影响

孟凡丽1，黄聪1，郑棋2

(1．浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014; 2．浙江省送变电工程公司，浙江 杭州 310020)

摘要：通过杭州地区的典型饱和粉土的动三轴试验，研究饱和粉土中细粒对粉土动力特性的影响.研究结果显示：粘粒质量变化对粉土动强度影响显著，但其影响并不是随着粘粒质量的增加单向增长，而是在粘粒达到或接近12%左右时表现出的动强度最低，并在此区域有临界点出现；粉粒质量变化对粉土动强度的影响则是呈单调关系，即粉土动强度会随着粉粒质量的增加而增大；细粒对粉土的孔压发展影响明显，在孔压发展的初始阶段粘粒质量占12%时增量最显著.

关键词：饱和粉土；粘粒；粉粒；动强度；动孔压

粉土液化问题一直是国内外学者近期研究的重点内容之一，由于粉土颗粒组成的特殊性，使得粉土液化的影响因素比砂土更复杂，特别是细粒变化会对粉土液化产生影响这一事实随着研究的深入已经被人们逐渐认识.Polito等[1]利用粉土和砂相混合的重塑土样做实验，发现细粒以及其相对密度对液化强度有很大影响；阮永芬等[2-4]选取密度和粘粒各不相同的饱和粉土进行动三轴实验，试验结果表明：粘粒质量增加，动强度也随着相应增强，也就是随着粉土中粘粒的变化，粉土的动强度会而呈单调变化；罗强等[5]通过动三轴试验发现，饱和粉土的细粒质量在45%～55%之间时会出现一个动强度的最低值，粉土的动强度并不随细粒的增加或减少而单调增减；丁志宇等[6]制作出4种不同细粒质量的重塑粉土进行动三轴实验，粉土的动剪切强度随着细粒质量的增加而增大；牛琪瑛等[7]研究了粘粒含量不同的重塑粉土的动剪应力比与粘粒含量的关系，曹成林等[8]通过则对黄河三角洲地区的饱和粉土进行类似研究.上述研究都是重点考虑粘粒和细粒的单一影响，实际上细粒包含粘粒和粉粒两部分，这两个的相对比例会影响土的动力特性.

不同地区的粉土都有其独有的特性，关于杭州地区饱和粉土的动力特性的研究，主要集中在振动频率和应力条件的改变上，孟凡丽等[9]模拟波浪荷载对杭州湾地区广泛分布的饱和粉土动力特性进行了研究；朱小可等[10]研究了低围压、小频率的循环荷载对杭州湾区域的近海粉土动力响应的影响；刘延志等[11]对杭州粉土的各向异性进行了探讨，但有关杭州饱和粉土的细粒对其动力特性的研究较少，因此针对杭州饱和粉土，研究地铁列车动荷载作用下的细粒质量变化对饱和粉土动强度和动孔压的影响，探寻不同比例的粘粒和粉粒对粉土动力特性的影响.

1试验概况

在研究粘粒质量变化对杭州饱和粉土动强度的影响时，试验选用重塑粉土，土样的砂粒保持为20%不变，粘粒和粉粒总和保持80%不变，然后将粘粒的质量分数Fc分别配置为6%，9%，12%，15%，后期还补充了粘粒分别为11%和13%的试验试样；在研究粉粒质量变化对粉土动强度的影响程度时，土样保持粘粒为15%，粉粒和砂粒总和为85%，分别调配粉粒的质量分数Ff为45%，55%，65%，75%.三种用于调配土样的原料土粒径分布如表1所示.

表1　原料土的粒径组成

试验的重塑试样采用φ39.1 mm×80 mm规格，设定土样控制干密度为1.497 g/cm3，按试验土样中的3种不同粒径计算出该配制土样总的砂粒、粉粒、粘粒的质量，然后将3种土料称好后充分混合，加水拌合均匀，分5层压实制样，各组试验土样的粒径分布如表2所示.

表2　试验土样粒径组成

本试验使用的是TAJ-20土动三轴试验机，其主要用于黄土、粉土、粘性土、砂土等的的动强度、液化、模量、振陷试验，能够进行轴向静力与动力加载，也可进行轴向与径向双向耦合(不同相位关系)的静力与动力加载条件下的动三轴试验，试验中双各向荷载的幅值、波形、相位、剪切波速或者试验频率可由微机独立控制；动力试验中可实现规则波(正弦波、三角波、方波、斜波)和给定时程的随机波加载过程.

地铁列车行车荷载具有周期性循环施加的特点，属于低频往返荷载，相关研究者通常都将地铁列车行车荷载统一简化为线性谐荷载，也就是用正弦波动荷载来简化，振动频率通常选用1 Hz.本研究试验采用固结不排水的试验方法，固结应力比选定为1.0，周围压力分别设定为100，150，200 kPa，孔压消散到达95%以上视为固结稳定，进行不排水振动试验，动应力施加采用频率为1 Hz的正弦波动荷载，记录动应力、动应变、动孔压与振动周次的相关数据信息，试验的破坏标准选择动应变控制，即轴向动应变峰值达5%时作为试样破坏条件.

2细粒对粉土动强度的影响

2.1粘粒对粉土动强度的影响

本研究首先进行了6种含不同质量的粘粒的粉土土样在3种围压下的试验，目的是为了寻找粘粒质量增加对饱和粉土动强度的影响，试验结果显示：粘粒质量相同时，相同固结比条件下围压增大，试样的动强度也会显著增强；而当试样在相同围压和固结比条件下，试样粘粒质量变化与其动强度之间不再呈现单调增减趋势，而是土样的动强度有最低值出现，此时粉土试样中的粘粒质量占12%.为了确认在此位置是否存在临界最低点，特进行粘粒为11%和13%两组试验，试验结果见图1.围压不变，粉土动强度明显受到粘粒增减的影响，但这种影响并不是单一的增加或减小，当粉土中粘粒在6%～12%区段时，其动强度会随着粘粒的增加而降低，当粉土中粘粒在12%～15%区段时，土体中粘粒增加，粉土土样的动强度会随之提高，而粘粒为12%的时候，该组饱和粉土土样的动强度最低，因此存在粘粒质量变化对动强度影响的一个明显的临界拐点.

图1　不同粘粒粉土的动强度关系曲线Fig.1　Dynamic strength curve of different clay content

2.2粉粒对粉土动强度的影响

在粉土颗粒组成中粉粒是主要部分，粉粒质量的变化对饱和粉土的动强度影响也很值得关注，试验设定土样中粘粒质量固定为15%，配置了粉粒质量分数分别为45%，55%，65%，75%的四组试样，对应的砂粒从40%减少到10%.在100，150，200 kPa围压条件下进行动强度试验.

图2　不同粉粒粉土的动强度关系曲线Fig.2　Dynamic strength curve of different silt content

图2为不同围压下不同粉粒粉土的动强度与破坏振次的关系曲线，结果显示：饱和粉土的粉粒从45%变化到75%，其动强度随着粉粒质量的增加而明显增大，并呈现单调增长趋势.粉粒质量变化对粉土动强度的这种影响，可以从粉土的粒径组成来解释，由于粉粒的增加，砂粒则相对减少，在单位体积中粉粒颗粒所占据的体积会变大，因粉粒颗粒粒径比砂粒小，所以粉粒替代砂粒后，土样中颗粒间隙也会变小，颗粒接触比之前要紧密，粉粒对土样液化所起的阻碍作用也会越明显，粉土的动强度也随之逐渐增加，因此粉粒质量的增加会使粉土的动强度也随之增长，而且这种影响是随着粉粒质量的增加单调增长的.

3细粒对粉土动孔压的影响

为了进一步研究粉土中细粒变化对其动孔压的影响，我们对不同粘粒和粉粒的粉土的振动孔压发展数据进行整理，将每个振动周期中孔隙水压力的峰值作为该周期内的能达到的孔压值，然后绘制孔压比与振次比的关系曲线，如图3，4所示，从而得到等压固结条件下细粒变化对粉土动孔压发展的影响趋势曲线.

图3　150 kPa围压下不同粘粒的动孔压发展曲线Fig.3　The curve of dynamic pore water pressure of silt under 150 kPa confining pressure

图4　200　kPa围压下不同粉粒的动孔压发展曲线Fig.4　The curve of dynamic pore water pressure of silt under 200 kPa confining pressure

不同粘粒的粉土孔压发展全过程如图3所示，试样在动荷载施加后的前期，其振动孔压会迅速增加，随后增速会变缓，最后逐渐趋于平稳.具体表现在N/Nf为0～0.2段区域内，不同粘粒粉土的孔压迅速上升，其孔压比增加值达到0.44～0.65，其中粘粒为12%的粉土其动孔压比增量最大(0.65)；粘粒为15%的粉土其增量最小(0.44).随后振动孔压的发展较之前变慢，直至达到一定的稳定值.其中粘粒为6%，9%，11%，12%，13%的粉土的最终孔压值基本都能达到围压的98%以上，而粘粒为15%的粉土的最终孔压值只有围压的93%左右.

当粘粒质量固定为15%时，粉粒不同的土样的孔压发展形态基本一致，全过程见图4，动荷载施加的初期，在短时间内其振动孔压会迅速增加，然后随着时间的推移增加速率会变缓，最后逐渐趋于平稳.图4中N/Nf为0～0.2这段区域内，试样中的动孔压上升迅速，孔压比达到0.4～0.8，其中粉粒质量为75%的粉土动孔压比增量最快；粉粒为55%的粉土其增量相对小；随后振动孔压的发展较之前变慢，直至达到一定的稳定值.

曾长女等通过对粉土等压固结时振动孔压发展的曲线拟合，得出了粉土孔压发展模型，即

(1)

式中：ud为振动N次的孔压；为试样的初始有效围压；Nf为试样破坏循环次数；a，b分别为曲线拟合参数[12].

为了验证该模型对本研究的杭州粉土动孔压发展的适用性，利用式(1)进行本试验动孔压发展的曲线拟合，验证拟合系数的取值与细粒的关系，其拟合结果如表3所示.

表3　不同细粒粉土的振动孔压发展模型拟合结果

由表3拟合结果可知：杭州饱和粉土在不同细粒条件下的振动孔压发展模式，可以利用曾长女提出的孔压发展模式来描述,同时结果显示，细粒质量的变化直接影响系数a和b的取值，特别是值的变化更加显著.

4结论

综上所述，杭州饱和粉土的动力特性受细粒变化的影响是比较显著的，特别是粉土的动强度受粘粒质量变化的影响较大,在粘粒质量增加时，粉土的动强度并不随着粘粒的增加呈现单调增大或减小，而是在粘粒质量达12%时最低，其中当粘粒质量在6%～12%区间时，动强度会随着粘粒质量的增加而减小，而当粉土中粘粒质量在12%～15%区间时，动强度则随着粘粒质量的增加而变大，拐点状态出现在粘粒占12%的位置，其动强度最小，试验证明此点应是粘粒质量和动强度关系曲线中一个特定的临界转折点，也就是在粉土中存在一个粘粒质量分数点，当饱和粉土中的粘粒接近或达到该值时，粉土的动强度会接近或达到最低值，此时粉土最易液化；不同粉粒的饱和粉土的动三轴试验显示，饱和粉土液化中粉粒质量变化起着非常重要的作用，当粉粒的质量分数分别为45%，55%，65%，75%时，粉土的动强度会随着粉粒质量增加而变大，并呈现出单调增长的趋势；另外，细粒质量变化同样影响粉土的动孔压发展，不同粘粒的粉土动孔压发展显示，在振动初始阶段，粘粒占比增加，其动孔压比增量会增加，但并不单向增长，在粘粒为12%时增量达到最大，然后随着粘粒质量的增加反而开始下降；而不同粉粒的粉土试样的动孔压发展，在振动初期，孔压比都会迅速上升，粉粒质量分数越高，动孔压比上升速度越快.

参考文献：

[1]POLITO C P，MARTIN J R．Effects of nonplastic fines on the liquefaction resistance of sands[J]．Journal of Geotechnical and geoenvironmental engineering，2001,127(5)：408-415．

[2]阮永芬，侯克鹏.粉土地震液化判别方法研究的现状和实际存在的问题[J]．地震工程与工程振动，2000,25(1)：64-67．

[3]景立平，罗强，崔杰.饱和粉土液化和应变特性试验研究[J]．昆明理工大学学报，2006，26(5)：478-483．

[4]李晓静，姚凯，李术才，等．黄泛区饱和粉土动强度特性试验研究[J]．山东大学学报，2011，41(3)：78-81．

[5]罗强．基于细粒的粉土液化特性试验研究[J]．四川建筑科学研究，2012，38(1)：138-141．

[6]丁志宇，丰土根，周健，等.细粒对饱和粉土动力特性影响试验研究[J]．人民黄河，2013，35(3)：138-140．

[7]牛琪瑛，裘以意，史美筠．粉士抗液化特性的试验研究[J]．太原工业大学学报，1996，27(3)：5-9．

[8]曹成林，孙永福，董斌．不同粘粒含量粉质土的动力强度特性研究[J]．海岸工程，2009，28(3)：27-32.

[9]孟凡丽，卢成原，王珊珊．波浪荷载下粉质土动应变和动强度的试验研究[J]．浙江工业大学学报，2007，35(6)：671-674．

[10]朱小可，胡敏云，朱烨．循环荷载作用下近海粉土工作性状的试验研究[J]．浙江工业大学学报，2008，36(2)：214-220．

[11]刘延志，胡敏云，沈映，等．杭州市粉土的各向异性室内试验研究[J]．浙江工业大学学报，2012，40(2)：188-192．

[12]曾长女，刘汉龙，丰土根，等.饱和粉土孔隙水压力性状试验研究[J].岩土力学，2005，26(12)：1963-1966.

(责任编辑：刘岩)

Influence of fine particles on dynamic characteristics of saturated silt in Hangzhou

MENG Fanli1, HUANG Cong1, ZHENG Qi2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang Transmission and Transformation Engineering Company, Hangzhou 310020, China)

Abstract:Through a series of dynamic triaxial tests on typical saturated silt in Hangzhou, the influence of fine particles on the dynamic characteristics of silt is studied. The results show that the dynamic strength is significantly influenced by the clay content, but it does not increase monotonically with the increase of the clay content. When the clay content is around 12%, the dynamic strength reaches the lowest value and there is a critical point in this range. The effect of the variation in the silt content on the dynamic strength of powder soil is monotonous, i.e., the dynamic strength of power silt increases with the increase of the silt content. The effect of fine particles on the development of the pore water pressure in silt is significant and the percent increase is the largest at the clay content of 12% in the initial development stage of pore pressure.

Keywords:saturated silt; clay particle; silt particle; dynamic strength; pore water pressure

收稿日期：2015-12-10

基金项目：浙江省科技厅基金资助项目(2013C31034)

作者简介：孟凡丽(1969—)，女，辽宁锦州人，教授级高级工程师，研究方向为岩土工程，E-mail:zgdmfl@126.com．

中图分类号：TU435

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)03-0300-05