黏粒含量对粉土地震液化影响及机理的探讨

杨 翼，马俊祥，王晨东，吴 迪

(1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007；2.华能河南清洁能源分公司，河南 郑州 450000)

地震是自然界常发生的地质灾害之一，目前诸多学者从不同角度对饱和砂土、粉土动力性质进行了研究，Nemat和Shokooh[1]提出了基于能量法的土壤液化特性分析方法，从能量角度研究了振动荷载下砂土孔压增长机理，并建立了数学模型；黄志全等[2]以能量耗损为指标，主要分析了黏粒含量、干密度、围压及相位差对砂土液化特性的影响;Lade等[3，4]的研究结果表明，细粒含量的增加降低了饱和砂土的抗液化能力；Xenaki等[5]发现砂土的抗液化强度伴随粘粒含量的增加先逐渐降低；但当粘粒含量增大到某一界限值时，抗液化强度，反而逐步升高；陈永健[6]研究了粘粒含量对饱和砂土动孔隙水压力的影响，认为粘粒含量对砂土孔隙水压增长随粘粒增加分为由促进、不完全抑制到完全抑制的过程；曾长女等[7]研究了饱和粉土粉粒含量影响的动孔压发展模型；吕筱[8]对细粒含量对粉土动力特性及微观结构影响的实验研究，取得了丰富的实验资料。

然而黏粒对粉土地震液化的影响及机理的研究较少。本文以土力学基本理论、应力分布理论及黏土矿物学基础知识为基础，结合本领域有关学者的研究成果及现行规程规范，旨在分析颗粒分布对粉土地震液化的影响及机理。

2 研究思路及粉土液化微元损伤

2.1 研究思路

结合粉土的颗粒组成、微观结构分析微观概化模型，对模型微单元进行受力分析，了解其地震液化条件下微元的响应；选取临界锤击数、动孔隙水压研究粉土随粘粒含量变化的响应机制，观察粉土不同黏粒含量的微观结构，从微观结构角度解释粉土随黏粒增加临界锤击数、动孔隙水压变化趋势，得出黏粒含量对粉土地震液化影响及机理。研究流程见图1。

图1 研究流程图

2.2 粉土颗粒组成、微观结构及微元假定条件

2.2.1 粉土颗粒成分组成

粉土是由砂粒、粉粒及黏粒组成[7]，砂粒粒径一般介于：0.075-0.25mm之间（据华能濮阳县500MW风电项目大量实验资料统计所得）；粉粒粒径：0.075-0.005mm；黏粒粒径：小于0.005mm。

2.2.2 研究的微元假定条件

假定粉土砂粒及粉粒为不可压缩的钢球，黏土矿物假定为钢片；震动作用发生时只发生在钢球及钢片表面,钢球及钢片内部的不发生结构损坏及变形。

2.3 粉土液化微元损伤

2.3.1 微元的作用力

液化微元为粉土中的粒状颗粒（钢球），以地下水位以下埋深小于20m的一钢球(粉、砂粒)为研究对象，对其进行受力分析，其受力可分为：支撑力、接触摩阻力、胶结力及孔隙水压力（孔隙水压力各向同性），土体的抗剪强度来源于接触力摩阻力、胶结力。接触摩阻力主要来源于钢球与钢球之间的摩擦，胶结力主要来源于钢片内部的结合水膜的胶结作用。

2.3.2 地震作用对微元的影响

地震作用为交变荷载，在地震力大于钢球所承受的周围颗粒的约束力时，钢球向地震力作用方向位移，土体孔隙有减少趋势，高频率交变地震力作用下土体颗粒频繁位移，粉土渗透系数较小，孔隙水未能及时排出产生超静孔隙水压力，颗粒间支撑力逐渐减小甚至消失，颗粒间摩擦力随之减小甚至消失，土体逐渐液化，当含量较少的黏土胶结物不足以承受土体所受的剪力时，土体发生剪切破坏。

图2 临界锤击数随黏粒含量变化规律

图3 震次比与孔压围压比关系曲线

3 黏粒含量对粉土液化性能及动孔隙水压的影响

3.1 黏粒含量对粉土液化性能的影响

粉土液化性能按临界锤击数大小进行判断，以华能濮阳县500MW风电项目为例，部分风机位0-20m范围内分布稍密至中密粉土，地下水埋深约1.5m左右。

砂土、粉土液化判别公式如下[10]：

式中：

Ncr-----液化判别贯入锤击数临界值；

No-----液化判别贯入锤击数基准值；

ds-----饱和土标准贯入点深度(m)；

dw-----地下水位；

ρc-----粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；

β-----调整系数，设计地震第一组取值0.80，第二组取0.95，第三组取值为1.05。

输入条件：地下水位1.5m，No取12，β取0.95（地震分组为第二组），土层临界锤击数随黏粒含量变化规律见图2。

由图可知其他条件相同的条件下，随黏粒含量增加粉土越不易液化。

3.2 黏粒含量对粉土动孔隙水压的影响

粉土试样三轴实验中围压固定，对试样施加动荷载直至试样破坏，若动孔隙水压力(U)与初始围压(δЗ)比称为孔压围压比,震动次数(N)与试样破坏时动荷载施加总次数(Nf)的比值称为震次比。黏粒设定为10%、12%及15%条件下震次比与孔压围压比变化曲线见图3。

由图可知初始阶段随动荷载施次数的增加，不同黏粒含量的各试样孔隙水压力增长速率基本相同，孔隙水压发展至一定阶段，黏粒含量越高，孔隙水压增长越迅速，之后均趋于稳定试样破坏。

4 黏粒含量对粉土微观结构的影响及机理

砂粒及粉粒等粒状颗粒奠定了粉土的基本骨架，随黏粒含量的增加，骨架颗粒之间形成的微观孔隙的填充度逐渐变大，黏粒含量影响粉土如下两方面性质。

（1）影响黏土胶结物总面积，黏土矿物增加胶结物总胶结面积增加；（2）影响微观小孔隙的孔隙分布，黏土矿物增加，微小孔隙孔径区间变小。

5 黏粒含量对粉土液化影响及机理综合分析

5.1 粉土微元动荷载响应机制

根据2节假定条件，不同粒径钢球之间组成孔隙，在地震动荷载作用下，各级钢球有向周围孔隙内部位移的趋势，由于瞬时位错微元之间丧失接触时，钢球处于非接触状态，土体液化。

黏土矿物组成的胶结物填充于微观孔隙之中，减小了土体的渗透性，对动荷载作用下土体抗液化不利，但是在地震动荷载作用下，黏粒填充骨架之间，黏土胶结物沿结合水膜反复剪切，增加土体的抗液化性能。

5.2 黏粒含量对粉土抗液化性能的影响的机理分析

钢球骨架（粉土中粉粒、砂粒组成的骨架颗粒）被钢片（黏粒）填充于微孔隙之中（见图2），随黏粒含量增加骨架颗粒之间的胶结力增加，该胶结力是由黏土矿物片之间结合水膜承担，不会随超静孔隙水压力增加而变化，因此随黏粒含量变化，粉土抗液化性能增加，宏观表现为随黏粒含量增加临界锤击数减小。

5.3 黏粒含量对粉土动孔隙水压发展的机理分析

随动荷载作用次数增加，能量在土体内部积累，初始阶段随动荷载施加，能量积累有限，该阶段主要表现为骨架颗粒向大孔隙内位移，之后随能量积累递增，骨架颗粒逐渐向微小孔隙内位移。

黏粒含量主要改变的是粉土微小孔隙段的孔径分布，因此随动荷载作用次数增加，各黏粒含量粉土动孔隙水压初始基本相同，之后黏粒含量高的粉土样品动孔隙水压增长较快，综上宏观性质与微观结构一致性较好。

5.4 黏粒含量对粉土抗液化性能的综合影响

随黏粒含量增加，一方面表现为胶结面积增大，土体抗液化能量增加；另一方面由于粉土骨架颗粒被黏粒填充，随黏粒含量增加微观孔径减少，动孔隙水压中期增长迅速，对粉土抗液化不利。综合第3节可知：黏粒增加对孔隙水压影响的负面作用小于其胶结性能对抗压化作用的贡献，黏粒增加宏观上体现为抗液化能力增加。

6 结论

（1）粉土可看作由砂粒、粉粒及黏粒做成的土体，砂粒、粉粒抽象为钢球，黏粒可抽象为钢片。

（2）可液化微元为粉土中的粒状颗粒（钢球），其受力可分为：接触摩阻力、胶结力及孔隙水压力，土体的抗剪强度来源于接触摩阻力及胶结力。

（3）其他条件一定，随黏粒含量增加，粉土液化临界锤击数降低，抗液化性能增强。

（4）粉粒含量一定，随黏粒含量增加，粉土动荷载作用条件下，动孔隙水压初期受黏粒含量增加影响较小，中期随黏粒含量增加，增速变大。

（5）黏粒增加对粉土抗液化效应（表现为黏聚力增大）大于其促进液化的效应(表现为动孔隙水压增大)，黏粒增加宏观上体现为抗液化能力增加。