钙质砂与硅质砂液化特性对比试验研究*

王 刚 殷 浩 郑含辉 杨 饯

(①山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045，中国)(②重庆大学土木工程学院，重庆 400045，中国)

0 引 言

钙质砂是造礁珊瑚、珊瑚藻及其他海洋生物的骨架残骸在原地沉积或近源搬运沉积的碎屑物。我国南海岛礁大多为珊瑚礁，岛礁间的松散堆积物及礁坪沉积物以钙质砂、钙质砾石为主。在南海的开发过程中，为了快速地大规模填海造陆，修建机场、码头、营地等大型工程设施，就地采取珊瑚礁钙质砂作为场地填料是最经济和最快速的方案，因此形成了大量的钙质砂吹填场地。吹填砂土地基是最容易产生地震液化破坏的场地。在1993年关岛地震(Vahdani et al.，1994)、2006年夏威夷地震(Brandes et al.，2008)、2010年海地地震(Green et al.，2011)中钙质砂回填的港口、码头等发生了严重的液化大变形。这些地震破坏实例表明，钙质砂吹填场地也可能发生液化。

虽然目前砂土地震液化研究已经取得了巨大的进展(张艳美等，2018；汪发武，2019；张庆等，2020)，建立了较为可靠的砂土液化可能性判别及液化引起大变形的评价方法(王刚等，2007a，2007b)。但是由于地震液化一般发生在浅层地基(埋深一般小于20m)，应力量值不高，且广泛存在的陆源硅质砂具有较高的颗粒强度，液化问题的已有研究没有(也不需要)考虑土颗粒破碎的影响。钙质砂颗粒内孔隙、形状极不规则，在较低压力下即可发生显著的颗粒破碎(刘崇权等，1998；李建国，2005；朱长歧等，2014；陈火东等，2018；汪稔等，2019；Wang et al.，2020)，极大地影响了砂土的体变特性(体积收缩)，从而显著地减小其抗液化能力；然而钙质砂棱角状的颗粒会使土颗粒间有更大的摩擦和咬合，从而增大其抗液化能力，因此钙质砂的液化变形行为更为复杂。

钙质砂的循环三轴试验(Kaggwa et al.，1990；虞海珍等，1999；Sandoval et al.，2012；Agaiby et al.，2013；王刚等，2019)、循环单剪试验(Mao et al.，2003；Brandes，2011)以及循环扭剪试验(虞海珍，2006；孟庆山等，2012；Shahnazari et al.，2016)结果表明：(1)根据初始密度的不同，钙质砂在循环剪切过程中的变形行为有“循环活动性”和“流滑”两种表现，但是发生的应力条件与硅质砂有差别；(2)循环剪切过程中钙质砂超静孔压的波动性要明显大于硅质砂；(3)钙质砂是一种易于液化的砂，其抗液化强度与相同颗粒级配的硅质砂有着显著的差异。这些研究成果说明，现有基于硅质砂的液化评价方法不能直接应用于钙质砂(Mejia et al.，1995；Nicholson，2006)，因此很有必要对比研究相同级配和密度条件下钙质砂地基与硅质砂地基的抗液化能力。

现场地基液化判别多以原位测试为主，目前已经建立了多种基于原位测试指标的液化判别方法(王刚等，2007a，2007b)。我国对于砂土地基液化可能性的判别，GB50011-2010《建筑抗震设计规范》推荐采用标准贯入试验判别法(以下简称“SPT法”)，当测得的目标地基标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于液化判别标贯锤击数临界值时，应判为液化土。而在泛美地区用于评估地基液化势的主流判别法是美国国家地震工程研究中心(NCEER)建议的方法(Youd et al.，2001)，通过对比地基的循环抗力比和地震引起的循环应力比来进行液化判定。两种判别方法都需要建立地基抗液化强度与贯入阻力的关系，但是钙质砂与硅质砂的颗粒差异性也会影响贯入结果：一方面钙质砂棱角状的颗粒会增大贯入阻力；另一方面钙质砂尖角破碎和高压缩性会减小贯入阻力。因此只有综合考虑钙质砂的颗粒形状不规则和颗粒破碎特点对抗液化能力和现场贯入阻力的影响，才能评价现有的基于原位测试指标的液化判别方法用于钙质砂地基的合理性。

本文拟通过对相同级配的南海岛礁钙质砂和陆源硅质砂开展不同相对密度试样的不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验，对比分析两种砂在应力-应变行为、抗液化能力与贯入阻力等方面的差异，旨在为建立更为合理的钙质砂地基液化判别方法提供参考。

1 试验方案和材料

1.1 试验方案

按图1所示的技术路线对钙质砂和硅质砂试样分别开展不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验。不排水循环三轴试验的目的是对比钙质砂与硅质砂在抗液化能力和应力-应变行为等方面的差异。轻型动力触探试验的目的是建立钙质砂和硅质砂地基贯入指标N10和相对密度的关系，并对比两种砂在不同相对密度下贯入阻力的高低。

图1 技术路线图Fig.1 Research plan

1.2 试验材料物理性质

试验所用钙质砂取自我国南海西沙群岛，筛除1.0mm以上的颗粒和0.075mm以下的粉粒后，试样的级配曲线如图2所示。采用厦门ISO标准砂，通过筛分配制成与钙质砂相同颗粒级配的硅质砂。图3给出了两种砂的电镜扫描图，可以看出钙质砂颗粒棱角度高、形状不规则，含有大量内孔隙，而硅质砂外形更浑圆，无内孔隙。表1列出了两种砂的物性指标。尽管两种砂的颗粒级配相同，它们的最大和最小孔隙比不同，因此采用相对密度Dr量化两种砂的密实程度。相对密度Dr的计算公式为：

表1 物性指标Table 1 Physical properties

图2 级配曲线Fig.2 Gradation curves

图3 两种砂颗粒的电镜扫描照片Fig.3 SEM photos of the two types of sand particlesa.钙质砂；b.硅质砂

(1)

式中：emax、emin和e分别表示最大孔隙比、最小孔隙比和当前孔隙比。

2 液化特性对比分析

通过不排水循环三轴试验研究钙质砂与硅质砂的液化特性。试验仪器为北京市新技术应用研究所生产的DDS-70型动三轴试验系统。该系统的轴向力控制精度为1.0 N，围压、反压控制精度为1.0kPa，位移精度为0.01mm，试样尺寸为直径38.1mm，高80.0mm。采用空气中砂雨法和分层击实相结合的方式控制得到不同相对密度(Dr)的试样。钙质砂颗粒含有内孔隙，较硅质砂更难饱和，试样经过通CO2饱和、水头饱和、反压饱和后，饱和度系数B值(孔压增量与围压增量的比值)可以达到或超过0.95。根据一般场地液化的深度范围，选定三轴试验的有效围压σ3为100kPa。动荷载为等幅正弦荷载，频率为0.1Hz。

2.1 试验材料应力-应变行为

图4分别给出了相同相对密度(Dr=60%)的钙质砂和硅质砂在相同条件(围压σ3=100kPa，动应力幅值qc=60kPa)的不排水循环三轴剪切下轴向动应力q、轴向动应变ε1和孔隙水压力u的典型发展过程的对比。图5给出试验得到的典型剪应力-剪应变曲线的对比。在不排水循环剪切下，两种砂试样的动应变幅值均随着循环剪切次数的增加而逐渐增大，孔隙水压力在一个剪切循环中由于剪胀剪缩的交替变化而呈现出起伏波动，孔隙水压力的峰值随着循环次数的增加而逐渐增大直至等于初始有效围压。当孔隙水压力等于初始围压时，试样中的有效应力为0。Seed et al.(1966)把试样中有效应力第1次为0的时刻称为初始液化，从而把整个动应力-应变过程分为液化前和液化后两个阶段。在液化后的循环剪切过程中，有效应力两次为0。

图4 不排水循环三轴试验下钙质砂与硅质砂典型应力、应变、孔压时程曲线Fig.4 Typical time series of carbonate and silica sands under undrained cyclic triaxial tests

图5 不排水循环三轴试验下应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves under undrained cyclic triaxial tests

从图4和图5可以看出，钙质砂和硅质砂的孔隙水压力和动应变发展快慢明显不同。钙质砂的动应变发展过程要明显慢于硅质砂，钙质砂达到5%的动应变幅值时需要的循环剪切周次超过30次，而硅质砂不到10次。钙质砂试样中孔隙水压力的累积也要慢于硅质砂，钙质砂在26周时达到初始液化，硅质砂则在4.5周时达到初始液化。对比液化后孔隙水压力的变化过程可以看出，在动应变幅值接近5%时的一个循环中钙质砂孔隙水压力的起伏波动值明显要大于硅质砂，说明钙质砂的剪胀性要大于硅质砂。

2.2 抗液化能力对比

在循环三轴试验中一般采用循环应力比(CSR=qc/2σ3)表征作用于试样的剪切作用大小。在规定的循环周次下试样达到初始液化所需要的循环应力比称为循环抗力比CRR。通常用CRR与循环周次的关系曲线来表征土抵抗液化的能力，称为动强度曲线。图6和图7分别给出了几种常见相对密度下两种砂的动强度曲线。可见随着相对密度增加，同一循环应力水平下达到初始液化所需要的循环周次增大或者同一循环周次下达到初始液化所需要的循环应力比增大。

图6 不同相对密度下钙质砂的动强度曲线Fig.6 Liquefaction resistance curves of carbonate sand at different relative densities

图7 不同相对密度下硅质砂的动强度曲线Fig.7 Liquefaction resistance curves of silica sand at different relative densities

图8给出了两种相对密度下钙质砂和硅质砂动强度曲线的对比。在两种相对密度下，钙质砂的动强度曲线都在硅质砂的上方，表明在相同的循环应力比下钙质砂达到初始液化所需要的循环周次大于硅质砂，或者在相同的循环周次下钙质砂达到初始液化所需要的循环应力比大于硅质砂。如果以相对密度作为比较基准，钙质砂的抗液化能力要显著高于硅质砂。

图8 相同相对密度的钙质砂和硅质砂的动强度曲线对比Fig.8 Comparison of liquefaction resistance between carbonate and silica sands

3 贯入阻力对比分析

对于现场地基，为了易于测试，通常采用现场测试的指标(例如标准贯入试验锤击数、静力触探试验贯入阻力或者剪切波速)来进行地基的液化判别，因此需要对比钙质砂和硅质砂场地现场测试指标的差异。

标准贯入试验是最早用来进行液化判别的方法，根据陆源硅质砂场地的地震震害数据，已经建立了由标准贯入试验锤击数SPT-N确定CRR的关系曲线(图9)，我国大多数规范也推荐采用标准贯入试验锤击数SPT-N来进行液化判别(葛一荀等，2019)。考虑室内试验的可操作性，本文采用轻型动力触探试验来对比两种砂土地基的贯入阻力差异。

图9 基于标准贯入试验的液化判别图表Fig.9 Liquefaction evaluation chart based on SPT-N

轻型动力触探试验装置如图10所示，由容纳砂土场地的试验圆筒和轻型动力触探设备组成。圆筒为实验室自制有机玻璃桶，内径为50cm、高度90cm，根据AbuFarsakh et al.(2004)的研究，该尺寸可以消除圆筒的边壁约束对试验结果的影响。试验土体高度为60cm，分6层分层填筑击实至指定的相对密度以保证地基的均匀性。轻型动力触探试验的探头为圆锥型(直径4cm，锥尖60°)，贯入精度为0.1cm，穿心锤的质量为10kg。以穿心锤自由下落50cm高度的落锤能量将探头打入土中30cm(入土深度15cm处开始)所需要的锤击数N10作为轻型动力触探试验的贯入指标。

图10 轻型动力触探试验装置示意图Fig.10 Apparatus for light dynamic penetrometer test

本文对于两种砂进行了5种相对密度下的轻型动力触探试验，为了提高试验的可信度，对于有些相对密度还进行了2～3组平行试验，试验结果如图11所示。两种砂的贯入指标N10随着相对密度Dr的增大而变大，且变化规律相似，表明地基的贯入阻力与相对密度呈正相关关系。在相同的相对密度下，钙质砂的贯入指标N10值均大于硅质砂对应值，即钙质砂具有更大的贯入阻力，这与Lin et al.(2019)和薛润坤等(2020)得出的试验结论一致。

图11 钙质砂与硅质砂的N10-Dr关系对比Fig.11 Comparison the N10-Dr relationships of carbonate and silica sands

4 钙质砂地基液化判别讨论

现有的地基液化判别方法都是通过对比场地地震动力作用强度与地基极限抗液化强度的相对大小进行判别，当前者大于后者时判定为发生液化。地震动力作用的强度一般用循环应力比CSR表示，其值大小与地震引起的剪应力、上覆土压力有关，由经验公式计算得到(Seed et al.，1983;Youd et al.，2001)。现场地基的极限抗液化强度用循环抗力比CRR衡量，其值大小可由现场贯入指标计算得到(图9)。

基于历史地震液化场地调查所建立的地基动强度曲线数据主要来源于陆地的硅质砂地基。由前面的不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验可知，虽然相同相对密度的钙质砂地基较硅质砂地基具有更高的循环抗力比(CRR)，但是其贯入指标N10也较硅质砂地基更高，因此需要综合考虑两个因素才能评估用现有方法评价钙质砂地基液化可能性的合理性。

在地基液化判别时，常用地震震级MW=7.5时不含黏粒的砂土地基的循环抗力比与地基贯入指标的关系作为基准，然后再考虑地震震级、上覆压力和黏粒含量等因素的影响进行修正确定地基的循环抗力比(CRR)。根据Seed et al.(1983)总结的不同地震的震级与等效循环应力周次的关系，MW=7.5级的地震动对应的等效循环应力周次为15。根据图6和图7的结果，可以得到循环周次为15时两种砂土的循环抗力比与相对密度的关系如图12所示。

图12 循环周次Ncyc=15时CRR与Dr关系图Fig.12 Relationships between CRR and Dr at Ncyc=15

用图11中N10与相对密度Dr的关系替换图12中的相对密度，可以得到由轻型动力触探贯入锤击数N10确定循环抗力比CRR的曲线如图13所示。可以看出，在相同贯入锤击数下，钙质砂的循环抗力比CRR更高，因此可以初步得出结论：直接用现有的陆源硅质砂地基的液化判别图表(图9)进行钙质砂地基的液化判别偏于保守。在今后的研究中，随着试验数据的进一步丰富，可以在陆源硅质砂地基的液化判别曲线上，引用一个简单的修正系数确定钙质砂地基的循环抗力比，进行钙质砂地基液化的更合理判别。

图13 液化触发曲线对比Fig.13 Comparison of liquefaction triggering curves

5 结 论

本文以相同级配的钙质砂和硅质砂作为对比试验对象，分别进行了不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验，讨论了钙质砂和硅质砂在应力-应变行为、抗液化能力和贯入阻力等方面的差异，得到以下结论：

不排水循环三轴试验表明，在常规的固结压力(100kPa)下，相同相对密度下钙质砂试样比硅质砂试样具有更强的抗液化能力。轻型动力触探试验表明，相同相对密度下钙质砂地基比硅质砂地基具有更大的贯入阻力。综合两种实验的结果，具有相同轻型动力触探贯入锤击数的钙质砂地基的循环抗力比硅质砂地基更高，因此可以初步判定，采用现有基于现场贯入试验的液化判别方法进行钙质砂场地的液化判别偏于保守。

陆源硅质砂地基的液化判别方法是基于较丰富的历史震害数据建立的，已经具有相当的可靠性。而钙质砂场地的地震液化数据很少，通过室内实验对基于陆源硅质砂地基的已有液化判别方法进行修正建立钙质砂地基的液化判别方法是一种合理的捷径。本研究只针对一种级配的砂土进行了较少的室内试验，只能给出初步的定性判别的结论，在今后的研究中，应进一步丰富试验数据，开展不同颗粒级配钙质砂和硅质砂不同类型的循环剪切试验和现场贯入试验(以及物探试验)，以建立合理可靠的钙质砂地基液化判别方法。