鲁西黄泛区淤积粉土动力特性研究

韩 超，崔学仕，王旭锋，谭 浩，张永飞

(1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；3.济南大学土木建筑学院，山东 济南 250002)

0 引言

近年来，全球范围内地震灾害频发，造成严重的经济和生命财产的损失。地基液化失稳引发建筑物倒塌、沉陷、倾覆等是典型的地震次生灾害[1]。从而，研究易液化土的抗液化特性对防范地震灾害具有重要的理论和应用意义。国际上，Seed等[2]最早开展土体液化研究，对振动荷载下饱和砂性土液化机理进行了总结，并提出了实用的判断砂性土液化的经验方法。Salour等[3]试验探索了粉土累积应变随振次的发展规律，并尝试用数学模型进行解释。Polito等[4]对重塑粉土样进行了动三轴试验，发现不同粒径颗粒含量影响粉土抗液化强度的。国内学者陈国兴等[5]发现在等压固结条件下可以用双曲线模型描述动荷载作用下的孔压发展模式。黄锋和楼志刚[6]研究了南海海洋粉质土不同排水条件下的动三轴特性，发现排水过程正常固结状态土样的孔隙水压力发展速率会有所降低、不排水强度会有所提高。此外，曹成林等[7]、罗强[8]、丁志宇等[9]通过动三轴研究了细粒含量对粉土动强度的影响。总体上研究发现，土的动力特性及抗液化特性即动力作用下土的力学性能，会受到土体周围压力、孔隙比、颗粒组成、含水率、应变幅值等多方面因素的影响。

针对黄泛区土体动力学特征，董正方等[10]以围压、干密度和细粒含量作为影响因素对开封地区粉砂土的动强度和抗液化强度进行研究，李晓静等[11]、赵心涛[12]针对鲁北粉土进行动三轴试验，得出实度和黏粒含量对动强度的影响规律。尽管有学者针对粉土、砂土和粉砂等在土体液化方面取得了一些有益结果，但对鲁西黄泛区淤积粉土在偏压影响下动力特性还不够充分。本文针对鲁西黄泛区粉土开展动三轴试验，研究围压和偏压对其抗液化特征影响，以期为相关工程设计和施工提供参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

本研究土样取自山东省菏泽市郓城县城南偏东约9 km处，联合筛分法和激光粒度分析法开展颗粒分析试验(见图1)，分析可知，土样不均匀系数Cu为4.79，曲率系数Cc为1.67，土体级配不良。

1.2 试样制备

根据GB/T 50123—1999土工试验方法标准，试验采用击实法制作50 mm×100 mm的重塑土样。将取回土样依次进行碾碎、过筛、烘干、配水、密封保湿等步骤后备用，配水时采用分层湿法配置水的质量分数为20%的湿土，使用喷雾设备喷洒预估加水量，土样和水充分拌匀后，保鲜膜密封养护12 h以上。测试湿润土样不同位置的含水率，测得水的质量分数与制备标准之差值在±1%范围内满足要求。试样分三层击实，按目标干密度计算每层所需湿土质量，每层击实5次～20次不等，以击至所需高度为准(见图2)。击实后用钢尺进行刨毛，避免出现分层断裂现象，称重并四周贴6条长约12 cm的滤纸，以保证土样表面的水利贯通，更容易渗流，同时保护土样(见图3)。

试验土样采用真空饱和法和反压饱和法进行饱和。安装完成后对土样进行等压固结、偏压固结和动幅值加载，如图4所示。动荷载施加频率为单向1 Hz，试验方案见表1。

表1 粉土动三轴试验方案

合理指定破坏标准是讨论土体动强度问题的基础。本试验针对土体动强度的破坏标准为试样受循环动荷载时，将峰值循环孔压与围压的比值初次达到100%，即孔压比为1时的状态称为初次液化。若双幅轴向应变达5%时孔压未达到初始固结围压则以应变标准作为补充破坏标准。若均未达到以上两个破坏标准，则以轴向应变值初次达到5%作为破坏标准。

2 试验结果与分析

2.1 应力路径发展规律

根据动三轴试验结果，绘制不同工况条件下的饱和黄泛区淤积粉土应力路径及应力应变曲线。限于篇幅，本文仅列出围压50 kPa-偏压40 kPa条件不同加载幅值的试验土样偏应力-有效平均主应力(q-p)和偏应力-轴向应变(q-εa)关系(见图5～见图7)。可以看出，因阻尼的存在，土体在动力循环作用下的应力应变曲线表现为滞回圈状，在振幅较小时，整个循环加载阶段试样的应力应变曲线绘制成的滞回圈几乎重叠，骨干曲线的斜率在同一工况下保持一致，土单元随循环荷载主要发生弹性变形；随着加载次数的增加，滞回圈的形状、面积大小几乎不发生改变，试样内部应力分布没有发生失衡，内部结构处于相对稳定的状态，宏观上没有出现较为明显的塑性变形，仍然具有较大的动应力强度。在振幅较大时，滞回圈形状随着循环圈数的增加失去其稳定性，滞回圈面积逐渐增大，骨干曲线倾角不断减小，表明试样内部能量耗散在增加，土体发生破坏。

2.2 围压及偏压对动强度影响

围压是模拟土体埋深的重要影响因素，本试验在干密度和偏压固结压力不变，分析围压对黄泛区粉土动强度的影响，取围压50 kPa,100 kPa和200 kPa。保持干密度和围压不变，分析偏压对黄泛区粉土动强度的影响，取偏压0 kPa,40 kPa和80 kPa。图8分别是试样在不同围压和偏压下动强度曲线。可以看出，围压与偏压对土体动强度的影响较大且规律性明显，在其他条件一定时，动强度曲线随围压和偏压的增加逐渐升高，但动强度的变化并不随围压或偏压的增减呈等距的变化。

2.3 围压及偏压对动剪切模量影响

土体在动荷载作用下的动弹性模量是评价土体刚度水平、分析动力特性重要依据，定义和计算方法为：

(1)

其中，σd为动应力；εd为动应变；σmax,σmin和εmax,εmin分别为一个循环加载周期内动应力和动应变的最大值和最小值。

动三轴试验中，动剪切模量Gd,动弹性模量Ed、动剪切应变rd、轴向应变εd之间关系如下式：

γd=εd(1+μ)

(2)

(3)

(4)

其中，μ为泊松比，对于饱和不排水动三轴试验取0.5。

最大剪切模量Gmax计算方法参考谢定义《土动力学》，采用试验法确定，根据试验结果得到εd～σd关系曲线，转化为εd/σd～εd曲线，将此曲线拟合直线后取纵截距的倒数得到弹性模量E0，最大剪切模量Gmax计算式为：

(5)

图9为围压、偏压变化时动剪切模量比与动剪应变关系。可以看出，在相同动剪应变下，黄泛区粉土的动剪切模量比随着围压及偏压的增大而增大，可能原因为围压和偏压越高，土体内部结构越密实，试样抗剪强度就越高。

2.4 围压及偏压对阻尼比影响

阻尼比是土动力特性表征的一个重要参数，代表土体动应力-动应变关系中动应变对动应力的滞后性，反映土体内部因动荷载作用发生摩擦而消耗能量的特点。在循环荷载下，土体消耗能量的大小一般用阻尼比λ表示。

(6)

其中，W为加载过程中的总能量；ΔW为一次加载所消耗的能量。

图10为不同围压与偏压下阻尼比随动剪应变的变化关系。可以看出，偏压恒定时，阻尼比随着围压从50 kPa升至100 kPa时变化较小；围压恒定时，阻尼比随偏压的增大而降低，可能原因是偏压力越大土体颗粒内部接触越紧密，循环一周所需能量就越少，即阻尼比就越低。

3 结论

通过室内动三轴试验，进行了黄泛区粉土不同围压、偏压和动荷载幅值条件下的动力特性试验。根据试验结果和分析，得出以下结论：1)围压与偏压对土体动强度的影响较大且规律性明显，动强度曲线随围压和偏压的增加逐渐升高；2)在相同动剪应变下，黄泛区粉土的动剪切模量比随着围压及偏压的增大而增大；3)阻尼比受围压影响较小，受偏压影响大，并随着偏压的增大而逐渐降低。