吹填场地路基抗液化性能振动台试验研究

严远方,黄诗洪,覃子秀

(广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

饱和粉、细砂在地震、施工机械或车辆荷载等动力作用下引发的液化现象是交通建设领域较为关注的病害问题之一[1-3]。现有研究成果表明,细粒含量、地下水位和动荷载的频谱特性是引起饱和砂土发生液化的主要原因[4-6],同时砂土层的土层埋深、覆盖层特性及建(构)筑物也是影响液化程度的重要因素[7-9]。由于吹填场地建设过程中的工程荷载和通车运营后的荷载发生持续性变化,导致此类场地路基抗液化性能也随之改变,而孔隙水压力作为衡量土体应力状态的一项重要指标,对于研究路基的抗液化性能至关重要。目前关于粉细砂及细颗粒土的孔隙水压力研究方向主要分为两类:

(1)侧重于根据孔隙水压力建立相关预测模型,如张建磊等[10]根据动三轴试验和地震波强度建立的能量孔隙水压力模型,并结合渗透性和剪应力折减函数的影响提出的液化场地风险评估方法;蔡国军等[11]根据不完全孔隙水压力建立的孔压消散改进模型,可较准确地预测土体孔隙水压力;曹华峰等[12]根据松弛时间和荷载频率对孔隙水压力发展的影响,提出了孔隙水压力极值状态时的松弛时间和荷载频率关系曲线。

(2)侧重于孔隙水压力发展规律的影响研究,如丁瑜等[13]认为引起路基土体细颗粒迁移的主导因素是动荷载作用下土体内部产生的超孔隙水压梯度;牛琪瑛等[14]在碎石桩加固地基过程中发现,超孔隙水压力变化与埋深的相关性不大,但孔压比峰值随埋深增加明显减小。

由上述研究现状可知,关于液化土层孔隙水压力发展规律的研究多数集中在埋深、细观结构、动荷载特性和初始应力条件等方面,而以振动台试验研究固结压力对路基液化趋势或超孔隙水压力的发展规律鲜有报道。工程建设具有长期性、连续性和复杂性的特点,尤其是在内、外荷载作用下,路基压实度将发生连续性变化,压实度的变化会引起此类路基中孔隙水的压力发生变化进而影响路基的抗液化性能。因此,本文基于目前现状,以北部湾地区海积软土和细沙构建的简化吹填场地路基模型为研究对象,运用自行设计的可连续加载的叠层状剪切箱装置,开展竖向固结压力改变后的吹填场地路基砂土层超孔隙水压力发展规律的振动台试验研究,为类似的特殊路基进行抗液化分析时提供参考。

1 模型制作

1.1 试验设备

试验模型路基的长度、密度和加速度的相似比分别为10.0、1.0和1.0,振动方向为水平单向,尺寸为2.08 m(长)×1.0 m(宽)×1.7 m(高)。竖向压力加载装置主要由加压钢板、智能液压千斤顶、反力架和压力传感器组成。

1.2 模型土的物理性质指标

选用的海积软土、砂土和海水均是来自北部湾滨海地区,海积软土层和吹填砂层厚度分别设置为1.0 m和0.5 m。由于砂土含有较多贝壳类杂质,试验前用2 mm筛对其进行过筛处理。海积软土和筛分后的砂土的物理性质指标如表1和表2、下页图1所示。

图1 模型土粒径累计曲线图

表1 海积软土基本物理指标表

表2 细砂物理指标表

1.3 传感器布置

试验共布设5个孔隙水压力传感器,平面布置在模型路基的中心,竖向距地表埋深分别为0.05 m、0.15 m、0.25 m、0.35 m、0.45 m。

2 试验参数

2.1 输入波

试验以2008年汶川地震茂县地办台站、新津梨花台站和湖北恩施台站的基岩加速度记录为输入波,按照时间相似原则将其持时压缩,并滤除10 Hz以上高频成分,如图2、表3所示。

(a)茂县波加速度时程

2.2 加载工况

参考北部湾地区抗震设防烈度标准,模型路基的基本加速度(中震)设定为0.10 g,小震加速度为0.05 g,大震加速度为0.20 g。地下水位面固定在距离地表0.3 m处。固结压力设置4组,分别为0.0 kPa、10.0 kPa、20.0 kPa、30.0 kPa,其中0.0 kPa和10.0 kPa固结压力各6组试验,20.0 kPa、30.0 kPa各9组试验,总共30组地震波激振试验。振动试验均在模型路基固结稳定后进行。

2.3 停止工况

每级固结压力的试验停止标准为路基地表出现开裂或冒水现象,停止时输入波类型和幅值如表4所示。

表4 振动停止时工况表

3 试验结果

限于篇幅,本文仅探讨试验停止工况下的模型路基砂土层超孔隙水压力的时程特征。在固结压力0.0 kPa时,输入幅值0.10 g的恩施波后,模型路基地表开裂,未有冒水现象;固结压力增加至10.0 kPa时,输入幅值0.10 g的恩施波后,模型路基地表未开裂,局部区域有冒水且表层细砂呈流体状,砂土层出现了液化趋势;固结压力增加至20.0 kPa时,输入幅值0.20 g的恩施波后,模型路基地表未开裂,大部分区域有冒水且表层细砂也呈现流体状,砂土层液化趋势加剧;固结压力增加至30.0 kPa时,输入幅值0.20 g的恩施波后,模型路基地表未开裂,中心区域有冒水,少部分表层细砂呈现流体状,砂土层液化趋势减弱。

对比4组固结压力试验后的模型地表反应可以发现:随着固结压力增加,模型路基的破坏形式由地层开裂逐渐演化为砂土液化,液化程度呈现先增强后减弱趋势,并且增加固结压力后,模型路基发生震害时所需要的输入地震动强度也随之增强。

各级荷载作用下的砂土层超孔隙水压力时程曲线如图3～6所示。

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

由图3～6可知:

(1)超孔隙水压力在4组固结压力作用后的增长规律呈现出两类特征:①在固结压力0.0 kPa、10.0 kPa、30 kPa作用后呈现的“单峰”特征,即输入波峰值作用后,超孔隙水压力急剧上升,达到峰值后的维持时间较短,并随输入波的幅值减弱逐渐减小至振动停止;②在固结压力20.0 kPa作用后呈现的“平台”特征,即输入波峰值作用后,超孔隙水压力呈现急剧上升趋势,并且在振动过程中维持最大超孔隙水压力相对稳定,在振动停止一段时间后才逐渐消减。结合前述试验停止时模型场地地表状况可知,“平台型”的超孔隙水压力增长模式引起的砂土层液化现象较“单峰型”更为显著。

(2)固结压力对模型路基超孔隙水压力的增长趋势有抑制作用。以埋深0.45 m的砂土层超孔隙水压力为例,在输入波为0.01 g幅值时,0.0 kPa固结压力(即原始状态)后,模型路基的最大超孔隙水压力为2.85 kPa,出现时间为16.44 s;10.0 kPa固结压力作用后,模型路基的最大超孔隙水压力为0.56 kPa,出现时间为14.48 s,超孔隙水压力减小至原场地的0.195倍。在输入波为0.02 g幅值时,20.0 kPa固结压力作用后,模型路基的最大超孔隙水压力为6.57 kPa,出现时间为21.05 s;30.0 kPa固结压力作用后,模型路基的最大超孔隙水压力为4.20 kPa,出现时间为16.13 s,超孔隙水压力减小至20.0 kPa固结压力作用后场地的0.639倍。

(3)振动停止后,“平台型”超孔隙水压力的数值和维持稳定的时长均与埋深相关。埋深0.45 m时,超孔隙水压力稳定时长为0.65 s,稳定超静孔隙水压为5.82 kPa;埋深0.35 m时,超孔隙水压力稳定时长为1.27 s,稳定超静孔隙水压为5.49 kPa;埋深0.25 m时,超孔隙水压力稳定时长为3.96 s,稳定超静孔隙水压为4.40 kPa;埋深0.15 m时,超孔隙水压力稳定时长为6.48 s,稳定超静孔隙水压为3.07 kPa;埋深0.05 m时,超孔隙水压力稳定时长为7.61 s,稳定超静孔隙水压为2.23 kPa。

4 结语

本文利用自行设计的可施加固结压力的试验装置,开展了吹填场地的软土细砂路基模型在不同固结压力作用后,砂土层超孔隙水压力在地震荷载作用时的响应规律研究,主要得出以下结论:

(1)增加固结压力可以有效地提高模型路基的抗液化性能。小震时,10.0 kPa固结压力作用后,模型路基的最大超孔隙水压力相对于原始状态可减少至0.195倍;中震时,30.0 kPa固结压力作用后,模型路基的最大超孔隙水压力相对于20.0 kPa固结压力可减少至0.639倍。因此,在工程建设过程中,应考虑固结压力变化对此类特殊路基抗液化性能的影响。

(2)随着固结压力的增大,吹填场地路基的超孔隙水压力有“单峰型”和“平台型”两类增长模式。“平台型”增长模式对砂土场地路基液化趋势的影响较“单峰型”显著,在工程建设中应重点考虑“平台型”超孔隙水压力引发的砂土液化问题。

(3)振动停止后,模型路基中的“平台型”超孔隙水压力的大小与埋深呈正相关,持续时长与埋深呈负相关。埋深越大,超孔隙水压力越大,持续时间越短;埋深越浅,超孔隙水压力越小,但持续时间越长。