潘劍鋒,劉喜康,王 力,程崇晟

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都,610065)

近年來,許多學(xué)者開始對(duì)粗細(xì)粒混合土的液化現(xiàn)象進(jìn)行大量研究,有文獻(xiàn)資料表明含粘粒的砂土抗液化的能力受粘粒含量影響較大。本文主要綜述粗細(xì)?；旌贤恋膭?dòng)力特性,結(jié)合已有的文獻(xiàn)資料及作者對(duì)粗細(xì)粒混合土的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn),對(duì)粗細(xì)?；旌贤恋囊夯M(jìn)行比較系統(tǒng)的分析。

1 研究歷史及現(xiàn)狀

在動(dòng)力荷載作用下對(duì)砂土的液化研究由來已久,早期的研究主要集中在爆炸沖擊荷載、地震作用、機(jī)器基礎(chǔ)等諸方面。如 30年代前日本、德國、蘇聯(lián)開展的機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)設(shè)計(jì)方面的系統(tǒng)研究。Casagrande研究了加荷時(shí)間對(duì)土動(dòng)力強(qiáng)度的影響,Taylor和 Whitman則研究了應(yīng)變速率對(duì)土強(qiáng)度的影響。關(guān)于砂土,Casagrande曾試圖用臨界孔隙比的概念解釋砂土的液化現(xiàn)象,后來 Seed和Lee以孔壓值作為砂土是否發(fā)生液化的依據(jù),并提出其后被廣泛引用的“初始液化”的概念。我國對(duì)振動(dòng)液化問題的開創(chuàng)性研究始于我國學(xué)者黃文熙、汪文韶等[1]。早在 1959年,黃文熙就倡議用動(dòng)三軸儀來進(jìn)行液化研究,并很快得到國內(nèi)外重視和采納。其后,汪文韶、沈珠江等對(duì)國內(nèi)外液化的研究做了較詳細(xì)的總結(jié)。從 60年代開始,國內(nèi)外開始了對(duì)砂土液化的大量室內(nèi)試驗(yàn)。在此期間,形成了一些應(yīng)用廣泛的理論。如 Seed簡化判別法,Biot在 1965年給出了固液兩相介質(zhì)中波傳播的完整控制方程[1]等。

70年代,隨著近海重力式石油平臺(tái)的大量興建,研究者們的注意力集中在波浪等周期荷載作用下砂土液化的可能性和液化強(qiáng)度等問題,后來又注意到了孔隙水壓力消散的影響。Baligh曾給出一個(gè)較為完美的循環(huán)荷載作用下的固結(jié)理論。低路堤在交通荷載作用下的變形特性也早已引起了人們的重視。較早的如 Seed及其同事們的工作 ,后來 Kawakami和 Ogawa,Yamanouchi和 Aoto以及 Luo等也繼續(xù)了這項(xiàng)工作。進(jìn)入 80年代,這項(xiàng)工作進(jìn)一步深入,Yahuhara等提出了一個(gè)排水循環(huán)荷載作用下土體變形的近似預(yù)測方法,Fujiwara的研究則集中在排水條件下考慮固結(jié)影響的變形計(jì)算。

近年來室內(nèi)實(shí)驗(yàn)很多是利用對(duì)飽和粗細(xì)?；旌贤恋膭?dòng)三軸、共振柱試驗(yàn)對(duì)土的液化進(jìn)行研究,通過分析動(dòng)三軸試驗(yàn)過程中孔壓及振次與細(xì)粒含量的關(guān)系,判定混合土的抗液化能力。并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,用數(shù)值模擬方法進(jìn)行砂土液化邊界問題和液化問題的研究將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 動(dòng)力特性室內(nèi)測試技術(shù)

土動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)室測試技術(shù)經(jīng) 50多年的發(fā)展,由黃文熙院士最初提出的動(dòng)三軸儀測試發(fā)展到多種振動(dòng)測試技術(shù)。筆者將常規(guī)的振動(dòng)測試技術(shù)歸納如下:

(1)循環(huán)三軸試驗(yàn)。利用與靜三軸試驗(yàn)相似的軸對(duì)稱應(yīng)力條件,通過對(duì)試樣施加模擬的動(dòng)主應(yīng)力,測得試樣在動(dòng)荷載的作用下所表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。根據(jù)這方面的關(guān)系,推算巖土材料的各項(xiàng)彈性參數(shù)及粘彈性參數(shù),分析試樣在模擬各種實(shí)際振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力作用下所表現(xiàn)的性狀。

(2)振動(dòng)剪切試驗(yàn)。地震作用引起地基土的動(dòng)力變形,主要是由于從下臥層向上傳播的剪切波引起的。為了模擬這種動(dòng)力條件,70年代以來相繼出現(xiàn)了振動(dòng)單剪儀和振動(dòng)扭剪儀。

(3)共振柱試驗(yàn)。根據(jù)共振原理對(duì)圓柱形試樣施加激振,改變激振頻率使試樣產(chǎn)生共振,并借此推求試樣的彈性模量及阻尼比等參數(shù)。共振柱試驗(yàn)是無損試驗(yàn)技術(shù)。

(4)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是 70年代發(fā)展起來的,主要是用于研究土層液化性狀的大型室內(nèi)動(dòng)力試驗(yàn),它可以模擬現(xiàn)場條件的大型均勻試樣。

3 砂粒與粘?；旌贤恋囊夯匦?/h2>

黃文熙院士(1961)在國內(nèi)首先提出了用動(dòng)態(tài)三軸儀研究砂土液化問題,該方法經(jīng)國內(nèi)外近40年的發(fā)展后,已被公認(rèn)為研究土體地震反應(yīng)和砂土液化的有效手段[2]。筆者在撰寫綜述期間也完成含粘性土的砂土動(dòng)三軸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果有相同的地方。試驗(yàn)結(jié)果為粘粒含量為 9%左右時(shí),混合土的抗液化能力是最低的[3]。

許多文獻(xiàn)給出了這種結(jié)果的解釋:當(dāng)試樣為純砂粒時(shí),由于砂粒的粘聚力 c為零,所以其受振動(dòng)荷載時(shí)砂粒比較容易改變?cè)瓉淼奈恢?找到新的位置以保持穩(wěn)定,這就必然使砂土趨于密實(shí)。砂土這種從分離到密實(shí)的過程就是顆粒擠壓孔隙水的過程[4]?？紫端畨毫ι仙龑?dǎo)致顆粒之間的有效應(yīng)力減少,砂土即產(chǎn)生液化。當(dāng)粘粒含量較少時(shí),粘粒未能充滿砂粒的空隙,起到了潤滑作用,當(dāng)動(dòng)荷載作用時(shí),砂顆粒沿粘粒發(fā)生滑移,使得在粘粒含量較低的情況下,隨粘粒含量的增加砂土的抗液化能力減弱,動(dòng)剪應(yīng)力比降低。當(dāng)粘粒含量增加,充填滿砂顆粒間的空隙甚至形成了粘土層時(shí),粘土的“粘滯”作用表現(xiàn)突出,形成了砂土顆粒鑲嵌在粘粒層中。此時(shí)在動(dòng)荷載作用下,由于粘土的膠結(jié)作用,砂顆粒改變?cè)瓉矸€(wěn)定位置變得比較困難,使得此種粘粒含量的砂土抗液化能力和動(dòng)剪應(yīng)力比增加。所以,當(dāng)粘粒含量超過某一臨界值時(shí),隨粘粒含量的增加,砂土的抗液化能力和穩(wěn)定性增加,即砂土的抗液化性能與粘粒含量的關(guān)系為一開口向上的近似拋物線。

為研究粗細(xì)?；旌贤羷?dòng)力特性,筆者進(jìn)行了一系列的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)。粗顆粒用粒徑為 1mm～2mm的砂粒,細(xì)顆粒為不小于 0.075mm的粘粒,將此兩種粒徑的顆粒按不同的混合比進(jìn)行動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn),測定各組三軸實(shí)驗(yàn)的孔壓與粘粒含量的關(guān)系,動(dòng)剪應(yīng)力隨粘粒含量變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)文獻(xiàn)資料的正確性,同時(shí)也揭示了一些規(guī)律。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 1所示。

表1 試 驗(yàn) 參 數(shù)

實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論:(1)影響土動(dòng)力特性的因素是多方面的,包括級(jí)配、粘粒含量、初始應(yīng)力狀態(tài)、密實(shí)度、固結(jié)時(shí)間、動(dòng)荷載等;(2)對(duì)與其它條件(密度、圍壓、固結(jié))的飽和土樣,施加不同的軸向壓應(yīng)力,其應(yīng)變的發(fā)展速度不同,達(dá)到破壞的振次隨軸壓的增大而有所減少;(3)土樣的動(dòng)強(qiáng)度隨粘粒含量的變化不是單調(diào)增加的,而是在粘粒含量為 10%～20%左右時(shí),動(dòng)強(qiáng)度最低,抗液化能力最弱;當(dāng)粘粒含量大于 30%時(shí),混合土的抗液化能力比較好,動(dòng)強(qiáng)度比較高;(4)本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論與文獻(xiàn)資料的結(jié)論比較吻合,在具體數(shù)據(jù)上有差別,可能由于實(shí)驗(yàn)操作不同導(dǎo)致。

有文獻(xiàn)資料表明,當(dāng)粘粒含量小于 30%時(shí),隨粘粒含量的增加,飽和砂土的抗液化強(qiáng)度減小。也有文獻(xiàn)結(jié)果顯示,當(dāng)粘粒含量為 10%左右時(shí),砂土的抗液化能力最小。雖然各資料所得的結(jié)論有較大差距,但是可以確定,砂土動(dòng)剪應(yīng)力和抗液化性能最低點(diǎn)的粘粒含量在 10%～30%之間。筆者認(rèn)為,出現(xiàn)此種差異的因素有以下幾點(diǎn):各研究單位的實(shí)驗(yàn)儀器有所不同,所取的參數(shù)各有差異;粗顆粒的粒徑范圍及試樣級(jí)配不同;制樣時(shí)試樣的密實(shí)度不同,不同的操作人員裝樣的搗實(shí)程度有差異;固結(jié)時(shí)圍壓有的是低圍壓下固結(jié),有的實(shí)驗(yàn)是在高圍壓下固結(jié),所以所得結(jié)論存在差異。從筆者所做室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)所知,裝樣過程中的試樣控制干密度和擾動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大,并且固結(jié)時(shí)間也是影響破壞振次和孔壓值的重要因素。所以,對(duì)于不同地區(qū)的地基土,不能套用已有文獻(xiàn)資料下結(jié)論,需根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)來判定其穩(wěn)定性。具體的工程應(yīng)用問題,還應(yīng)做現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)綜合分析地基或土坡的安全系數(shù)。

4 液化研究發(fā)展趨勢

液化導(dǎo)致的地基失效問題,現(xiàn)在已經(jīng)是地震及其他動(dòng)載引發(fā)的主要破壞形式。砂土液化是造成地基失穩(wěn)的主要原因之一,不論砂土部分液化或完全液化,都可能使建筑物產(chǎn)生破壞。關(guān)于部分液化和完全液化的界限問題,還沒有得到統(tǒng)一的結(jié)論。并且由于部分液化也會(huì)導(dǎo)致地基的大變形、大位移,所以今后在部分液化問題上的研究應(yīng)該比較多。在宏觀試驗(yàn)上已做過大量的室內(nèi)試驗(yàn),所以今后液化問題的發(fā)展方向應(yīng)該會(huì)向更加微觀、細(xì)化方向發(fā)展。臨界問題,界限值的研究將成為液化研究主要解決的問題。

隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展,今后由數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究會(huì)將成為液化問題研究的發(fā)展趨勢。對(duì)各種數(shù)值格式的選擇、精度分析以及有限元法中對(duì)邊界條件的處理,如非反射邊界、透射邊界等問題的分析,還有待于更深入的研究。數(shù)值方法顯然有很大的優(yōu)越性,人們可以借助這個(gè)工具快速而經(jīng)濟(jì)地分析各種情況下飽和砂土的液化問題[1]。

5 小結(jié)

本文對(duì)人們?cè)诖旨?xì)粒混合土液化方面的的研究發(fā)展作了總結(jié),包括飽和砂土液化的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過 60多年的歷程,飽和土體方面的研究已經(jīng)得到了很大的發(fā)展。地震引起的建筑物傾倒、地基失效、列車軌道變形等災(zāi)害得到了科學(xué)的解釋。并且砂土液化的研究在防震減災(zāi)方面發(fā)揮了巨大作用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者不僅在飽和砂土的研究方面得到了重大發(fā)展,并且開始研究其他種類土如輕亞粘土、礫砂土、粉煤灰甚至黃土的液化特性。

地基液化到是否會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害,還取決于是否產(chǎn)生了大變形。如果部分液化,并且由于上覆土體厚度較厚,也有可能孔隙水慢慢滲出,孔壓的逐漸消散而不會(huì)導(dǎo)致建筑物破壞。所以,對(duì)實(shí)際工程問題中土體承載力的判定,還必須通過動(dòng)力反應(yīng)分析,必須要有土的動(dòng)力特性指標(biāo),包括動(dòng)模量、動(dòng)阻尼和動(dòng)強(qiáng)度等。這就是說,為解決工程問題所進(jìn)行的土的動(dòng)力特性研究,往往需要做系統(tǒng)的、各種應(yīng)力狀態(tài)下的動(dòng)力試驗(yàn),然后通過計(jì)算中迭代的辦法選擇符合計(jì)算點(diǎn)動(dòng)力過程的動(dòng)力特性指標(biāo)[5]。研究地基土在地震作用下的動(dòng)力特性,是進(jìn)行建筑物抗震設(shè)計(jì)和采取防震措施所不可缺少的內(nèi)容。在飽和砂土和粉土地基上建造建筑物,需研究這類地基土在地震作用下是否會(huì)液化,對(duì)建筑物是否能安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。對(duì)土體在不規(guī)則荷載下的動(dòng)力特性,還需要這方面的學(xué)者進(jìn)行更加深入的研究。筆者在此只對(duì)粗細(xì)?；旌贤恋陌l(fā)展概況、研究現(xiàn)狀、實(shí)驗(yàn)方法、現(xiàn)階段研究成果等進(jìn)行了總結(jié)綜述。

〔1〕魯曉兵等.飽和砂土液化研究新進(jìn)展.力學(xué)進(jìn)展,2004.

〔2〕柯 瀚,陳云敏.動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)確定砂土抗液化強(qiáng)度.土木工程學(xué)報(bào),2004.

〔3〕曹成林,孫永福等.不同粘粒含量粉質(zhì)土的動(dòng)力強(qiáng)度特性研究,海岸工程.2009.

〔4〕楊進(jìn)良.土力學(xué)(第四版).北京:中國水利水電出版社.

〔5〕王明洋.飽和砂土動(dòng)力特性及數(shù)值方法研究.南京:解放軍理工大學(xué)出版社.