豆慧，楊永香，郝小紅

（華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

粉土是介于黏性土和砂土之間的一類土，受到地震荷載的作用易發(fā)生液化，而地震荷載作用下土體的液化往往會(huì)導(dǎo)致地下管線破壞、地基失穩(wěn)、大量建筑物沉陷和倒塌等災(zāi)害現(xiàn)象，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極嚴(yán)重的損失。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在飽和粉土液化的機(jī)理、液化的影響因素和液化的評(píng)估方法等方面已取得了大量的研究成果[1-6]。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)飽和土體液化后的強(qiáng)度與變形特性方面也展開了一系列的試驗(yàn)研究，Soroush A和Yasuhara K等[7-9]基于對(duì)砂質(zhì)黏土、黏土和粉土的室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果得出，其在液化后單調(diào)靜荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，試驗(yàn)過程中隨著應(yīng)變的不斷增大，試樣的切線模量逐漸減小。曾長(zhǎng)女[10]利用全自動(dòng)多功能靜動(dòng)三軸儀開展了飽和粉土的液化試驗(yàn)及液化后變形試驗(yàn)，對(duì)細(xì)粒的含量和干密度等因素對(duì)粉土液化后變形特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。劉漢龍等[11]對(duì)不同干密度的飽和粉土樣展開了液化后變形特性試驗(yàn)，提出了飽和粉土液化后的變形模式并探討了模型參數(shù)的相關(guān)推導(dǎo)過程，分析了干密度、不規(guī)則循環(huán)振動(dòng)荷載和小幅預(yù)振等因素對(duì)粉土液化后變形特性的影響規(guī)律。

然而，以往的試驗(yàn)研究認(rèn)為在地震荷載作用下液化后土體內(nèi)的孔隙水壓力來(lái)不及消散，所以，大多是采取動(dòng)加載后立即施加單調(diào)荷載在不排水條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)的方法，但在實(shí)際地震場(chǎng)地中，土體往往是處于自然排水條件下，孔隙水壓力能夠有一定程度的消散的。本文采用GCTS動(dòng)三軸儀在不排水條件下對(duì)飽和粉土進(jìn)行動(dòng)三軸液化和液化后試驗(yàn)，即進(jìn)行飽和粉土液化試驗(yàn)及在飽和粉土液化后進(jìn)行不同程度的孔隙水壓力消散后，再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。研究飽和粉土的液化特性以及液化后孔壓消散程度對(duì)液化后粉土力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)土樣與方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用粉土取自鄭州東區(qū)某一施工現(xiàn)場(chǎng)，采用的重塑粉土樣是通過在粉土中摻入砂土和黏土的方法制備而得，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，顆粒級(jí)配分析結(jié)果如表1、表2以及表3所示。粉土不均勻系數(shù)Cu=4.47，曲率系數(shù)Cc=1.71，平均粒徑d50=0.07，級(jí)配不良。含水率w=15%，干密度ρd=1.5 g/cm3，試樣直徑為5cm，高度為10cm，采用濕搗法，分三層來(lái)制樣，根據(jù)干密度和含水率確定每層土樣的質(zhì)量，對(duì)其接觸面進(jìn)行刮毛，以此來(lái)保證上下層土樣間接觸面的良好。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

表1 粉土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表2 砂土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表3 黏土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

圖2 荷載架和三軸壓力室

圖3 裝好的試樣

圖4 試驗(yàn)加載過程

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的動(dòng)三軸儀，其荷載架和三軸壓力室如圖2所示，該儀器測(cè)試模塊包括飽和、固結(jié)、靜態(tài)加載、動(dòng)態(tài)加載和通用模塊。試樣飽和后在50kPa初始有效固結(jié)壓力下（模擬現(xiàn)場(chǎng)條件下一定埋深的土體在動(dòng)荷載作用開始時(shí)所處的靜應(yīng)力狀態(tài)）進(jìn)行等壓固結(jié)，固結(jié)結(jié)束后，在不排水條件下采用應(yīng)力控制方式施加循環(huán)振動(dòng)荷載，頻率為1Hz（模擬地震荷載的作用），波形為正弦波，待試樣達(dá)到液化狀態(tài)時(shí)（液化標(biāo)準(zhǔn)：孔壓等于初始有效圍壓即u=σ3）立即停止動(dòng)荷載的施加，使土樣進(jìn)行不同程度的排水，孔壓進(jìn)行不同程度消散 （即土體進(jìn)行了不同程度再固結(jié)）后再采用應(yīng)變控制方式施加單調(diào)軸向荷載，然后在不排水條件下進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，以一定的剪切速率來(lái)控制試樣的變形，當(dāng)其軸向應(yīng)變大于15%時(shí)，停止軸向荷載的施加，認(rèn)為試樣達(dá)到破壞狀態(tài)，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。裝好的試樣和試驗(yàn)加載過程分別如圖3和圖4所示，具體試驗(yàn)方案見表4。

表4 試驗(yàn)方案

2 飽和粉土液化試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

飽和粉土在動(dòng)應(yīng)力幅值為35kPa作用下的時(shí)程曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在循環(huán)振動(dòng)荷載施加的初期，試樣內(nèi)的孔隙水壓力較低，軸向應(yīng)變很小，隨著振動(dòng)次數(shù)的逐漸增加，試樣結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，其軸向應(yīng)變慢慢增大，孔隙水壓力不斷累積直至達(dá)到初始有效固結(jié)壓力，此時(shí)土的強(qiáng)度全部喪失，土體達(dá)到液化狀態(tài)。

圖5 35kPa動(dòng)荷載作用下動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變及孔隙水壓力時(shí)程曲線

2.1.1 不同動(dòng)荷載幅值作用下飽和粉土液化強(qiáng)度分析

圖6為飽和粉土的抗液化強(qiáng)度曲線。由圖6可知，循環(huán)振動(dòng)荷載大小對(duì)飽和粉土抗液化強(qiáng)度的影響較為明顯，隨著動(dòng)荷載的增大，其發(fā)生液化所需要的破壞振次逐漸減小，抗液化強(qiáng)度降低。

圖6 動(dòng)強(qiáng)度曲線

2.1.2 孔隙水壓力發(fā)展趨勢(shì)曲線分析

圖7為不同振動(dòng)荷載下孔隙水壓力的發(fā)展曲線。從圖7可以看出，隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加孔壓增長(zhǎng)速率逐漸增大。當(dāng)振動(dòng)周次為10時(shí)，15kPa、25kPa和35kPa動(dòng)荷載作用下的孔壓值分別增加至4.5kPa、8.5kPa和16.8kPa左右，在振動(dòng)過程中，試樣處于加載剪脹和卸載剪縮往復(fù)循環(huán)的狀態(tài)，孔壓隨著動(dòng)荷載的變化也表現(xiàn)出周期性循環(huán)變化，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，孔壓不斷上升，且施加的動(dòng)荷載幅值越大，試樣在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的孔壓幅值變化范圍越大。當(dāng)動(dòng)荷載振幅為15kPa時(shí)，在前幾個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)孔壓上升很緩慢，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)在4～35之間時(shí)，孔壓發(fā)展較快，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)在35～60之間時(shí)，孔壓增長(zhǎng)速率又開始變慢，振動(dòng)次數(shù)達(dá)到60之后，孔壓迅速增長(zhǎng)直至達(dá)到初始有效圍壓為止，試樣達(dá)到液化，動(dòng)加載試驗(yàn)結(jié)束，其孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律表現(xiàn)為“慢-快-慢-快”；在25kPa動(dòng)荷載幅值作用下，在動(dòng)加載的開始階段，動(dòng)荷載加載周數(shù)在0～3之間時(shí)，孔壓發(fā)展很緩慢，動(dòng)荷載加載周數(shù)在3～30之間時(shí)，振動(dòng)孔壓發(fā)展較快，之后孔壓發(fā)展速度開始變慢，振動(dòng)孔壓增長(zhǎng)速率表現(xiàn)為“慢-快-慢”；當(dāng)施加的動(dòng)應(yīng)力幅值為35kPa時(shí)，孔壓快速增長(zhǎng)達(dá)到圍壓，試樣達(dá)到液化標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)束?？梢?，孔壓發(fā)展速度受動(dòng)荷載大小影響很大，當(dāng)對(duì)試樣施加動(dòng)荷載時(shí)，孔隙水壓力會(huì)增加，進(jìn)而抗剪強(qiáng)度會(huì)減小，如果振動(dòng)幅度大，孔隙水壓力增長(zhǎng)速度過快并且在短暫的時(shí)間內(nèi)排不出去，則當(dāng)孔隙水壓力發(fā)展到初始固結(jié)壓力時(shí)，有效應(yīng)力為零，此時(shí)土體顆粒從原來(lái)所處的位置離開，但還沒有過渡到新的平衡位置上，與周圍的顆粒完全脫離了接觸，在水中懸浮著，呈現(xiàn)液體的流動(dòng)狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度喪失，剪切模量幾乎等于零，達(dá)到液化狀態(tài)。

圖7 孔隙水壓力發(fā)展趨勢(shì)曲線

2.1.3 軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分析

圖8為不同振動(dòng)荷載下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖8可以看出，飽和粉土的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有強(qiáng)烈的非線性性質(zhì)，在動(dòng)荷載剛施加的前幾周內(nèi)，滯回曲線均呈近似的橢圓形狀，比較陡峭，都是垂直于應(yīng)變軸，滯回圈面積不大，說(shuō)明此階段土體能量耗損不大，試樣產(chǎn)生的軸向應(yīng)變小，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力值為0時(shí)，試樣應(yīng)變可以回到0，表明試樣在此階段的變形為彈性變形。隨著振動(dòng)過程的逐漸進(jìn)行，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力值為0時(shí)，試樣應(yīng)變回不到0，表明試樣在此階段產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形，滯回圈位置和其形狀隨著動(dòng)應(yīng)變幅值的大小變動(dòng)而發(fā)生了變化，滯回圈逐漸傾斜，試樣的模量逐漸減小。當(dāng)動(dòng)荷載振幅為15kPa時(shí)，其滯回圈開始階段是向拉應(yīng)變方向發(fā)展，慢慢地拉壓應(yīng)變同時(shí)發(fā)展，但是拉應(yīng)變的發(fā)展快于壓應(yīng)變的發(fā)展，最后階段壓應(yīng)變迅速發(fā)展，但是總體上來(lái)說(shuō)，壓應(yīng)變的發(fā)展還是稍落后于拉應(yīng)變的發(fā)展，發(fā)展速度是先慢后快。當(dāng)動(dòng)荷載振幅為25kPa時(shí)，其滯回圈漸漸偏向拉應(yīng)變方向，在振動(dòng)的前幾周發(fā)展緩慢，隨后發(fā)展較快。當(dāng)動(dòng)荷載振幅為35kPa時(shí)，開始階段，滯回圈的拉壓應(yīng)變幾乎同時(shí)增長(zhǎng)，但是隨著振動(dòng)過程的進(jìn)行，滯回圈漸漸向拉應(yīng)變方向發(fā)展，總的來(lái)看，拉應(yīng)變的發(fā)展快于壓應(yīng)變的發(fā)展，發(fā)展速度較快。

圖8 不同動(dòng)應(yīng)力幅值下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 飽和粉土液化后變形特性試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9、圖10分別為液化后不同孔壓消散程度的飽和粉土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)的孔壓應(yīng)變曲線和偏應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖9、圖10可以看出，飽和粉土液化后孔壓先消散一定程度再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)液化后粉土力學(xué)特性產(chǎn)生的影響較為明顯。從圖中孔壓-應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，在軸向加載的初始階段，孔壓都有一定小幅度的增加但是很快就達(dá)到峰值，然后孔壓又開始隨著軸向應(yīng)變的不斷增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明試樣在動(dòng)加載結(jié)束后經(jīng)過了不同程度再固結(jié)后，再施加軸向荷載時(shí)先表現(xiàn)出輕微的剪縮然后又呈現(xiàn)出其剪脹特性，并且施加軸向荷載前孔壓消散程度越大 （即試樣再固結(jié)程度越大），則在進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)時(shí)，其表現(xiàn)出的剪脹特性就越明顯，孔壓消散速度越快，抗剪強(qiáng)度增加速度也越快?？讐合⒊潭仍酱螅瑒t施加軸向荷載時(shí)，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率越為陡峭，試樣的剪脹趨勢(shì)表現(xiàn)得越明顯，剪切階段的主應(yīng)力差增加速度越快，在相同的剪應(yīng)力作用下，試樣的強(qiáng)度越高、產(chǎn)生的變形越小，因?yàn)殡S著孔壓消散程度的增大，從試樣內(nèi)排出的水量就越多，試樣再固結(jié)程度增加、相對(duì)密度提高，土顆粒之間的接觸強(qiáng)度變大，土樣變得更加密實(shí)，土骨架結(jié)構(gòu)的整體性增強(qiáng)，試樣結(jié)構(gòu)得到了改善，土體顆粒骨架承受外部荷載的能力提高，因此施加軸向荷載階段飽和粉土抗剪強(qiáng)度隨著試樣液化后再固結(jié)程度的增大而增加。試樣在軸向荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)比較相似，呈應(yīng)變硬化型，應(yīng)力隨著應(yīng)變的不斷發(fā)展而逐漸增大，土樣逐漸恢復(fù)強(qiáng)度，其抗剪強(qiáng)度不斷增加，在施加軸向荷載的初始階段剪切模量最大，隨后隨著軸向應(yīng)變的增加，剪切模量逐漸降低。

圖9 液化后粉土的孔壓消散了不同程度后再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)的孔壓-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖10 液化后粉土的孔壓消散了不同程度后再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖10可以看出，液化后粉土的孔壓在經(jīng)過不同程度消散后的三軸剪切試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用對(duì)數(shù)函數(shù)較好地?cái)M合，擬合值與試驗(yàn)值吻合度較好，該擬合曲線可以較好地反映飽和粉土液化后靜加載前孔壓消散程度對(duì)其液化后進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)時(shí)試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律。

式中：q為偏應(yīng)力；ε為軸向應(yīng)變；a，b為擬合模型參數(shù)。

表5為擬合曲線的相關(guān)參數(shù)。由表5可以看出，隨著液化后孔壓消散比的增大，擬合模型參數(shù)a和b的值逐漸增加，表現(xiàn)為在液化后靜加載時(shí)，在相同的軸向應(yīng)變情況下，靜加載前孔壓消散比越大的試樣其強(qiáng)度值恢復(fù)得越快。

表5 擬合模型參數(shù)和相關(guān)系數(shù)

圖11飽和粉土液化后孔壓消散比與不排水抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖11 是飽和粉土液化后孔壓消散比與不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線，對(duì)其進(jìn)行擬合，可以看出：兩者具有較好的指數(shù)關(guān)系，兩者之間的相關(guān)性較高，相關(guān)性系數(shù)為0.987，擬合曲線表現(xiàn)的指數(shù)關(guān)系如式（2），即

飽和粉土液化后孔壓消散比會(huì)對(duì)液化后飽和粉土不排水抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生較為明顯的影響，其值隨著飽和粉土液化后孔壓消散比的增加而變大。

土的摩擦強(qiáng)度σtanφ與黏聚強(qiáng)度c構(gòu)成了土的抗剪強(qiáng)度。內(nèi)摩擦包括滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦，滑動(dòng)摩擦是在土顆粒之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生，而咬合摩擦是由于相鄰?fù)亮４蚱圃Ш蠣顟B(tài)，發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。在循環(huán)荷載的作用下飽和粉土液化后，待其孔隙水壓力進(jìn)行不同程度的消散，即液化后土樣進(jìn)行了不同程度的再固結(jié)后，再對(duì)其施加單調(diào)荷載進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)時(shí)，液化后土樣的孔壓消散程度越大，則土顆粒間的排列越緊密，土粒間的咬合作用越強(qiáng)，在剪切過程中，土樣體積脹大發(fā)生剪脹的現(xiàn)象就越明顯，顆粒之間的滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度和咬合摩擦強(qiáng)度相對(duì)越大。此外，土體顆粒之間的膠結(jié)作用力、靜電力和范德華力等物理化學(xué)作用力的存在決定了土的黏聚強(qiáng)度。液化后靜加載前孔壓消散程度越大，則顆粒間排列越緊密，土顆粒之間的距離越近，單位面積上土顆粒之間的相互接觸點(diǎn)數(shù)目就會(huì)越多，顆粒間的靜電力和范德華力越大，則黏聚強(qiáng)度就越大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文先對(duì)飽和粉土施加循環(huán)荷載使其達(dá)到液化狀態(tài)，然后在孔壓進(jìn)行不同程度消散 （即再固結(jié)）后再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，主要研究了動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)飽和粉土液化特性影響以及液化后孔壓消散程度對(duì)液化后粉土力學(xué)特性的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）循環(huán)振動(dòng)荷載大小會(huì)對(duì)飽和粉土樣的抗液化強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，施加的動(dòng)應(yīng)力幅值越大，試樣達(dá)到液化狀態(tài)時(shí)所需要的破壞振次越少，表明試樣抗液化強(qiáng)度會(huì)隨著動(dòng)荷載幅值的增大而減小；

2）孔壓增長(zhǎng)速率受動(dòng)荷載大小的影響很大。隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大，孔壓增長(zhǎng)速度變快，試樣達(dá)到液化狀態(tài)所需要的時(shí)間相對(duì)變短；

3）循環(huán)荷載作用下，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，試樣產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，其中塑性變形為主；

4）飽和粉土液化后進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)時(shí)，隨著靜加載前試樣孔壓消散程度的增加，其抗剪強(qiáng)度不斷變大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展趨勢(shì)為應(yīng)變硬化型，剪切模量隨著軸向應(yīng)變的增加而不斷降低；液化后粉土的孔壓在經(jīng)過不同程度消散后的三軸剪切試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用對(duì)數(shù)函數(shù)較好地?cái)M合。