陳曉飛，吳建翔，李 園

揚(yáng)州市市政建設(shè)處，江蘇 揚(yáng)州 225000

在地震或者車輛荷載作用下，若孔隙水壓力來(lái)不及消散，砂土可能出現(xiàn)液化現(xiàn)象，導(dǎo)致地基失穩(wěn)，因此砂土的抗液化特性得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。董正方等[1]分析了不同圍壓、干密度和細(xì)粒含量下粉砂土的動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度曲線。李濤等[2]基于動(dòng)三軸的液化試驗(yàn)研究了黏粒和粉粒對(duì)砂土液化特性的影響。目前，相關(guān)認(rèn)識(shí)主要是根據(jù)循環(huán)三軸或循環(huán)扭剪[3-4]試驗(yàn)結(jié)果得到的，但這些試驗(yàn)只考慮單個(gè)方向上出現(xiàn)循環(huán)受載的情況，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力路徑下砂土動(dòng)力特性的研究尚顯不足。例如海洋工程中，波浪荷載在地基中產(chǎn)生的加載路徑與在循環(huán)三軸和循環(huán)扭剪中的有明顯區(qū)別，其抗液化特性與現(xiàn)有認(rèn)識(shí)有何不同尚不清楚。因此，研究不同加載路徑對(duì)飽和砂土動(dòng)力特性的影響是有必要的。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器

文章研究的試驗(yàn)儀器為英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪儀（Hollow Cylinder Apparatus），該儀器可以分別控制作用在試樣上的靜、動(dòng)豎向荷載和扭轉(zhuǎn)彎矩，作用在圓柱試樣的內(nèi)、外壓力可以獨(dú)立控制。動(dòng)力加載的強(qiáng)度一般通過(guò)循環(huán)應(yīng)力比CSR表示，其表達(dá)式如下：

考慮到模擬波浪荷載的要求，需要同時(shí)施加豎直的豎向荷載以及試樣橫斷面上的扭轉(zhuǎn)荷載，為了更好地描述三維循環(huán)受剪狀態(tài)，采用張建民[5]的建議，同時(shí)體現(xiàn)豎向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的偏差，以及扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，動(dòng)剪應(yīng)力確定為

1.2 應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)方法

試驗(yàn)中共考慮循環(huán)三軸、循環(huán)扭剪和波浪荷載（圓耦合）3種應(yīng)力加載路徑。循環(huán)三軸和循環(huán)扭剪可分別通過(guò)控制軸向力和扭矩實(shí)現(xiàn)，模擬波浪荷載的圓耦合路徑是指平均應(yīng)力-偏應(yīng)力坐標(biāo)系中應(yīng)力路徑為圓形，也即軸向動(dòng)應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力幅值相當(dāng)，相位差維持在90°[6]。

1.3 試驗(yàn)土樣及方案

試驗(yàn)所用砂為福建標(biāo)準(zhǔn)砂，物理參數(shù)如表1所示。

表1 土樣性質(zhì)

土樣為內(nèi)徑60mm、外徑100mm、高度100mm的空心圓柱試樣，采用落砂法制作。為分析相關(guān)因素的影響，試驗(yàn)中考慮了松砂和緊砂2種密實(shí)程度的試樣，研究了3種動(dòng)應(yīng)力水平，以及3種加載路徑下土體抗液化能力，試驗(yàn)方案及編號(hào)如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)中首先將試樣在0.5MPa的反壓下飽和，空心圓柱的內(nèi)、外壓力同步設(shè)置為0.6MPa，待試樣在0.1MPa的有效平均壓力下固結(jié)穩(wěn)定后，關(guān)閉排水閥，讓試樣在不排水條件下承受動(dòng)剪應(yīng)力作用，當(dāng)孔壓達(dá)到有效平均應(yīng)力的0.95時(shí)[7]，即認(rèn)為土樣破壞。為保證試驗(yàn)中孔隙水壓力在試樣中盡可能平衡，加載頻率取較低的數(shù)值，為0.1Hz，也即10s中加載1周。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 圓耦合試驗(yàn)結(jié)果

（1）超靜孔隙水壓力。試驗(yàn)7（相對(duì)密實(shí)度Dr=0.6，CSR=0.1）的超靜孔隙水壓力的發(fā)展曲線如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)振動(dòng)周次小于21周時(shí)孔壓隨著振動(dòng)周次的增加而穩(wěn)定增加；當(dāng)振動(dòng)周次達(dá)到21周時(shí)，孔壓的增長(zhǎng)隨著振動(dòng)周次的增加明顯變快；當(dāng)振動(dòng)周次達(dá)到25周時(shí)，循環(huán)孔壓達(dá)到了30.49kPa，峰值孔壓達(dá)到了94.79kPa，此時(shí)試樣已經(jīng)液化。

圖1 試驗(yàn)7的超靜孔隙水壓力曲線

（2）動(dòng)強(qiáng)度。砂土的動(dòng)強(qiáng)度有多種定義方式，文章采用常用的方法，即某一加載周數(shù)下砂土不出現(xiàn)液化現(xiàn)象所能承擔(dān)的極限動(dòng)應(yīng)力比CSR。圓耦合的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。為便于后續(xù)分析，其他加載方式下的數(shù)據(jù)一并在圖2中給出。為了清楚表達(dá)，橫坐標(biāo)加載周數(shù)用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表達(dá)。

圖2 動(dòng)強(qiáng)度曲線

結(jié)果表明，加載路徑對(duì)砂土抗液化能力有比較明顯的影響。若循環(huán)應(yīng)力比相同，波浪荷載（圓耦合）加載方式下，砂土最容易液化；循環(huán)三軸荷載條件下的砂土最難液化，循環(huán)扭剪下砂土的抗液化能力居中。從數(shù)值上來(lái)看，圓耦合的液化周次遠(yuǎn)小于其他2種加載試驗(yàn)，如當(dāng)CSR為0.05時(shí)，圓耦合、循環(huán)扭剪和循環(huán)三軸下的結(jié)果分別為800、5450和20156周。

圖2還表明，在某一特定的加載方式下，達(dá)到液化所需要的加載周數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力水平的減小而顯著增加，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下都近似為線性關(guān)系。為便于工程應(yīng)用，將試驗(yàn)結(jié)果用下式進(jìn)行擬合：

式中：c、d為試驗(yàn)參數(shù)，不同的加載方式對(duì)應(yīng)的試樣參數(shù)有所區(qū)別。循環(huán)三軸、循環(huán)扭剪、波浪荷載下的c分別為0.1796、0.1935、0.1442；d分別為 -0.013、-0.017、-0.013。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的加載方式中，波浪荷載所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力旋轉(zhuǎn)圓耦合加載路徑最容易使砂土液化，超靜孔隙水壓力發(fā)展得最迅速。一般認(rèn)為，不排水條件下的孔隙水壓力大小和發(fā)展規(guī)律與塑性體積應(yīng)變有密切的聯(lián)系。這意味著即使偏應(yīng)力大小保持不變，但應(yīng)力主軸的方向發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn)也會(huì)引起土樣的體積顯著減小，使相應(yīng)試驗(yàn)土樣發(fā)展出的塑性體積應(yīng)變最大，這一影響在工程設(shè)計(jì)分析中需要被深入考慮。

2.2 應(yīng)力路徑對(duì)液化周次的影響

不同砂土密實(shí)度下，3種應(yīng)力路徑的孔壓發(fā)展曲線如圖3、圖4所示。結(jié)果表明，在同一CSR下，圓耦合應(yīng)力路徑作用的孔壓發(fā)展更快。在CSR=0.1時(shí)，圓耦合路徑下的液化周次達(dá)到25周后試樣就已破壞，而動(dòng)三軸和動(dòng)扭剪對(duì)應(yīng)的液化周次分別為510和275。不同的應(yīng)力路徑下的孔壓總是隨著加載次數(shù)的增加而增加，但圓耦合增加得更快，可能是圓耦合應(yīng)力路徑旋轉(zhuǎn)的同時(shí)發(fā)展了軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變。其他CSR作用下也呈現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。為便于分析，匯總了不同加載方式下的破壞周次，如表3～表5所示。

表3 循環(huán)三軸試驗(yàn)的液化破壞周次

表4 循環(huán)扭剪試驗(yàn)的液化破壞周次

表5 圓耦合試驗(yàn)的液化破壞周次

圖3 CSR=0.1的中砂孔壓發(fā)展規(guī)律

圖4 CSR=0.1的松砂孔壓發(fā)展規(guī)律

2.3 應(yīng)力路徑對(duì)孔壓發(fā)展模式的影響

動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的歸一化孔壓u/uf和歸一化振次N/Nf的關(guān)系曲線如圖5所示。uf是破壞時(shí)的孔壓，Nf是液化周次，N和u分別是振動(dòng)周次和孔壓。結(jié)果表明，盡管不同動(dòng)剪應(yīng)力比下孔壓量值隨加載周次的增加幅度不同，但歸一化后曲線范圍相對(duì)狹窄，有較好的規(guī)律性。這和張建民等[8]的研究一致，他們認(rèn)為歸一化孔壓與動(dòng)應(yīng)力大小無(wú)關(guān)，并給出了u/uf和N/Nf的擬合公式形式。動(dòng)扭剪的試驗(yàn)結(jié)果也有相似的規(guī)律，如圖6所示。但圓耦合的動(dòng)孔壓擬合曲線則有所不同，如圖7所示，動(dòng)剪應(yīng)力比孔壓的影響較大，這表明主應(yīng)力軸方向旋轉(zhuǎn)引起的力學(xué)效應(yīng)不容忽略。

圖5 動(dòng)三軸孔壓歸一化曲線

圖6 動(dòng)扭矩孔壓歸一化曲線

圖7 圓耦合孔壓歸一化曲線

3 結(jié)論

文章采用空心圓柱扭剪儀，考慮不同的動(dòng)剪應(yīng)力水平，研究了中砂和松砂在不同加載方式下的抗液化能力，主要結(jié)論如下：（1）不同加載方式在砂土中引起的超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)速度有所區(qū)別，波浪荷載對(duì)應(yīng)的圓耦合路徑下的發(fā)展速度最快，循環(huán)扭剪次之，循環(huán)三軸中最慢。（2）與孔壓發(fā)展規(guī)律對(duì)應(yīng)，某一加載周數(shù)下，圓耦合試驗(yàn)中達(dá)到液化破壞所需要的動(dòng)應(yīng)力水平最小，其與應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)引起的塑性體積應(yīng)變有關(guān)。（3）循環(huán)應(yīng)力比大小對(duì)動(dòng)三軸和動(dòng)扭剪應(yīng)力路徑的歸一化孔壓發(fā)展模式影響不大，但對(duì)圓形應(yīng)力路徑影響較明顯。