張振東，曹 培，宗鐘凌

（1.淮海工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

南黃海輻射狀沙脊群位于現(xiàn)代長(zhǎng)江三角洲以北、舊黃河三角洲以南的蘇北岸外淺海區(qū)，向海洋呈輻射狀分布，規(guī)模巨大，形態(tài)特殊，沙脊群間形成了多條深水潮流通道，是天然的港口資源。因此，在輻射沙脊群上進(jìn)行外海人工島的開發(fā)與建設(shè)對(duì)于港口資源的保護(hù)與利用具有十分重要的意義。然而，由于該區(qū)域地基土體主要為粉質(zhì)砂土，易在地震等荷載作用下發(fā)生液化。而與單純的液化相比，砂土液化后引起的大變形所導(dǎo)致的破壞往往更為嚴(yán)重，而且它的發(fā)生極為普遍，幾乎每次地震導(dǎo)致的砂土液化都會(huì)伴隨有大變形的發(fā)生，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此對(duì)地震液化后砂土應(yīng)力和變形特性的研究就顯得尤為重要。

Seed［1］較早就注意到地震作用不僅會(huì)導(dǎo)致飽和砂土的液化，同時(shí)砂土的液化會(huì)誘發(fā)地基產(chǎn)生較大的水平向永久變形，對(duì)各種堤壩及與其相鄰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞。1986年日本學(xué)者Hamada等［2］利用航空照片對(duì)1964年的新瀉地震及1983年的日本海中部地震震害進(jìn)行了廣泛的調(diào)查。調(diào)查顯示，由于地表傾斜以及靠近河岸海岸的場(chǎng)地中有驅(qū)動(dòng)剪應(yīng)力的存在，地震荷載作用下的砂土地基發(fā)生液化后，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生較大的水平向永久變形，造成工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)與破壞。

針對(duì)飽和砂土液化后大變形的相關(guān)問題很多學(xué)者都做了深入的研究［3－9］，但由于問題的復(fù)雜性和變異性，關(guān)于液化大變形機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然不夠確切，特別是針對(duì)粉質(zhì)砂土的研究較少，尚有諸多理論上的問題需要深入研究。因此，本文擬針對(duì)南黃海輻射沙脊群地區(qū)的特殊粉質(zhì)砂土，通過室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)，在砂土試樣液化后進(jìn)行靜力加載，以探討該粉質(zhì)砂土液化后的應(yīng)力與變形特性。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方法

本文所用土樣取自江蘇如東洋口港太陽島上的吹填粉砂，該粉質(zhì)砂土主要來源于南黃海輻射沙脊群中的砂土。其土粒比重為Gs＝2.71，最大與最小干密 度 分 別 為ρd，max＝ 1.51g／cm3，ρd，min＝ 1.25 g／cm3。試驗(yàn)中控制土料的相對(duì)密實(shí)度分別為Dr＝90%和Dr＝75%，控制干密度分別為ρd＝1.479 g／cm3和ρd＝1.435g／cm3。由顆粒分析實(shí)驗(yàn)得到其粒徑分布如表1所示。

表1 粒徑分布Table 1 Particle size distribution

試件采用多層濕搗法制作。本次試驗(yàn)采用分3層擊實(shí)的方法，先計(jì)算每層土的質(zhì)量，分3次裝入制樣模具中，并擊實(shí)到相應(yīng)的高度，每層擊實(shí)完后將接觸面拉毛，以保證層與層之間接觸良好，直至擊完第3層。擊實(shí)成型后將成型試件放入飽和容器內(nèi)，采用反壓飽和的方法抽真空飽和24h，使試件充分飽和。最后將飽和后的試件取出，裝入三軸室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。根據(jù)循環(huán)三軸試驗(yàn)的條件，在試樣達(dá)到控制液化標(biāo)準(zhǔn)后即停止動(dòng)力加載，并打開排水閥排出試樣內(nèi)多余的孔隙水。在試樣內(nèi)超孔隙水壓力完全消散后繼續(xù)進(jìn)行不排水單調(diào)剪切試驗(yàn)。其試驗(yàn)過程如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及液化控制標(biāo)準(zhǔn)

本研究采用英國(guó)GDS公司研制生產(chǎn)的動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)均采用實(shí)心圓柱試樣，其直徑D＝39.1mm，高H＝80mm。

圖1 砂土液化后強(qiáng)度變形特性試驗(yàn)的加載過程Fig.1 Loading process of deformation characteristic test of sand after liquefaction

由于試驗(yàn)主要在非均等固結(jié)條件下進(jìn)行，在振動(dòng)過程中孔隙水壓力一般達(dá)不到初始固結(jié)有效平均應(yīng)力，因此無法按照通常的初始液化定義作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。雖然在振動(dòng)過程中孔隙水壓力達(dá)不到有效平均固結(jié)壓力，而是穩(wěn)定在某一水平附近，但是試驗(yàn)變形的發(fā)展仍然很迅速，因此，在非均等固結(jié)條件下本文選取應(yīng)變達(dá)到5%（取殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變之和達(dá)5%）作為試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 周圍壓力對(duì)飽和粉質(zhì)砂土液化后大變形特性的影響

如圖2所示為振動(dòng)頻率f＝1Hz，Dr＝90%，Kc＝2.0條件下，砂土試驗(yàn)達(dá)到液化控制標(biāo)準(zhǔn)并固結(jié)排水穩(wěn)定后再次施加軸向應(yīng)力作用時(shí)的固結(jié)不排水單調(diào)剪切試驗(yàn)結(jié)果，其中周圍壓力σ3分別取100，200和300kPa。由圖2可見，不同周圍壓力對(duì)飽和粉砂應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線影響較大，周圍壓力越大，其所達(dá)到的峰值應(yīng)力越大。而由偏應(yīng)力比與應(yīng)變關(guān)系曲線可知，周圍壓力對(duì)峰值偏應(yīng)力比的影響較小，3種條件下，試樣所達(dá)到的峰值偏應(yīng)力比基本相同。

圖2 f＝1Hz，Dr＝90%，Kc＝2.0條件下飽和粉砂液化后大變形試驗(yàn)曲線Fig.2 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for f＝1Hz，Dr＝90%and Kc＝2.0

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)飽和粉質(zhì)砂土液化后大變形特性的影響

如圖3所示為考慮不同振動(dòng)頻率影響的飽和粉質(zhì)砂土液化后單調(diào)剪切試驗(yàn)曲線。由圖3可見，振動(dòng)頻率對(duì)達(dá)到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后飽和粉質(zhì)砂土固結(jié)不排水單調(diào)剪切特性影響很小。

2.3 密實(shí)度與固結(jié)比對(duì)飽和粉質(zhì)砂土液化后大變形特性的影響

如圖4所示為考慮不同相對(duì)密實(shí)度與固結(jié)比影響的飽和粉質(zhì)砂土液化后單調(diào)剪切試驗(yàn)曲線。由圖4可見，粉砂試驗(yàn)前的相對(duì)密實(shí)度及固結(jié)比均對(duì)其液化后大變形特性有一定影響。然而，由于在動(dòng)三軸液化試驗(yàn)過程中，其動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的試樣狀態(tài)難以控制達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此該試驗(yàn)結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際土體相關(guān)因素的影響，但是該試驗(yàn)結(jié)果所反映的趨勢(shì)是合理的。

另外，由圖2、圖3以及圖4可以看出，無論是在哪一種試驗(yàn)條件下，試樣在動(dòng)力三軸試驗(yàn)過程中達(dá)到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后，其對(duì)后期的固結(jié)不排水單調(diào)剪切特性都將會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。在整個(gè)單調(diào)剪切試驗(yàn)過程中，試樣一直呈現(xiàn)出硬化變形的特性，在產(chǎn)生很小的正孔隙水壓力后，孔隙水壓力就向負(fù)的方向發(fā)展，試樣始終處于剪脹狀態(tài)，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同振動(dòng)頻率條件下飽和粉砂液化后大變形試驗(yàn)曲線Fig.3 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for different vibration frequency

圖4 不同相對(duì)密實(shí)度與固結(jié)比條件下飽和粉砂液化后大變形試驗(yàn)曲線Fig.4 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for different relative density and consolidation ratio

3 結(jié)論

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與整理，得出如下結(jié)論：

（1）不同周圍壓力對(duì)飽和粉質(zhì)砂土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線影響較大，周圍壓力越大，其所達(dá)到的峰值應(yīng)力越大。而由偏應(yīng)力比—應(yīng)變關(guān)系曲線可知，周圍壓力對(duì)峰值偏應(yīng)力比的影響較小，3種條件下，試樣所達(dá)到的峰值偏應(yīng)力比基本相同。

（2）振動(dòng)頻率對(duì)達(dá)到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后飽和粉質(zhì)砂土固結(jié)不排水單調(diào)剪切特性影響很小。粉質(zhì)砂土試驗(yàn)前的相對(duì)密實(shí)度以及固結(jié)應(yīng)力比均對(duì)其液化后大變形特性有一定影響，試驗(yàn)結(jié)果所反映的趨勢(shì)是合理的。

（3）無論是哪種試驗(yàn)條件，試樣在動(dòng)力三軸試驗(yàn)過程中達(dá)到液化控制標(biāo)準(zhǔn)后，其對(duì)后期的單調(diào)剪切特性都將會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。在整個(gè)單調(diào)剪切過程中，試樣一直呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，產(chǎn)生很小的正孔隙水壓力后，孔隙水壓力就向負(fù)的方向發(fā)展，試樣始終處于剪脹狀態(tài)，并最終達(dá)到穩(wěn)定。

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