吳和錦，潘國富，王小燕，陳培雄

(國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

海洋含黏粒砂土共振柱試驗(yàn)研究

吳和錦，潘國富，王小燕，陳培雄

(國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

本文利用英國GDS公司生產(chǎn)的RCA共振柱系統(tǒng)測試海洋含黏粒砂土動(dòng)剪切模量，同時(shí)對(duì)比純砂樣的動(dòng)剪切模量，系統(tǒng)研究固結(jié)應(yīng)力、初始密實(shí)度、黏粒含量等因素對(duì)砂土最大動(dòng)剪切模量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：最大動(dòng)剪切模量隨有效固結(jié)應(yīng)力增大而增大；隨初始密實(shí)度增大而增大；隨黏粒含量的增加而降低。

共振柱試驗(yàn)；黏粒；最大動(dòng)剪切模量；骨架孔隙比

0 引言

海洋地質(zhì)調(diào)查資料表明，浙江東部河口近岸海域廣泛分布含黏粒砂土，黏粒在礦物成分和顆粒組成上與砂粒明顯不同。BAZIAR和DOBRY[1]指出，在自然界中均質(zhì)砂并不多見，且易產(chǎn)生流滑現(xiàn)象的多是沖填沉積砂土或填筑砂土，它們?cè)陬w粒組成上與純凈砂明顯不同，均含一定細(xì)粒成分。國內(nèi)對(duì)飽和砂土研究較多的是均一的純凈砂，如加拿大Ottawa砂、日本Toyoura砂和我國福建標(biāo)準(zhǔn)砂[2]，很少有涉及含黏粒砂土。

針對(duì)黏粒含量對(duì)砂土動(dòng)力特性的影響，研究較多的是砂土動(dòng)強(qiáng)度和地基液化問題，涉及含黏粒砂土動(dòng)剪切模量的研究則很少。動(dòng)剪切模量是描述土體動(dòng)力特性的重要指標(biāo)，是場地地層地震反應(yīng)分析和巖土工程抗震設(shè)計(jì)必需的力學(xué)參數(shù)，已有學(xué)者對(duì)不同地區(qū)土體的動(dòng)剪切模量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[3-7]，然而這些研究多未考慮黏粒含量的影響?；诖?，本文參考杭州灣地區(qū)含黏粒砂土的物質(zhì)組成，通過人工制備不同黏粒含量的砂土，利用GDS共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)含黏粒砂土的最大動(dòng)剪切模量進(jìn)行測試研究，并嘗試從黏粒砂土微觀結(jié)構(gòu)特征的角度，分析不同黏粒含量對(duì)飽和砂土動(dòng)力特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)儀器采用GDS共振柱系統(tǒng)，它是由英國Geotechnical Digital Systems Instruments Company(簡稱GDS公司)研制生產(chǎn)的高精度固定-自由型RCA共振柱儀，是目前國內(nèi)外最常用的共振柱測試系統(tǒng)之一。GDS系統(tǒng)具有縱向激振和橫向扭轉(zhuǎn)激振的功能，它的優(yōu)越性特別表現(xiàn)在小應(yīng)變的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，可測定小應(yīng)變10-6～10-4范圍內(nèi)的動(dòng)剪切模量。

該儀器的動(dòng)力由電磁動(dòng)力系統(tǒng)提供，使用正弦波電壓，最大輸入電壓為2 V，最大圍壓1 MPa，試樣尺寸為50 mm×100 mm，其測試系統(tǒng)的三軸室剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[8]。

圖1 共振柱測試單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic cross-sectional structure of resonant column test unit

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)材料包括純凈砂和黏粒。福建標(biāo)準(zhǔn)砂是我國學(xué)者研究砂土問題時(shí)所針對(duì)的一種有代表性的砂，是許多與砂土相關(guān)的單元體試驗(yàn)的試驗(yàn)用砂，因此本試驗(yàn)所用砂土也選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，以便與前人的相關(guān)研究作對(duì)比。所用福建標(biāo)準(zhǔn)砂為細(xì)砂，土顆粒均勻，級(jí)配不良[9]。圖2為所用福建標(biāo)準(zhǔn)砂的顆粒級(jí)配曲

圖2 福建標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle grading curve of Fujian Standard Sand

線，表1為其相關(guān)的物理特性參數(shù)。試驗(yàn)中摻入細(xì)砂的黏粒選取福建產(chǎn)的灰色高嶺土，主要成分是高嶺石，次要礦物是伊利石和石英。表2為灰色高嶺土物理特性參數(shù)。

表1 福建標(biāo)準(zhǔn)砂物理特性參數(shù)Tab.1 The physical parameters of Fujian Standard Sand

表2 灰色高嶺土物理特性參數(shù)Tab.2 The physical parameters of gray kaolin

由于本次試驗(yàn)材料中含有黏粒，且需要制作相對(duì)較松散的試樣，綜合各類制樣方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)及以往的研究經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)過程中采用分層擊實(shí)法，在三軸壓力室內(nèi)原地成型。試樣為圓柱體，共振柱試驗(yàn)試樣直徑為50 mm，高度為100 mm。根據(jù)試樣密實(shí)度和黏粒含量計(jì)算出每個(gè)試樣的黏粒與標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量，將稱好的黏粒和標(biāo)準(zhǔn)砂混合在一起，用攪拌棒充分混合均勻。分層擊實(shí)法制樣時(shí)，砂土分5層等質(zhì)量擊實(shí)，考慮到擊實(shí)上層砂土對(duì)下層有增密作用，土層控制擊實(shí)厚度向上逐層遞減[4]。當(dāng)完成最后一層砂土的擊實(shí)后，將頂帽輕輕平放到土樣頂面，扣上土樣薄膜并套上O型環(huán)，通過抽真空施加20 kPa的負(fù)壓以支撐制樣。拆除對(duì)開試樣模具后，分別測量試樣水平截面各成120°的3個(gè)不同位置高度，取其平均值；并分別測量試樣上、中、下3個(gè)不同位置的直徑，取其平均值。待試樣安裝完畢后，先施加10 kPa圍壓，再將真空負(fù)壓減小10 kPa，如此循環(huán)，直至消除負(fù)壓，等待下一步試驗(yàn)[2,8,10]。

2.2 試驗(yàn)方法

試樣飽和過程先通入CO2氣體大約2 h，把試樣中的空氣置換成CO2，再用水頭飽和法往試樣中注水，最后是反壓飽和。通過B值檢測，當(dāng)B值大于95%時(shí)即可進(jìn)行試樣固結(jié)，固結(jié)完成后在固結(jié)壓力下保持1 h，然后進(jìn)入RCA軟件進(jìn)行共振測試。

試驗(yàn)使用有效固結(jié)應(yīng)力分別為100、200和400 kPa，初始密實(shí)度由干密度控制，砂土土粒間的聯(lián)結(jié)是極微弱的，土粒排列的緊密程度對(duì)砂土的工程性質(zhì)有重要影響。砂土在天然狀態(tài)下的緊密程度通常用相對(duì)密度Dr來表示，本文選用相對(duì)密度為0.73、0.60和0.30的標(biāo)準(zhǔn)砂分別代表密實(shí)、中密和稍松三種狀態(tài)[11-12]，考慮到含黏粒砂樣的制備，為了更好控制試驗(yàn)變量，把純砂的3種密實(shí)度換算成的干密度1.549、1.509和1.424 g/cm3作為砂土樣土粒間的緊密程度控制參數(shù)。分別研究不同黏粒含量(4%、9%和15%)的3種不同干密度砂土樣在200 kPa的有效固結(jié)應(yīng)力下動(dòng)剪切模量和阻尼比[2]。激振模式采用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)激振，激振頻率由低逐漸增高，直至系統(tǒng)發(fā)生共振，記錄共振頻率和最大電壓值，用以確定最大動(dòng)剪切模量。詳細(xì)試驗(yàn)方案見表3。

表3 飽和含黏粒砂土共振柱試驗(yàn)具體方案Tab.3 The specific programs for resonant column test of saturated clay containing sand

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 干密度對(duì)動(dòng)剪切模量的影響

干密度為1.424、1.509 和1.549 g/cm3的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，分別在100、200和400 kPa的有效固結(jié)應(yīng)力下的最大動(dòng)剪切模量變化關(guān)系如圖3所示。從圖上可以看出，砂土樣的動(dòng)剪切模量隨干密度的增大而增大。因?yàn)楦擅芏仍酱蟮纳巴翗?，其孔隙比越小，土顆粒越密集，土體顆粒接觸點(diǎn)增加，在土體中波傳播速度越快，從而增大了土體動(dòng)剪切模量[4]。

圖3 干密度對(duì)動(dòng)剪切模量的影響Fig.3 The influence of dry density on dynamic shear modulus

3.2 有效固結(jié)應(yīng)力對(duì)動(dòng)剪切模量的影響

單一考慮一種干密度的純凈砂土樣在100、200和400 kPa的有效固結(jié)應(yīng)力下固結(jié)完成后的最大動(dòng)剪切模量變化規(guī)律如圖4所示。從圖中可以得出，砂土樣的最大動(dòng)剪切模量都是隨著有效固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。因?yàn)橛行Ч探Y(jié)應(yīng)力越大的砂土樣，其孔隙比越小，土顆粒越密集，土體顆粒接觸點(diǎn)增加，在土體中波傳播速度越快，從而增大土體動(dòng)剪切模量。

圖4 固結(jié)應(yīng)力對(duì)動(dòng)剪切模量的影響Fig.4 The influence of confining pressure on dynamic shear modulus

3.3 黏粒含量對(duì)動(dòng)剪切模量的影響

圖5給出了200 kPa固結(jié)應(yīng)力條件下飽和砂最大動(dòng)剪切模量Gdmax與黏粒含量Pc的關(guān)系曲線。由圖5可知，相同干密度條件下，黏粒含量對(duì)砂的最大動(dòng)剪切模量影響顯著，隨著黏粒含量的增加，砂土的最大動(dòng)剪切模量逐漸減小。

圖5 黏粒含量對(duì)動(dòng)剪切模量的影響Fig.5 The influence of clay content on dynamic shear modulus

黏粒含量對(duì)砂土動(dòng)剪切模量的影響可以從含黏粒砂土的微觀結(jié)構(gòu)來闡釋。含黏粒砂土的微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它是各種大小不一的土?；蛘吡F(tuán)通過多種連接方式形成的集合體，土粒之間不同的組合連接或解除方式稱之為“力鏈”，導(dǎo)致砂土不同的宏觀力學(xué)性質(zhì)[6]。

含黏粒砂土，當(dāng)其黏粒含量不高時(shí)(<15%)，黏粒未能完全占據(jù)砂粒之間的孔隙，而是存在于砂粒與砂粒接觸點(diǎn)附近，土體內(nèi)部力鏈的形成和相互作用力的傳遞主要由粗的砂粒所控制，砂粒作為土體的骨架，按式(1)定義骨架孔隙比es：

(1)

由于黏粒比重比標(biāo)準(zhǔn)砂比重大，同樣干密度的砂土樣含黏粒越多，使得主骨架孔隙比es增大，砂粒之間接觸點(diǎn)減少，土體內(nèi)部力鏈的相互作用力逐漸減小，相同動(dòng)應(yīng)力水平下抵抗變形的能力隨之降低，從而使動(dòng)剪切模量減小。從宏觀方面看，黏粒比重比標(biāo)準(zhǔn)砂比重大，同樣干密度的砂土樣含黏粒越多，試樣反而越相對(duì)松散，土體中波傳播速度就更慢，從而土體動(dòng)剪切模量就越小。

4 結(jié)論

(1)砂土樣的最大動(dòng)剪切模量隨干密度的增大而增大，隨有效固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。

(2)黏粒含量對(duì)飽和砂的動(dòng)力特性有顯著影響，共振柱測試結(jié)果顯示各級(jí)固結(jié)應(yīng)力下，砂土最大動(dòng)剪切模量隨著黏粒含量的增加呈現(xiàn)線性遞減的規(guī)律。含黏粒砂土動(dòng)剪切模量受黏粒含量的影響機(jī)理可由土體的微觀結(jié)構(gòu)特征得到闡釋，并可借助骨架孔隙比這一粒間狀態(tài)參量來分析。

本文僅涉及黏粒含量小于15%的砂土樣，大于15%的黏粒含量范圍的砂土樣動(dòng)剪切模量變化規(guī)律還未可知，此外，本文涉及土樣固結(jié)都是等向固結(jié)，沒有進(jìn)行偏壓固結(jié)的相關(guān)研究，這些都有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

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Study on resonant column test in marine clay containing sand

WU He-jin，PAN Guo-fu，WANG Xiao-yan，CHEN Pei-xiong

(TheSecondInstituteofOceanography，SOA，Hangzhou310012，China)

Dynamic shear modulus in marine clay containing sand was tested using RCA resonant column test system produced by GDS Company of UK. At the same time, comparing to the dynamic shear modulus in pure sand sample, the various factors such as the consolidation pressure, initial compactness, clay content, etc. influencing the maximum dynamic shear modulus of soil were studied systematically.The results show that the maximum dynamic shear modulus increases along with the effective consolidation pressure increasing and the initial density increasing, while it decreases along with the clay content increasing.

resonant column test；clay；maximum dynamic shear modulus；skeleton void ratio

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.010.

2015-05-15

2015-06-04

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(LY13D060003)

吳和錦(1988-)，男，江西吉安市人，主要從事港口、海岸及近海工程方面的研究。E-mail:hejin_wu@163.com

TU411; TU442

A

1001-909X(2015)03-0070-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.010

吳和錦，潘國富，王小燕，等. 海洋含黏粒砂土共振柱試驗(yàn)研究[J]. 海洋學(xué)研究,2015,33(3):70-74,

WU He-jin，PAN Guo-fu，WANG Xiao-yan, et al. Study on resonant column test in marine clay containing sand[J]. Journal of Marine Sciences, 2015,33(3):70-74, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.010.