杭州灣粉質(zhì)土液化后強(qiáng)度及變形特性試驗(yàn)研究①

呂小飛, 李冬, 陳培雄, 陳小玲

(國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)研究中心，浙江 杭州 310012)

摘要：海洋粉質(zhì)土因沉積環(huán)境的差異，在動(dòng)應(yīng)力作用下的液化特性與陸上粉土略有不同。以杭州灣原狀粉質(zhì)土為研究對(duì)象，進(jìn)行特別設(shè)計(jì)的動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，研究粉質(zhì)土液化后的強(qiáng)度和變形特性。研究表明：杭州灣粉質(zhì)土液化后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相似，應(yīng)變與砂性土的變化規(guī)律相似，可分為低強(qiáng)度段和強(qiáng)度恢復(fù)段兩階段，振動(dòng)頻率、圍壓和前期最大軸向應(yīng)變對(duì)液化后應(yīng)力-應(yīng)變都有影響。提出粉質(zhì)土液化后二階段本構(gòu)模型能較好地反映粉質(zhì)土液化后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

關(guān)鍵詞：海洋粉質(zhì)土； 液化后變形； 非零有效應(yīng)力狀態(tài)； 零有效應(yīng)力狀態(tài)

收稿日期：①2014-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(JG200807)

作者簡(jiǎn)介：呂小飛(1978-)，男，浙江金華人，碩士，主要從事海洋土工程性質(zhì)研究。E-mail：Lvxf@sio.org.cn。

中圖分類(lèi)號(hào):TU41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0857

Experimental Study of Post-liquefaction Strength and Deformation

Behavior of Silt in the Hangzhou Bay

LV Xiao-fei, LI Dong, CHEN Pei-xiong, CHEN Xiao-ling

(LaboratoryofEngineeringOceanography,SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,Zhejiang，China)

Abstract：The liquefaction behavior of marine silty soil is different from that of sandy soil under dynamic loading conditions. The samples of insitu marine silty soil in the Hangzhou Bay were analyzed with a special dynamic triaxial liquefaction test, which could possibly clarify post-liquefaction strength and deformation behavior. The results showed that the shear strain of silty soil could be divided into two parts: nonzero effective stress state and zero effective stress state, and the deformation law of marine silty soil was similar to that of sandy soil and also the shear strain when the nonzero effective stress state or zero effective stress state was subject to vibration frequency, cell pressure, and εmax. constitutive model on the post-liquefaction behavior of silty soil is proposed, which could express the post-liquefaction stress-strain response very well.

Key words： marine silty soil; post-liquefaction deformation; nonzero effective stress state; zero effective stress state

0引言

自1964年日本新瀉地震和美國(guó)阿拉斯加地震后，地震液化問(wèn)題逐漸引起巖土工程界的重視[1]，并成為該領(lǐng)域長(zhǎng)期研究的熱點(diǎn)[1]，具有重大理論價(jià)值和實(shí)際意義。Seed等[2]在1966年提出了“初始液化”概念，即認(rèn)為在不排水循環(huán)剪切試驗(yàn)中有效應(yīng)力第一次達(dá)到零值時(shí)砂土所處的狀態(tài)為初始液化，并把砂土液化過(guò)程分為“初始液化前”和“初始液化后”兩個(gè)階段。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始至80年代，地震液化問(wèn)題的研究主要關(guān)注砂土液化前，集中在液化的產(chǎn)生、液化機(jī)理、影響因素和液化的判別，取得了較大的成就。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多地震震害調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因液化而導(dǎo)致的地基或建筑物破壞往往發(fā)生在地震結(jié)束后幾分鐘甚至幾天后，因此液化問(wèn)題研究的核心不是強(qiáng)度，而是變形，液化后地面大變形在1983年日本海地震后開(kāi)始受到關(guān)注[3]。但是液化后的變形問(wèn)題是一個(gè)極其復(fù)雜且困難的問(wèn)題，目前研究的成果僅僅是尋找一些對(duì)震陷和變形問(wèn)題分析和預(yù)測(cè)的理論和方法[4-7]，然而預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況有差異或是方法不具備重復(fù)性[8]。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)地震工程委員會(huì)(1985年)認(rèn)為這一問(wèn)題離完滿(mǎn)解決還有很遠(yuǎn)的距離。

粉砂、粉土等粉質(zhì)土是一種地震液化土，在我國(guó)分布廣泛。海洋粉質(zhì)土是特殊沉積環(huán)境下沉積的地震液化土，其自由水含量高、振動(dòng)易液化失水、地基承載力較低，是海洋工程(特別是海底管線(xiàn)工程)建設(shè)中經(jīng)常遇到的土類(lèi)。因此有必要研究海洋粉質(zhì)土地震液化后的變形問(wèn)題，以便為地震液化后變量預(yù)測(cè)提供一定依據(jù)。

1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器采用美國(guó)GCTS公司研制的TRX-100型雙向振動(dòng)三軸儀。儀器由計(jì)算機(jī)控制部分、飼服控制單元、傳感器單元、動(dòng)力加載系統(tǒng)、三軸室及附屬部分組成。儀器指標(biāo)如下：試樣尺寸包括4種，分別為實(shí)心樣φ38 mm×75 mm、φ50 mm×100 mm、φ75 mm×150 mm和φ100 mm×200 mm；振動(dòng)頻率最大為10 Hz；最大豎向荷載為50 kN；最大圍壓為1 MPa；最大反壓一般小于圍壓；軸向最大變形為-50～50 mm；振動(dòng)波為正弦波或隨機(jī)波。該儀器可在循環(huán)加載結(jié)束后立即施加軸向靜加載，為模擬海洋粉質(zhì)土液化后自重作用下產(chǎn)生的液化后變形過(guò)程，單調(diào)靜加載的加載速率應(yīng)保持較低的程度。整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1　粉土液化后大變形試驗(yàn)加載過(guò)程 Fig.1　Loading process of test on large post-liquefaction 　　　 deformation of silty soil

本次試驗(yàn)土樣取自杭州灣中部，共制成27個(gè)試驗(yàn)樣品，樣品尺寸均為φ50 mm×100 mm，分三組進(jìn)行試驗(yàn)。考慮海洋土所受動(dòng)力條件的特殊性，擬合地震作用和波浪作用下的振動(dòng)情況，試驗(yàn)的振動(dòng)頻率分別采用0.2、0.5和1 Hz。0.2和0.5 Hz振動(dòng)頻率模擬波浪作用，1 Hz模擬地震作用。每組試樣的有效固結(jié)應(yīng)力分別為25、50和75 kPa。以應(yīng)力控制方式進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到初始液化后(u=σ3c)繼續(xù)加載，直至雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到設(shè)定值εmax。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1液化后強(qiáng)度和大變形

循環(huán)荷載作用結(jié)束后，對(duì)試樣施加單調(diào)靜荷載以研究粉質(zhì)土液化后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：各組試樣液化后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變化趨勢(shì)是相似的，與文獻(xiàn)[4-7]中砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相似。由于試樣自身土強(qiáng)度較低，固結(jié)應(yīng)力較小，在施加單調(diào)靜荷載后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出兩階段性。圖2是液化后典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖。

圖2　粉質(zhì)土液化后靜加載的典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 　　　 (σ 3c=50 kPa,f=1 Hz) Fig.2　Typical stress-strain relationship of liquefied silty 　　　 soil under static loading (σ 3c=50 kPa,f=1 Hz)

圖2顯示粉質(zhì)土液化后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可分為低強(qiáng)度段和強(qiáng)度恢復(fù)段，與Shamoto[4]、張建民[9]根據(jù)應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)的有效應(yīng)力狀態(tài)將總應(yīng)變?chǔ)欧譃榱阌行?yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?和非零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)興兩個(gè)分量相一致。因此可近似地認(rèn)為循環(huán)加載后的靜加載過(guò)程是初始液化之后某一應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的壓縮過(guò)程。低強(qiáng)度階段處于單調(diào)靜加載的初期，土的強(qiáng)度幾乎為零，應(yīng)變對(duì)應(yīng)力極其敏感，較小應(yīng)力能產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)變?chǔ)?，孔隙水壓力則基本保持在有效圍壓附近，此時(shí)砂土基本呈流體狀，不能承受剪應(yīng)力。此階段即為Shamoto等[4]所定義的砂土液化后應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的低強(qiáng)度段，該階段發(fā)生的應(yīng)變稱(chēng)為低強(qiáng)度段軸向應(yīng)變?chǔ)?。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與液化后土的再固結(jié)體變特性密切相關(guān),再固結(jié)體變主要由部分可逆的體變分量和不可逆的體變分量組成[6-10]。循環(huán)加載使土體有振密的趨勢(shì)，從而使試樣中的水處于一定的壓縮狀態(tài)，在液化后單調(diào)加載時(shí)剪切作用使土體有體脹趨勢(shì)，從而使這部分水從壓縮狀態(tài)釋放出來(lái)，在此過(guò)程中水體逐漸從受壓狀態(tài)向自由狀態(tài)轉(zhuǎn)換，試樣的有效應(yīng)力不發(fā)生變化保持為零，而應(yīng)變則大幅度增加，此時(shí)的軸向應(yīng)變?chǔ)?與可逆的體應(yīng)變分量相對(duì)應(yīng)[7]。當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ㄖ禃r(shí)，水體由壓縮狀態(tài)向自由狀態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著孔隙水壓力不斷降低，有效應(yīng)力快速增加,強(qiáng)度逐漸得到恢復(fù)，土表現(xiàn)出剪脹特性[10]。此階段稱(chēng)為強(qiáng)度恢復(fù)段，發(fā)生的應(yīng)變稱(chēng)為強(qiáng)度恢復(fù)段軸向應(yīng)變?chǔ)興，與不可逆的體變分量相對(duì)應(yīng)。

2.2大變形影響因素

在各向等壓固結(jié)條件下，試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同振動(dòng)頻率、圍壓和最大前期軸應(yīng)變?chǔ)舖ax對(duì)杭州灣粉質(zhì)土液化后靜加載變形的影響。圖3是各種參數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖3　粉質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 Fig.3　Stress-strain relationship of silty soil

由圖3(a)、(b)可知，在相同圍壓固結(jié)下的試樣，液化后的變形隨循環(huán)荷載頻率的增大而有所增強(qiáng)，而軸向應(yīng)變略有減??；圍壓越大液化后變形越顯著。圖3(c)給出了不同前期最大軸向應(yīng)變?chǔ)舖ax下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)3的試樣在前期循環(huán)荷載下未達(dá)到初始液化，不存在零有效應(yīng)力狀態(tài)，其余曲線(xiàn)2、4、5、6的前期最大軸向應(yīng)變?chǔ)舖ax逐漸增大，零有效應(yīng)力狀態(tài)下軸向應(yīng)力ε0也變大。但不管振動(dòng)頻率、圍壓和前期最大軸應(yīng)變差異如何，粉質(zhì)土液化后靜加載的應(yīng)力-應(yīng)變都具有低強(qiáng)度段和強(qiáng)度恢復(fù)段的特點(diǎn)。

3粉質(zhì)土液化后二階段本構(gòu)模型

3.1模型的建立

杭州灣粉質(zhì)土液化后靜加載的變形特性符合Shamoto等[4]、張建民[9]根據(jù)應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)的有效應(yīng)力狀態(tài)提出的總應(yīng)變?chǔ)艖?yīng)分為零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?和非零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)興兩個(gè)分量，即：

零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?在液化后的總應(yīng)變中處于主要地位，其大小與靜加載應(yīng)力無(wú)關(guān)，而與前期應(yīng)力應(yīng)變歷史有關(guān)；非零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)興則與靜加載作用有關(guān)，而與前期應(yīng)力應(yīng)變歷史無(wú)關(guān)[6]。

在低強(qiáng)度階段，總應(yīng)變絕大部分來(lái)自于零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?，因此在該階段εd=0，ε=ε0。王艷麗等[7]提出ε0是前期最大軸向應(yīng)變?chǔ)舖ax的線(xiàn)性函數(shù)，用擬合公式來(lái)表達(dá)。以本文數(shù)據(jù)作ε0-εmax的相關(guān)圖(圖4)，得出

需要注意的是，對(duì)于在土類(lèi)不同、物性不同、試驗(yàn)條件差異的情況下，線(xiàn)性關(guān)系并不一定成立。

圖4　粉質(zhì)土ε 0-ε max的相關(guān)圖 Fig.4　ε 0-ε max relationship of silty soil

在強(qiáng)度恢復(fù)階段，非零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)興開(kāi)始起作用，可用簡(jiǎn)潔的雙曲線(xiàn)模型來(lái)表示。劉漢龍等[5]給出了經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后的雙曲線(xiàn)表達(dá)式：

式中：εult為砂土液化后q-εd曲線(xiàn)上的應(yīng)變漸近值;Gi為砂土液化后q-εd曲線(xiàn)上應(yīng)變?yōu)棣?時(shí)的切線(xiàn)模量。因此，在強(qiáng)度恢復(fù)階段的總應(yīng)變?chǔ)艦椋?/p>

3.2模型驗(yàn)證

以曲線(xiàn)2、4、5、6的數(shù)據(jù)進(jìn)行二階段模型適應(yīng)性的驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知預(yù)測(cè)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)能較好地重合，在強(qiáng)度恢復(fù)段二者的誤差較?。辉诘蛷?qiáng)度段，模型值預(yù)測(cè)其零有效應(yīng)力時(shí)的軸向應(yīng)變?chǔ)?，因?yàn)樵嚇釉谠撾A段基本處于流體狀態(tài)，幾乎沒(méi)有抗剪切能力，對(duì)極小的應(yīng)力都能產(chǎn)生較大的變形，應(yīng)力變化無(wú)法體現(xiàn)試樣的快速變化，因此在某個(gè)極小的應(yīng)力區(qū)間內(nèi)可完成零有效應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變過(guò)程。王艷麗等[5]給出了應(yīng)力區(qū)間為0～5kPa，認(rèn)為在5kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變就是低強(qiáng)度段向強(qiáng)度恢復(fù)段過(guò)渡的臨界點(diǎn)。在強(qiáng)度恢復(fù)段，隨著變形的發(fā)展，剪脹作用使超靜孔隙水壓力下降，壓縮水向自由水轉(zhuǎn)變，有效應(yīng)力增加，試樣強(qiáng)度也逐漸得到恢復(fù)，應(yīng)變發(fā)展與加載應(yīng)力有關(guān)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系適用試樣液化前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此該階段可用雙曲線(xiàn)模型進(jìn)行擬合。雙曲線(xiàn)模型只考慮強(qiáng)度恢復(fù)階段的數(shù)據(jù)點(diǎn)，無(wú)需考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體性，因此擬合的效果要高于文獻(xiàn)[5]中的驗(yàn)證效果。因此，本文提出的二階段本構(gòu)模型對(duì)杭州灣粉質(zhì)土液化后的變形特性有較好的適應(yīng)性。

圖5　預(yù)測(cè)曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)(f=1 Hz,σ 3c=50 kPa) Fig.5　Test and predicted curves (f=1 Hz,σ 3c=50 kPa)

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究杭州灣粉質(zhì)土液化后的強(qiáng)度和大變形特性，初步探討振動(dòng)頻率、圍壓、前期最大軸向應(yīng)變對(duì)大變形特性的影響因素，提出杭州灣粉質(zhì)土液化后的二階段本構(gòu)模型，模型驗(yàn)證較為吻合。由于粉質(zhì)土液化后零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變處于主導(dǎo)地位，本文只考慮前期最大軸向應(yīng)變的影響，其他振動(dòng)頻率、圍壓等參數(shù)對(duì)零有效應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變的影響程度和量化還有待研究。

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