孟凡麗，黃　聰，鄭　棋

(1．浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014; 2．浙江省送變電工程公司，浙江 杭州 310020)

細(xì)粒對(duì)杭州飽和粉土動(dòng)力特性的影響

孟凡麗1，黃聰1，鄭棋2

(1．浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014; 2．浙江省送變電工程公司，浙江 杭州 310020)

摘要：通過杭州地區(qū)的典型飽和粉土的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究飽和粉土中細(xì)粒對(duì)粉土動(dòng)力特性的影響.研究結(jié)果顯示：粘粒質(zhì)量變化對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度影響顯著，但其影響并不是隨著粘粒質(zhì)量的增加單向增長，而是在粘粒達(dá)到或接近12%左右時(shí)表現(xiàn)出的動(dòng)強(qiáng)度最低，并在此區(qū)域有臨界點(diǎn)出現(xiàn)；粉粒質(zhì)量變化對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響則是呈單調(diào)關(guān)系，即粉土動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著粉粒質(zhì)量的增加而增大；細(xì)粒對(duì)粉土的孔壓發(fā)展影響明顯，在孔壓發(fā)展的初始階段粘粒質(zhì)量占12%時(shí)增量最顯著.

關(guān)鍵詞：飽和粉土；粘粒；粉粒；動(dòng)強(qiáng)度；動(dòng)孔壓

粉土液化問題一直是國內(nèi)外學(xué)者近期研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，由于粉土顆粒組成的特殊性，使得粉土液化的影響因素比砂土更復(fù)雜，特別是細(xì)粒變化會(huì)對(duì)粉土液化產(chǎn)生影響這一事實(shí)隨著研究的深入已經(jīng)被人們逐漸認(rèn)識(shí).Polito等[1]利用粉土和砂相混合的重塑土樣做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒以及其相對(duì)密度對(duì)液化強(qiáng)度有很大影響；阮永芬等[2-4]選取密度和粘粒各不相同的飽和粉土進(jìn)行動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：粘粒質(zhì)量增加，動(dòng)強(qiáng)度也隨著相應(yīng)增強(qiáng)，也就是隨著粉土中粘粒的變化，粉土的動(dòng)強(qiáng)度會(huì)而呈單調(diào)變化；羅強(qiáng)等[5]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飽和粉土的細(xì)粒質(zhì)量在45%～55%之間時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)強(qiáng)度的最低值，粉土的動(dòng)強(qiáng)度并不隨細(xì)粒的增加或減少而單調(diào)增減；丁志宇等[6]制作出4種不同細(xì)粒質(zhì)量的重塑粉土進(jìn)行動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，粉土的動(dòng)剪切強(qiáng)度隨著細(xì)粒質(zhì)量的增加而增大；牛琪瑛等[7]研究了粘粒含量不同的重塑粉土的動(dòng)剪應(yīng)力比與粘粒含量的關(guān)系，曹成林等[8]通過則對(duì)黃河三角洲地區(qū)的飽和粉土進(jìn)行類似研究.上述研究都是重點(diǎn)考慮粘粒和細(xì)粒的單一影響，實(shí)際上細(xì)粒包含粘粒和粉粒兩部分，這兩個(gè)的相對(duì)比例會(huì)影響土的動(dòng)力特性.

不同地區(qū)的粉土都有其獨(dú)有的特性，關(guān)于杭州地區(qū)飽和粉土的動(dòng)力特性的研究，主要集中在振動(dòng)頻率和應(yīng)力條件的改變上，孟凡麗等[9]模擬波浪荷載對(duì)杭州灣地區(qū)廣泛分布的飽和粉土動(dòng)力特性進(jìn)行了研究；朱小可等[10]研究了低圍壓、小頻率的循環(huán)荷載對(duì)杭州灣區(qū)域的近海粉土動(dòng)力響應(yīng)的影響；劉延志等[11]對(duì)杭州粉土的各向異性進(jìn)行了探討，但有關(guān)杭州飽和粉土的細(xì)粒對(duì)其動(dòng)力特性的研究較少，因此針對(duì)杭州飽和粉土，研究地鐵列車動(dòng)荷載作用下的細(xì)粒質(zhì)量變化對(duì)飽和粉土動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)孔壓的影響，探尋不同比例的粘粒和粉粒對(duì)粉土動(dòng)力特性的影響.

1試驗(yàn)概況

在研究粘粒質(zhì)量變化對(duì)杭州飽和粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響時(shí)，試驗(yàn)選用重塑粉土，土樣的砂粒保持為20%不變，粘粒和粉?？偤捅３?0%不變，然后將粘粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fc分別配置為6%，9%，12%，15%，后期還補(bǔ)充了粘粒分別為11%和13%的試驗(yàn)試樣；在研究粉粒質(zhì)量變化對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響程度時(shí)，土樣保持粘粒為15%，粉粒和砂?？偤蜑?5%，分別調(diào)配粉粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ff為45%，55%，65%，75%.三種用于調(diào)配土樣的原料土粒徑分布如表1所示.

表1　原料土的粒徑組成

試驗(yàn)的重塑試樣采用φ39.1 mm×80 mm規(guī)格，設(shè)定土樣控制干密度為1.497 g/cm3，按試驗(yàn)土樣中的3種不同粒徑計(jì)算出該配制土樣總的砂粒、粉粒、粘粒的質(zhì)量，然后將3種土料稱好后充分混合，加水拌合均勻，分5層壓實(shí)制樣，各組試驗(yàn)土樣的粒徑分布如表2所示.

表2　試驗(yàn)土樣粒徑組成

本試驗(yàn)使用的是TAJ-20土動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)，其主要用于黃土、粉土、粘性土、砂土等的的動(dòng)強(qiáng)度、液化、模量、振陷試驗(yàn)，能夠進(jìn)行軸向靜力與動(dòng)力加載，也可進(jìn)行軸向與徑向雙向耦合(不同相位關(guān)系)的靜力與動(dòng)力加載條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)中雙各向荷載的幅值、波形、相位、剪切波速或者試驗(yàn)頻率可由微機(jī)獨(dú)立控制；動(dòng)力試驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)規(guī)則波(正弦波、三角波、方波、斜波)和給定時(shí)程的隨機(jī)波加載過程.

地鐵列車行車荷載具有周期性循環(huán)施加的特點(diǎn)，屬于低頻往返荷載，相關(guān)研究者通常都將地鐵列車行車荷載統(tǒng)一簡化為線性諧荷載，也就是用正弦波動(dòng)荷載來簡化，振動(dòng)頻率通常選用1 Hz.本研究試驗(yàn)采用固結(jié)不排水的試驗(yàn)方法，固結(jié)應(yīng)力比選定為1.0，周圍壓力分別設(shè)定為100，150，200 kPa，孔壓消散到達(dá)95%以上視為固結(jié)穩(wěn)定，進(jìn)行不排水振動(dòng)試驗(yàn)，動(dòng)應(yīng)力施加采用頻率為1 Hz的正弦波動(dòng)荷載，記錄動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)孔壓與振動(dòng)周次的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，試驗(yàn)的破壞標(biāo)準(zhǔn)選擇動(dòng)應(yīng)變控制，即軸向動(dòng)應(yīng)變峰值達(dá)5%時(shí)作為試樣破壞條件.

2細(xì)粒對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響

2.1粘粒對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響

本研究首先進(jìn)行了6種含不同質(zhì)量的粘粒的粉土土樣在3種圍壓下的試驗(yàn)，目的是為了尋找粘粒質(zhì)量增加對(duì)飽和粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示：粘粒質(zhì)量相同時(shí)，相同固結(jié)比條件下圍壓增大，試樣的動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)顯著增強(qiáng)；而當(dāng)試樣在相同圍壓和固結(jié)比條件下，試樣粘粒質(zhì)量變化與其動(dòng)強(qiáng)度之間不再呈現(xiàn)單調(diào)增減趨勢，而是土樣的動(dòng)強(qiáng)度有最低值出現(xiàn)，此時(shí)粉土試樣中的粘粒質(zhì)量占12%.為了確認(rèn)在此位置是否存在臨界最低點(diǎn)，特進(jìn)行粘粒為11%和13%兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1.圍壓不變，粉土動(dòng)強(qiáng)度明顯受到粘粒增減的影響，但這種影響并不是單一的增加或減小，當(dāng)粉土中粘粒在6%～12%區(qū)段時(shí)，其動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著粘粒的增加而降低，當(dāng)粉土中粘粒在12%～15%區(qū)段時(shí)，土體中粘粒增加，粉土土樣的動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨之提高，而粘粒為12%的時(shí)候，該組飽和粉土土樣的動(dòng)強(qiáng)度最低，因此存在粘粒質(zhì)量變化對(duì)動(dòng)強(qiáng)度影響的一個(gè)明顯的臨界拐點(diǎn).

圖1　不同粘粒粉土的動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.1　Dynamic strength curve of different clay content

2.2粉粒對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度的影響

在粉土顆粒組成中粉粒是主要部分，粉粒質(zhì)量的變化對(duì)飽和粉土的動(dòng)強(qiáng)度影響也很值得關(guān)注，試驗(yàn)設(shè)定土樣中粘粒質(zhì)量固定為15%，配置了粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為45%，55%，65%，75%的四組試樣，對(duì)應(yīng)的砂粒從40%減少到10%.在100，150，200 kPa圍壓條件下進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn).

圖2　不同粉粒粉土的動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2　Dynamic strength curve of different silt content

圖2為不同圍壓下不同粉粒粉土的動(dòng)強(qiáng)度與破壞振次的關(guān)系曲線，結(jié)果顯示：飽和粉土的粉粒從45%變化到75%，其動(dòng)強(qiáng)度隨著粉粒質(zhì)量的增加而明顯增大，并呈現(xiàn)單調(diào)增長趨勢.粉粒質(zhì)量變化對(duì)粉土動(dòng)強(qiáng)度的這種影響，可以從粉土的粒徑組成來解釋，由于粉粒的增加，砂粒則相對(duì)減少，在單位體積中粉粒顆粒所占據(jù)的體積會(huì)變大，因粉粒顆粒粒徑比砂粒小，所以粉粒替代砂粒后，土樣中顆粒間隙也會(huì)變小，顆粒接觸比之前要緊密，粉粒對(duì)土樣液化所起的阻礙作用也會(huì)越明顯，粉土的動(dòng)強(qiáng)度也隨之逐漸增加，因此粉粒質(zhì)量的增加會(huì)使粉土的動(dòng)強(qiáng)度也隨之增長，而且這種影響是隨著粉粒質(zhì)量的增加單調(diào)增長的.

3細(xì)粒對(duì)粉土動(dòng)孔壓的影響

為了進(jìn)一步研究粉土中細(xì)粒變化對(duì)其動(dòng)孔壓的影響，我們對(duì)不同粘粒和粉粒的粉土的振動(dòng)孔壓發(fā)展數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將每個(gè)振動(dòng)周期中孔隙水壓力的峰值作為該周期內(nèi)的能達(dá)到的孔壓值，然后繪制孔壓比與振次比的關(guān)系曲線，如圖3，4所示，從而得到等壓固結(jié)條件下細(xì)粒變化對(duì)粉土動(dòng)孔壓發(fā)展的影響趨勢曲線.

圖3　150 kPa圍壓下不同粘粒的動(dòng)孔壓發(fā)展曲線Fig.3　The curve of dynamic pore water pressure of silt under 150 kPa confining pressure

圖4　200　kPa圍壓下不同粉粒的動(dòng)孔壓發(fā)展曲線Fig.4　The curve of dynamic pore water pressure of silt under 200 kPa confining pressure

不同粘粒的粉土孔壓發(fā)展全過程如圖3所示，試樣在動(dòng)荷載施加后的前期，其振動(dòng)孔壓會(huì)迅速增加，隨后增速會(huì)變緩，最后逐漸趨于平穩(wěn).具體表現(xiàn)在N/Nf為0～0.2段區(qū)域內(nèi)，不同粘粒粉土的孔壓迅速上升，其孔壓比增加值達(dá)到0.44～0.65，其中粘粒為12%的粉土其動(dòng)孔壓比增量最大(0.65)；粘粒為15%的粉土其增量最小(0.44).隨后振動(dòng)孔壓的發(fā)展較之前變慢，直至達(dá)到一定的穩(wěn)定值.其中粘粒為6%，9%，11%，12%，13%的粉土的最終孔壓值基本都能達(dá)到圍壓的98%以上，而粘粒為15%的粉土的最終孔壓值只有圍壓的93%左右.

當(dāng)粘粒質(zhì)量固定為15%時(shí)，粉粒不同的土樣的孔壓發(fā)展形態(tài)基本一致，全過程見圖4，動(dòng)荷載施加的初期，在短時(shí)間內(nèi)其振動(dòng)孔壓會(huì)迅速增加，然后隨著時(shí)間的推移增加速率會(huì)變緩，最后逐漸趨于平穩(wěn).圖4中N/Nf為0～0.2這段區(qū)域內(nèi)，試樣中的動(dòng)孔壓上升迅速，孔壓比達(dá)到0.4～0.8，其中粉粒質(zhì)量為75%的粉土動(dòng)孔壓比增量最快；粉粒為55%的粉土其增量相對(duì)小；隨后振動(dòng)孔壓的發(fā)展較之前變慢，直至達(dá)到一定的穩(wěn)定值.

曾長女等通過對(duì)粉土等壓固結(jié)時(shí)振動(dòng)孔壓發(fā)展的曲線擬合，得出了粉土孔壓發(fā)展模型，即

(1)

式中：ud為振動(dòng)N次的孔壓；為試樣的初始有效圍壓；Nf為試樣破壞循環(huán)次數(shù)；a，b分別為曲線擬合參數(shù)[12].

為了驗(yàn)證該模型對(duì)本研究的杭州粉土動(dòng)孔壓發(fā)展的適用性，利用式(1)進(jìn)行本試驗(yàn)動(dòng)孔壓發(fā)展的曲線擬合，驗(yàn)證擬合系數(shù)的取值與細(xì)粒的關(guān)系，其擬合結(jié)果如表3所示.

表3　不同細(xì)粒粉土的振動(dòng)孔壓發(fā)展模型擬合結(jié)果

由表3擬合結(jié)果可知：杭州飽和粉土在不同細(xì)粒條件下的振動(dòng)孔壓發(fā)展模式，可以利用曾長女提出的孔壓發(fā)展模式來描述,同時(shí)結(jié)果顯示，細(xì)粒質(zhì)量的變化直接影響系數(shù)a和b的取值，特別是值的變化更加顯著.

4結(jié)論

綜上所述，杭州飽和粉土的動(dòng)力特性受細(xì)粒變化的影響是比較顯著的，特別是粉土的動(dòng)強(qiáng)度受粘粒質(zhì)量變化的影響較大,在粘粒質(zhì)量增加時(shí)，粉土的動(dòng)強(qiáng)度并不隨著粘粒的增加呈現(xiàn)單調(diào)增大或減小，而是在粘粒質(zhì)量達(dá)12%時(shí)最低，其中當(dāng)粘粒質(zhì)量在6%～12%區(qū)間時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著粘粒質(zhì)量的增加而減小，而當(dāng)粉土中粘粒質(zhì)量在12%～15%區(qū)間時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度則隨著粘粒質(zhì)量的增加而變大，拐點(diǎn)狀態(tài)出現(xiàn)在粘粒占12%的位置，其動(dòng)強(qiáng)度最小，試驗(yàn)證明此點(diǎn)應(yīng)是粘粒質(zhì)量和動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線中一個(gè)特定的臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是在粉土中存在一個(gè)粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)點(diǎn)，當(dāng)飽和粉土中的粘粒接近或達(dá)到該值時(shí)，粉土的動(dòng)強(qiáng)度會(huì)接近或達(dá)到最低值，此時(shí)粉土最易液化；不同粉粒的飽和粉土的動(dòng)三軸試驗(yàn)顯示，飽和粉土液化中粉粒質(zhì)量變化起著非常重要的作用，當(dāng)粉粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為45%，55%，65%，75%時(shí)，粉土的動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著粉粒質(zhì)量增加而變大，并呈現(xiàn)出單調(diào)增長的趨勢；另外，細(xì)粒質(zhì)量變化同樣影響粉土的動(dòng)孔壓發(fā)展，不同粘粒的粉土動(dòng)孔壓發(fā)展顯示，在振動(dòng)初始階段，粘粒占比增加，其動(dòng)孔壓比增量會(huì)增加，但并不單向增長，在粘粒為12%時(shí)增量達(dá)到最大，然后隨著粘粒質(zhì)量的增加反而開始下降；而不同粉粒的粉土試樣的動(dòng)孔壓發(fā)展，在振動(dòng)初期，孔壓比都會(huì)迅速上升，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，動(dòng)孔壓比上升速度越快.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

Influence of fine particles on dynamic characteristics of saturated silt in Hangzhou

MENG Fanli1, HUANG Cong1, ZHENG Qi2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang Transmission and Transformation Engineering Company, Hangzhou 310020, China)

Abstract:Through a series of dynamic triaxial tests on typical saturated silt in Hangzhou, the influence of fine particles on the dynamic characteristics of silt is studied. The results show that the dynamic strength is significantly influenced by the clay content, but it does not increase monotonically with the increase of the clay content. When the clay content is around 12%, the dynamic strength reaches the lowest value and there is a critical point in this range. The effect of the variation in the silt content on the dynamic strength of powder soil is monotonous, i.e., the dynamic strength of power silt increases with the increase of the silt content. The effect of fine particles on the development of the pore water pressure in silt is significant and the percent increase is the largest at the clay content of 12% in the initial development stage of pore pressure.

Keywords:saturated silt; clay particle; silt particle; dynamic strength; pore water pressure

收稿日期：2015-12-10

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳基金資助項(xiàng)目(2013C31034)

作者簡介：孟凡麗(1969—)，女，遼寧錦州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閹r土工程，E-mail:zgdmfl@126.com．

中圖分類號(hào)：TU435

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)03-0300-05