高廣運(yùn),聶春曉,顧曉強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

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砂土震陷室內(nèi)試驗(yàn)研究綜述

高廣運(yùn)1,2,聶春曉1,2,顧曉強(qiáng)1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

室內(nèi)試驗(yàn)是研究砂土震陷的重要方法,綜述了國(guó)內(nèi)外砂土震陷室內(nèi)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展,介紹了砂土震陷試驗(yàn)原理,分類簡(jiǎn)述了試驗(yàn)儀器的適用范圍和特點(diǎn),對(duì)各種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行了比較和評(píng)述。分析了室內(nèi)試驗(yàn)的內(nèi)在因素(砂土特性)和外在因素(荷載特性)對(duì)砂土震陷的影響。最后指出場(chǎng)地震陷預(yù)測(cè)、荷載多維性、荷載方向性、砂土組成特性等方面研究存在的不足,為以后的研究提供參考。

砂土震陷;室內(nèi)試驗(yàn);試驗(yàn)方法;砂土特性;荷載特性

地震引起的土體變形一般包括土體液化后大變形和尚未液化時(shí)產(chǎn)生的永久變形,其中水平變形在土體存在初始剪應(yīng)力時(shí)較為明顯。對(duì)于土體結(jié)構(gòu)(如邊坡、大壩等)的地震失穩(wěn)問題,往往關(guān)注水平變形,若土體結(jié)構(gòu)在地震荷載下未發(fā)生水平變形破壞,豎向變形成為關(guān)注的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土體液化研究較多,對(duì)液化變形的機(jī)理認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)方法有了較大的進(jìn)展,但少有關(guān)注尚未液化的土體變形,包括黏土在循環(huán)荷載作用下的軟化及砂土震陷。砂土震陷(seismic compression)主要指非飽和砂土受地震荷載作用,尚未引起液化,但砂土在循環(huán)震動(dòng)下土顆粒重新排列,孔隙減小,砂土逐步密實(shí),從而引起地面的沉陷。它是地震作用引起地面沉降的一種類型,區(qū)別于受到廣泛研究的“液化后沉降”(post-liquefaction settlement)。

震害調(diào)查表明砂土震陷是造成建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)施破壞的關(guān)鍵因素之一[1]。當(dāng)前,工程實(shí)踐對(duì)震陷的評(píng)估與計(jì)算提出了越來越高的要求,如加州地質(zhì)調(diào)查局指出在學(xué)校、醫(yī)院等一些重要建筑設(shè)施設(shè)計(jì)前必須進(jìn)行場(chǎng)地的震陷分析與評(píng)估[2]。

目前砂土震陷計(jì)算方法包括數(shù)值方法及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒?其中數(shù)值方法主要基于彈塑性模型,利用動(dòng)力Biot固結(jié)方程求解,但目前描述土體動(dòng)力特性的本構(gòu)模型尚不成熟;經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ㄍㄟ^室內(nèi)試驗(yàn)得到循環(huán)荷載引起的殘余變形,建立殘余變形與應(yīng)力、振動(dòng)周數(shù)等之間的經(jīng)驗(yàn)公式,成為應(yīng)用較為廣泛的方法。

綜上所述,進(jìn)行砂土震陷的室內(nèi)研究具有重要意義。本文對(duì)砂土震陷的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法和儀器、影響震陷的試驗(yàn)因素進(jìn)行總結(jié),指出砂土震陷室內(nèi)試驗(yàn)的研究進(jìn)展、存在的不足及可能的發(fā)展方向。

1 試驗(yàn)原理

砂土震陷室內(nèi)試驗(yàn)包括土體單元試驗(yàn)和模型試驗(yàn),常用的儀器有動(dòng)單剪儀、動(dòng)三軸儀及振動(dòng)臺(tái)等。

土體單元在尚未受到地震作用時(shí),通常假定其處于靜止土壓力狀態(tài),地震發(fā)生后,向上傳播的剪切波在土體中產(chǎn)生的不規(guī)則或循環(huán)動(dòng)應(yīng)力作用于土體單元。據(jù)此原理,在動(dòng)單剪試驗(yàn)中,在試樣上部施加豎向壓力,水平向施加剪切力,模擬土體受到地震荷載或其他循環(huán)荷載的作用。砂土震陷振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的應(yīng)力條件和動(dòng)單剪試驗(yàn)類似,水平荷載是以剪切波的形式向上傳播,在豎向施加恒定靜載或動(dòng)載。

雙向激振動(dòng)三軸試驗(yàn)的土樣除受圍壓σ0,在水平向和豎向還交替受到大小為σd/2(σd為豎向動(dòng)應(yīng)力)的動(dòng)荷載,土樣的45°斜面上產(chǎn)生的正應(yīng)力始終維持σ0不變,而動(dòng)剪應(yīng)力值為正負(fù)交替的σd/2。單向激振三軸原理和雙向激振類似,在土樣豎向施加動(dòng)應(yīng)力σd,此時(shí)在土樣45°斜面上產(chǎn)生的正應(yīng)力為σ0±σd/2,動(dòng)剪應(yīng)力為正負(fù)交替的σd/2。

2 試驗(yàn)儀器

2.1 動(dòng)單剪儀

動(dòng)單剪儀的土體試驗(yàn)盒是由多張光滑金屬圓形薄片疊加而成,金屬薄片之間可以自由滑動(dòng),因此試樣盒中土體受到水平剪切作用時(shí),可以確保土體各點(diǎn)所受的剪切應(yīng)變基本均勻,接近于純剪作用。動(dòng)單剪儀適用于模擬天然土層在剪應(yīng)力下的各種變形,可較好地模擬地震作用,此外它還可以研究振幅、循環(huán)周數(shù)、荷載類型等因素對(duì)震陷的影響[3]。動(dòng)單剪儀可分為單向動(dòng)單剪儀、雙向動(dòng)單剪儀以及三向動(dòng)單剪儀,分別表示該儀器可以單向、雙向、三向激振。雙向動(dòng)單剪儀構(gòu)造見圖1[4],試樣放置在儀器中央,多片圓環(huán)疊加組成試樣盒。試樣盒上部與兩個(gè)馬達(dá)相連,兩馬達(dá)施加荷載方向垂直。試樣盒下部與第三個(gè)加載裝置相連。單向、三向動(dòng)單剪儀構(gòu)造和工作原理與雙向動(dòng)單剪儀類似。

圖1 雙向動(dòng)單剪儀構(gòu)造

2.2 動(dòng)三軸儀

動(dòng)三軸儀可較好地控制軸向壓力及監(jiān)測(cè)試樣孔壓變化,因此多用于液化特性研究或孔壓變化引起的震陷研究[5]。動(dòng)三軸儀(圖2[6])可以分為單向激振式和雙向激振式兩種。單向激振式動(dòng)三軸儀是將試樣所受的水平軸向應(yīng)力保持靜態(tài)恒定,通過周期性改變豎向軸壓的大小,使土樣在軸向經(jīng)受循環(huán)變化的大主應(yīng)力,從而使土樣產(chǎn)生相應(yīng)的循環(huán)變化的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。雙向激振式動(dòng)三軸儀通過同時(shí)控制豎向軸應(yīng)力和水平軸應(yīng)力施加動(dòng)荷載,但二者施加動(dòng)荷載的相位差為180°。在三軸試驗(yàn)中,可以改變豎向偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓的同相位及異相位的耦合方式,實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)力路徑。

圖2 動(dòng)三軸儀(單位：cm)

2.3 振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的難點(diǎn)之一是保證模型與原型的相似性。砂土震陷的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)需要借助振動(dòng)臺(tái)上的試樣模型箱完成,因此模型箱的設(shè)計(jì)也是試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)之一。借助振動(dòng)臺(tái)可以完成多維荷載和不同類型荷載的砂土震陷模型試驗(yàn),如Pyke等[7]完成了多向振動(dòng)下砂土的變形研究。目前振動(dòng)臺(tái)可以獨(dú)立完成三維振動(dòng),但由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞南拗?試驗(yàn)通常在一個(gè)水平向和一個(gè)豎直向施加動(dòng)荷載,限定另一水平向位移。圖3是Chang[8]進(jìn)行雙向不排水剪切試驗(yàn)的模型裝置,下部為振動(dòng)臺(tái),上部是層狀土體模型盒,模型盒用一定厚度的方形中空的金屬結(jié)構(gòu)疊加而成,疊層間光滑,可以水平自由滑動(dòng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加,位移時(shí)程曲線幅值基本保持不變,剪應(yīng)變時(shí)程曲線幅值減小。袁曉銘等[9]在大型振動(dòng)臺(tái)上采用縮尺比為1∶4的模型研究軟弱地基上建筑物的不均勻沉降,以砂箱代表地基土,上面放置兩層建筑模型,主要研究地震波的不規(guī)則性引起的不均勻沉降。

采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究震陷工作量大、繁雜,需要考慮模型相似性、邊界條件等,試驗(yàn)過程相對(duì)復(fù)雜。

圖3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

3 試驗(yàn)方法

3.1 加載維數(shù)

目前震陷研究已從最初的一維加載拓展到二維和三維加載。在震陷研究的早期,由于理論知識(shí)不足和試驗(yàn)設(shè)備功能限制,主要研究單向荷載作用震陷,但因?qū)嶋H地震是多維震動(dòng),研究逐漸變?yōu)樗诫p向荷載作用下的震陷。如Pyke等[7]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水平雙向振動(dòng)產(chǎn)生的震陷量大約是單一水平方向震陷量的2倍,因此采用水平一維震陷量的2倍來計(jì)算水平二維震陷量,該結(jié)論被眾多學(xué)者采用[10-12]。另有學(xué)者對(duì)水平震陷時(shí)產(chǎn)生的孔壓、應(yīng)力等進(jìn)行研究,Seed等[13]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)得到干砂震陷結(jié)果和干砂循環(huán)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù),以此評(píng)估飽和砂土在多向振動(dòng)下的液化特性,認(rèn)為雙向荷載下超孔隙水壓力累積速度是單向荷載時(shí)的2倍。Ishihara等[4]研究發(fā)現(xiàn),同等條件下產(chǎn)生5%的剪切應(yīng)變,雙向等幅荷載產(chǎn)生的應(yīng)力比為單向加載的70%。后續(xù)研究表明,產(chǎn)生3%～5%的剪切應(yīng)變,在砂土相對(duì)密度分別為45%、75%、95%時(shí),多向振動(dòng)的剪應(yīng)力比是單向的155%、145%、90%[14]。即2倍的轉(zhuǎn)化關(guān)系并非適用于所有情況,土質(zhì)不同，荷載形式和大小不同,轉(zhuǎn)化的關(guān)系也會(huì)不同。Matsuda等[15]研究發(fā)現(xiàn),水平雙向震陷量是水平單向震陷量的1.5～2倍，Wichtmann等[16]研究發(fā)現(xiàn),雙向加載累積變形速率大于單向的2倍。但到目前為止,尚沒有較為準(zhǔn)確的計(jì)算砂土多維震陷的方法。

目前對(duì)三維震陷的研究較少,主要是受試驗(yàn)設(shè)備的限制,且以往研究認(rèn)為豎向地震荷載對(duì)砂土震陷影響較小。Whitman等[17]研究發(fā)現(xiàn)在單獨(dú)施加小于1g(g=9.81 m/s2)的豎向地震加速度,土體不會(huì)發(fā)生震陷,因此,認(rèn)為在地震峰值加速度小于1g時(shí)可以不考慮豎向振動(dòng)。在試驗(yàn)儀器方面,對(duì)震陷的研究以單元試驗(yàn)為主,多采用動(dòng)單剪儀進(jìn)行試驗(yàn),傳統(tǒng)儀器僅可施加水平雙向動(dòng)荷載。而在借助振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),由于試樣盒通常需要在一個(gè)方向上固定,試驗(yàn)時(shí)施加一個(gè)水平向和一個(gè)豎向的動(dòng)荷載,所以三向振動(dòng)的試驗(yàn)較少。但也有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了探索,如Pyke[7]借助振動(dòng)臺(tái)完成了復(fù)雜三維振動(dòng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)豎向震動(dòng)和水平向震動(dòng)疊加引起的震陷量遠(yuǎn)大于僅有水平向震動(dòng)的情況。豎向和水平向震動(dòng)疊加會(huì)發(fā)生耦合,但耦合的原理和不同耦合情況產(chǎn)生的震陷量目前尚不清楚。

3.2 荷載類型

荷載類型主要有三角波、正弦波、地震波3種。三角波形式較為簡(jiǎn)單,Silver 等[3]在早年采用三角波進(jìn)行了震陷研究?，F(xiàn)常用的荷載形式為正弦波和地震波。正弦波的周期特性、振幅特性明顯,適合基本性質(zhì)的研究,研究者可以按照試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。此外，通過等效作用把地震波等效為正弦波后,通過設(shè)定正弦波周期、振幅和循環(huán)周數(shù)可以近似反映地震波的周期、振幅和持時(shí)特點(diǎn)。

地震波是最真實(shí)的荷載形式,具有獨(dú)特的振幅、頻率特性,因此許多學(xué)者對(duì)某些具有特點(diǎn)的地震波進(jìn)行了分析。Ishihara 等[5]采用動(dòng)三軸儀研究地震荷載下飽和砂土的液化特性,試驗(yàn)時(shí)把地震波分成沖擊型地震波和振動(dòng)型地震波。分析發(fā)現(xiàn),振動(dòng)型地震波在任意荷載下產(chǎn)生的應(yīng)力比小于沖擊型地震波。袁曉銘等[9]研究地震波序?qū)ν馏w應(yīng)變的影響,在三軸試驗(yàn)中對(duì)地震波進(jìn)行正向時(shí)程、反向時(shí)程、逆向時(shí)程加載,發(fā)現(xiàn)大的應(yīng)力沖擊產(chǎn)生的變形明顯。陳青生等[18]研究了振動(dòng)型和沖擊型地震波的特性以及其對(duì)干砂震陷產(chǎn)生的差異,認(rèn)為在同一砂土相對(duì)密度和上覆荷載條件下,砂土震陷主要由最大地震荷載峰值之前的各個(gè)較大峰值地震波引起。孟凡超等[19]借助動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真實(shí)地震荷載下土的變形發(fā)展與等幅正弦荷載明顯不同,并不是所有的脈沖對(duì)變形發(fā)展都有貢獻(xiàn),土體變形增長(zhǎng)對(duì)大脈沖荷載更敏感,峰值前脈沖對(duì)土體最終應(yīng)變貢獻(xiàn)顯著,峰值后貢獻(xiàn)明顯減小。

因地震波的各向異性,對(duì)地震波的分類比較困難,很多分類方法都比較粗略,震陷的研究系統(tǒng)性較差。試驗(yàn)得出的研究成果受地震特性(地震峰值、地震沖擊作用、地震類型、地震波形態(tài)、地震持時(shí)等)影響,但因地震波的不規(guī)則性,這些地震特性很難通過標(biāo)準(zhǔn)化的方式描述。因此地震荷載作用的震陷研究是難點(diǎn)之一。

3.3 加載控制條件

目前采用室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行震陷研究的控制條件一般有應(yīng)力控制、應(yīng)變控制、剪應(yīng)力比控制、加速度控制。采用應(yīng)力控制條件的試驗(yàn)多為三軸試驗(yàn)[6,19-20],也有少量學(xué)者用應(yīng)力作為動(dòng)單剪儀試驗(yàn)的控制條件[4],在采用動(dòng)單剪儀進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)大多采用應(yīng)變控制[3,14-16,18,21-25]。研究表明，采用應(yīng)力控制研究砂土在不排水條件下的特性時(shí),試樣的準(zhǔn)備過程會(huì)極大地影響試驗(yàn)結(jié)果[26-27];而采用應(yīng)變控制研究砂土液化特性時(shí)引起的差異很小[28]。此外對(duì)于松砂試樣,因其相對(duì)密度小,剛度小,更易采用應(yīng)變控制。剪應(yīng)力比是循環(huán)剪應(yīng)力與豎向壓力的比值,常用來表示土體液化能力大小,采用剪應(yīng)力比控制的優(yōu)勢(shì)是消除了試驗(yàn)過程中土體應(yīng)力隨試樣高度變化產(chǎn)生的不均勻性[29]。加速度控制在動(dòng)三軸試驗(yàn)[5]和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[7-8]中都有使用,研究地震波對(duì)震陷影響的試驗(yàn)多采用加速度控制。振動(dòng)臺(tái)多用來模擬真實(shí)地震對(duì)土體的影響,試驗(yàn)時(shí)常采用加速度控制。

4 砂土震陷的室內(nèi)試驗(yàn)影響因素

4.1 土體因素

4.1.1 相對(duì)密度

相對(duì)密度是影響砂土震陷的關(guān)鍵因素,砂土的相對(duì)密度越小,孔隙率越大,土體被壓縮的潛力越大,在地震荷載作用下體應(yīng)變?cè)酱?反之亦然。Tokimatsu等[30]通過試驗(yàn)初步確定震陷量的計(jì)算方法,在確定砂土震陷量大小的過程中,相對(duì)密度是控制因素之一,對(duì)震陷的分析起關(guān)鍵作用。Duku等[24]研究?jī)羯霸谘h(huán)荷載作用下的體應(yīng)變特性時(shí),重點(diǎn)研究了凈砂的組成因素和環(huán)境因素影響,在組成因素中影響砂土產(chǎn)生動(dòng)力壓縮的關(guān)鍵因素是相對(duì)密度。其他人的研究也證明了這一結(jié)論[2，3，21]。

4.1.2 土體類型

土體類型對(duì)震陷影響的研究較少,現(xiàn)有的研究認(rèn)為其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響,但不明顯。Matsuda等[15]研究了日本豐浦砂、日本玄海町砂和粒狀高爐礦渣3種不同材料在地震后的豎向應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明,兩種天然砂土在荷載作用下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力特性相近；和天然砂土相比,粒狀高爐礦渣在循環(huán)荷載下會(huì)有較小的豎向應(yīng)力和豎向應(yīng)變。Duku等[24]研究了16種凈砂在循環(huán)荷載下的體積變化特性,發(fā)現(xiàn)砂土的級(jí)配參數(shù)、顆粒棱角、土體組織、礦物成分、孔隙比對(duì)震陷的影響較小。

4.1.3 上覆壓力

有關(guān)上覆壓力對(duì)震陷影響的認(rèn)識(shí)是一個(gè)緩慢的過程,Silver等[3]、Youd[21]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)上覆壓力對(duì)震陷的影響很小,可忽略。但Duku等[24]研究循環(huán)荷載下凈砂的體應(yīng)變時(shí)(試驗(yàn)過程與Silver等[3]、Youd[21]相同),當(dāng)上覆壓力從50.65kPa逐級(jí)變化到405.20 kPa凈砂體應(yīng)變迅速減小。Duku等[24]認(rèn)為上覆壓力增大會(huì)使砂土的壓縮模量變大,產(chǎn)生更小的體應(yīng)變,Stewart等[31]也在試驗(yàn)中證明了增大上覆壓力會(huì)減小震陷的結(jié)論。

4.1.4 細(xì)顆粒含量

砂土的細(xì)顆粒含量對(duì)砂土震陷有較大影響,砂土中含有少量細(xì)顆粒會(huì)改變砂土的密實(shí)度和孔隙率,若砂土中細(xì)顆粒含量繼續(xù)增大,砂土的可塑性和黏性增加。Pyke等[7]對(duì)1971年San Fernando 震陷進(jìn)行分析,在限定剪切循環(huán)周數(shù)條件下對(duì)級(jí)配良好的黏質(zhì)砂土進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)同一條件下其體應(yīng)變小于凈砂的1/3。Whang等[23]對(duì)取自2個(gè)場(chǎng)地的4種土體進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn),砂土試樣的細(xì)顆粒含量較高(體積分?jǐn)?shù)為40%～54%),塑性指數(shù)在2～15之間,對(duì)比凈砂、細(xì)顆粒含量低和細(xì)顆粒含量高的試樣,發(fā)現(xiàn)相同荷載下試樣的細(xì)顆粒含量越高,土體變形越小。隨后,Whang等[32]通過對(duì)由黏性顆粒與凈砂組成的合成土進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn),結(jié)果表明在同一相對(duì)壓實(shí)度條件下隨著細(xì)粒含量的增加,砂土豎向應(yīng)變也增大,此結(jié)論與文獻(xiàn)[23]的試驗(yàn)結(jié)果相反。Stewart等[2]以某種細(xì)顆粒含量的土體為基準(zhǔn),改變其他土體的細(xì)顆粒含量,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)凈砂中加入的細(xì)顆粒為黏性顆粒,增大細(xì)顆粒含量會(huì)使震陷量減小,但當(dāng)凈砂中加入非黏性細(xì)顆粒時(shí)會(huì)使震陷量增大。Stewart等[31]認(rèn)為對(duì)于砂土有一個(gè)最優(yōu)細(xì)顆粒含量值,當(dāng)細(xì)顆粒含量小于這個(gè)值時(shí),增加細(xì)顆粒含量則震陷量增大,若超過這個(gè)值后繼續(xù)增加砂土中細(xì)顆粒含量,震陷量減小。

4.1.5 飽和度

飽和度Sr對(duì)凈砂豎向應(yīng)變的影響不大[21,24],然而對(duì)含細(xì)顆粒砂土的震陷影響則不同,Whang等[23]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高Sr塑性土豎向應(yīng)變值比低Sr塑性土豎向應(yīng)變值小,但當(dāng)塑性指數(shù)小于2時(shí),低塑性土豎向應(yīng)變值幾乎不受Sr影響。Sr主要在含黏粒土中發(fā)揮作用,在非飽和土中,基質(zhì)吸力對(duì)土體的結(jié)構(gòu)有重要作用。Whang等[32]通過對(duì)黏性顆粒與凈砂的合成土進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其他條件相同時(shí),Sr取中值(30%左右)時(shí)的砂土豎向應(yīng)變值比Sr為0%和60%時(shí)的小?；|(zhì)吸力測(cè)試結(jié)果表明:Sr為30%時(shí)的吸力較高,這和豎向應(yīng)變值的減小密切相關(guān)。Sawada等[6]認(rèn)為部分飽和砂土震陷的主要原因是荷載壓縮孔隙中氣體,導(dǎo)致不排水土體體積發(fā)生變化。Ghayoomi等[33]在分析非飽和砂土的震陷原理時(shí)指出,由于水的存在非飽和砂土?xí)a(chǎn)生基質(zhì)吸力,基質(zhì)吸力可以增大土體內(nèi)部顆粒與顆粒之間的吸力,從而增大顆粒之間移動(dòng)的抵抗力,所以非飽和砂土有更大的剪切強(qiáng)度。當(dāng)Sr繼續(xù)增加,基質(zhì)吸力減小,因此有一個(gè)最優(yōu)Sr使砂土震陷量最小。在此基礎(chǔ)上Ghayoomi等[34]總結(jié)出了一種計(jì)算非飽和砂土震陷的計(jì)算方法,該方法認(rèn)為非飽和砂土震陷由砂土壓縮、再固結(jié)兩部分組成。該計(jì)算方法表明砂土在由干砂逐級(jí)變?yōu)轱柡蜕暗倪^程中,砂土震陷量從大變小再變大。

4.2 荷載因素

4.2.1 地震荷載特性

地震荷載特征參數(shù)主要包括振幅、循環(huán)周數(shù)、頻率。由于地震荷載具有隨機(jī)性,較難研究其規(guī)律,常用等效簡(jiǎn)諧荷載代替，其振幅越大、循環(huán)周數(shù)越多，表示地震的震級(jí)越大,產(chǎn)生的震陷量也越大。

Ishihara等[4，6,15]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在其他條件不變的情況下,砂土變形隨試驗(yàn)加載幅值和循環(huán)周數(shù)的增大而增大。Silver等[3]采用動(dòng)單剪儀研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載前幾次循環(huán)的變形基本上決定了最終的豎向變形。Poblete等[20]使用Niemunis等[35]建立的多周循環(huán)累積模型(HCA)預(yù)測(cè)殘余應(yīng)變,關(guān)注循環(huán)次數(shù)對(duì)變形的影響,發(fā)現(xiàn)循環(huán)累積應(yīng)變速率隨應(yīng)變幅值增大而增大。

為了更加方便、具體地研究地震荷載,許多學(xué)者研究地震等效循環(huán)周數(shù)的確定方法,并提出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式[36-39]。Seed等[39]提出以實(shí)際地震應(yīng)力峰值的65%作為等效后的循環(huán)應(yīng)力峰值,等效后的循環(huán)次數(shù)依據(jù)震級(jí)大小而定,該方法使用方便、廣泛,此后被很多學(xué)者沿用。袁曉銘等[9]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)合震害現(xiàn)象,認(rèn)為常用的Seed有效循環(huán)周數(shù)方法不適合大脈沖地震荷載下土體殘余變形的分析,不能反映地震荷載本身不規(guī)則性和不對(duì)稱性產(chǎn)生的地基震陷差異。建議以20周作為地震應(yīng)力荷載向等幅荷載轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)作用次數(shù)?？紤]到上述不足,陳青生等[40]在404組動(dòng)循環(huán)荷載和202組地震荷載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了基于R-N非線性疲勞損傷累積的砂土震陷算法,該算法可以有效地考慮荷載幅值和加載次序?qū)Σ牧献冃蔚挠绊憽?/p>

也有學(xué)者[3,10]把不同地震震級(jí)和等效循環(huán)周數(shù)之間的關(guān)系制作成表格。表1中將不同震級(jí)地震荷載等效為相應(yīng)循環(huán)周數(shù)、體應(yīng)變比和引起土體液化所需循環(huán)應(yīng)力比的簡(jiǎn)諧荷載。體應(yīng)變比和循環(huán)應(yīng)力比以7.5級(jí)地震為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

表1 震級(jí)與等效循環(huán)周數(shù)、體應(yīng)變比、引起液化所需的循環(huán)應(yīng)力比關(guān)系

殷宗澤等[41]也研究了不同震級(jí)與等效循環(huán)周數(shù)間的關(guān)系,等效分析時(shí)考慮了震動(dòng)持續(xù)時(shí)間因素,認(rèn)為等效后循環(huán)荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力幅值為地震最大荷載的65%,并取1～1.5的安全系數(shù)，如表2所示。

表2 等效循環(huán)周數(shù)與震級(jí)關(guān)系

加載頻率對(duì)砂土震陷的影響很小。Youd[21]在對(duì)凈砂的震陷分析中發(fā)現(xiàn),變化加載頻率對(duì)砂土豎向應(yīng)變影響不大,Duku等[24]在試驗(yàn)中驗(yàn)證了加載頻率對(duì)砂層沉降影響較小這一特性。

4.2.2 加載路徑

加載路徑對(duì)震陷的影響是學(xué)者們最近關(guān)注的問題,加載路徑體現(xiàn)不同的荷載形式,在土體中產(chǎn)生的作用力也有差異?？梢栽O(shè)定加載路徑研究特定荷載形式下的震陷。目前研究比較多的加載路徑是單向加載、雙向橢圓型加載、雙向十字型加載、水平雙向加載、傾斜型加載。在橢圓型加載模式中,荷載方向相互垂直,相位相差90°；在十字型荷載模式中,荷載方向相互垂直,相位差為360°。

上述加載模式中土體在施加動(dòng)荷載前水平方向未受到任何作用力,然而現(xiàn)實(shí)中則不完全相同,如斜坡上土體或受到某種預(yù)先水平作用的土體。Boulanger等[22]采用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的雙向動(dòng)單剪儀(UCB-2D)研究斜坡上土體的剪切變形。斜坡上土體沿著斜面存在一定的剪力,地震發(fā)生時(shí)動(dòng)荷載作用的方向和土體剪力的方向存在一定的夾角,夾角不同對(duì)震陷的影響不同。地震荷載作用力可分解為垂直與平行于斜坡土體剪力這兩個(gè)方向上的分量。試驗(yàn)結(jié)果表明在相對(duì)密度分別為35%、45%、55%,初始水平剪應(yīng)力比0.2～0.3時(shí),土體受到垂直于初始剪應(yīng)力方向的地震水平荷載抵抗力是平行于初始剪應(yīng)力方向的70%～95%。因?yàn)榇怪奔虞d條件下發(fā)生剪應(yīng)力反轉(zhuǎn)和主應(yīng)力旋轉(zhuǎn),所以土體在垂直震動(dòng)方向上的抵抗力小于平行方向。

水平雙向加載相位的差異會(huì)產(chǎn)生加載合力或合位移的差異,導(dǎo)致加載路徑的變化,因此荷載相位差異對(duì)震陷的影響也是人們研究的重點(diǎn)。Wichtmann等[16]以小應(yīng)變高振次的試驗(yàn)方法研究應(yīng)變加載路徑和應(yīng)變環(huán)偏移對(duì)應(yīng)變累積的影響,加載發(fā)現(xiàn)同相位時(shí)體應(yīng)變累積速率和平面應(yīng)變環(huán)的偏移無關(guān),應(yīng)變環(huán)偏移僅產(chǎn)生暫時(shí)的累積速率的增加;相位不同時(shí),應(yīng)變環(huán)的形狀對(duì)殘余應(yīng)變有巨大的影響。對(duì)于固定幅值的單向加載,如果持續(xù)改變循環(huán)荷載偏移方向,產(chǎn)生殘余應(yīng)變是恒定偏移的1.5倍。此外，Matsuda等[25]采用循環(huán)剪切儀,施加均一和不規(guī)律循環(huán)剪切荷載,在相同剪應(yīng)變幅值及循環(huán)周數(shù)下,多向荷載產(chǎn)生的超孔壓、沉降要大于單向荷載,且多向荷載下孔壓和沉降會(huì)隨相位不同而變化。

4.3 其他因素

4.3.1 排水條件

室內(nèi)砂土震陷試驗(yàn)主要模擬干砂、非飽和砂以及飽和砂在地震荷載作用下的變形沉陷,荷載施加的時(shí)間較短。干砂加載時(shí)一般打開排水閥，對(duì)于非飽和砂以及飽和砂一般采用不排水試驗(yàn)。

4.3.2 試樣幾何形狀

Poblete等[20]研究了試樣的幾何形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,分別對(duì)比了直徑10 cm、高10 cm與直徑10 cm、高20 cm的圓柱狀試樣和9 cm×9 cm×18 cm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體試樣,結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣的幾何形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果幾乎沒有影響。

5 研究展望

本文綜述了砂土震陷的原理、常用的室內(nèi)試驗(yàn)方法以及影響震陷的各種因素等。由于砂土震陷的復(fù)雜性,還需深入了解砂土震陷規(guī)律及進(jìn)行場(chǎng)地震陷預(yù)測(cè),以下問題需進(jìn)一步開展研究:

a. 目前研究多側(cè)重于定性揭示砂土震陷規(guī)律,以土體單元試驗(yàn)為主,對(duì)實(shí)際場(chǎng)地震陷計(jì)算及預(yù)測(cè)方面的研究較少。今后應(yīng)揭示實(shí)際場(chǎng)地震陷規(guī)律,尤其應(yīng)對(duì)震陷計(jì)算和評(píng)估方法進(jìn)行研究。

b. 砂土震陷應(yīng)考慮不同地震荷載的應(yīng)力路徑及在地震過程中發(fā)生主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)的影響。

c. 在進(jìn)行砂土震陷計(jì)算時(shí),現(xiàn)有的由一維震陷量轉(zhuǎn)化為二維震陷量的方法是一種近似估算。對(duì)于不同類型的土體、不同荷載,用此方法計(jì)算砂土的震陷量產(chǎn)生的差異較大。應(yīng)建立一種能考慮土體特性和荷載特性的更為合理的轉(zhuǎn)化方法。

d. 加載方式對(duì)震陷有極大的影響,如水平雙向加載時(shí),兩荷載的大小、相位差異都對(duì)震陷產(chǎn)生影響,但目前還未得出定量結(jié)論,應(yīng)進(jìn)一步展開不同加載方式及應(yīng)力路徑下砂土震陷的研究。

e. 由于理論知識(shí)不足和試驗(yàn)設(shè)備功能限制,目前對(duì)砂土震陷的研究主要以水平二維加載為主,對(duì)三維加載引起的震陷研究較少。據(jù)少量研究發(fā)現(xiàn)三維震動(dòng)會(huì)明顯加大震陷量,因此需要進(jìn)一步探究三維震陷規(guī)律并進(jìn)行震陷預(yù)測(cè)。

f. 目前對(duì)凈砂震陷特性的認(rèn)識(shí)相對(duì)明確,但實(shí)際土體一般含有細(xì)顆粒,對(duì)含有細(xì)顆粒的砂土的震陷規(guī)律認(rèn)識(shí)還不夠,含細(xì)顆粒砂土震陷的計(jì)算方法有待完善。

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A review of recent research in laboratory test of seismic compression of sands

//GAO Guangyun1,2, NIE Chunxiao1,2, GU Xiaoqiang1,2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Laboratory tests are commonly used to investigate seismic compression of sands. Research status and recent advances in laboratory tests of seismic compression of sands are reviewed. After a brief introduction to principles of seismic compression of sands, the applicable scope and characteristic of instruments are sketched in detail. And the advantages and disadvantages of each experimental method are discussed and compared. Furthermore, this paper analyzes the effects of internal factors (soil properties) and external factors (load characteristics) on seismic compression. Finally, the shortcomings of recent research are proposed, including compression prediction of field, multidimensional loads, directionality of loads and soil properties, which provides reference for further issues.

sand seismic compression; laboratory test; experimental method; soil properties; load characteristics

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.001

國(guó)家自然科學(xué)基金(41372271)

高廣運(yùn)(1961—),男,教授,博士,主要從事土動(dòng)力學(xué)和樁基方面研究。E-mail:gaoguangyun@263.net

TU47

A

1006-7647(2016)06-0001-07

2015-10-28 編輯：駱超)