紀(jì)文棟，張宇亭，裴文斌，王 歡

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

我國(guó)倡導(dǎo)的一帶一路戰(zhàn)略，在國(guó)際上產(chǎn)生了重要的影響，隨著21世紀(jì)海上絲綢之路建設(shè)的深入，沿線海洋開(kāi)發(fā)亟待加速，其中人工島礁的建設(shè)也進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期?，F(xiàn)階段珊瑚島礁的建設(shè)主要采用人工吹填的方式，珊瑚砂作為人工島礁建設(shè)的唯一原材料，其作為地基材料的力學(xué)性質(zhì)是關(guān)注的重點(diǎn)，為此許多學(xué)者開(kāi)展了一系列的研究[1-4]。

圖1 珊瑚砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of coral sand

珊瑚島礁位于大洋深處，其中的風(fēng)浪條件復(fù)雜，每年經(jīng)歷多次的臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等極端天氣影響，珊瑚砂的液化性質(zhì)是其重要研究方向之一。孟慶山[5-6]開(kāi)展了珊瑚礁鈣質(zhì)沉積物液化特性及其機(jī)理研究，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和室內(nèi)豎向一扭轉(zhuǎn)循環(huán)耦合試驗(yàn)研究了珊瑚砂的液化特性。唐國(guó)藝[7]研究了東帝汶帝力市珊瑚砂地基的工程性質(zhì)，指出相對(duì)一般石英砂的性質(zhì)而言，珊瑚砂的標(biāo)貫擊數(shù)較低而相應(yīng)的剪切波速相對(duì)較大，珊瑚砂在地震作用下液化的可能性較大。

本文應(yīng)用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)珊瑚砂進(jìn)行不同振幅下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究珊瑚砂的液化特性，分析了珊瑚砂液化過(guò)程中孔壓、滯回圈、偏應(yīng)力等的變化規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)支持一帶一路人工島礁的建設(shè)有重要意義。

1 試樣及試驗(yàn)方案

1.1 珊瑚砂的基本性質(zhì)

珊瑚砂主要由珊瑚骨骼、生物骨骼、貝類殼體等組成，它的組成成分不同于陸地上常見(jiàn)的砂。陸地上常見(jiàn)的砂是由二氧化硅組成，所以也常稱為硅質(zhì)砂或石英砂，而珊瑚砂的主要成分為碳酸鈣，其鈣質(zhì)含量達(dá)90%以上。由于鈣質(zhì)材料本身具有硬脆的特性，所以珊瑚砂有易破碎的性質(zhì)。同時(shí)珊瑚砂顆粒的內(nèi)部微孔隙豐富，導(dǎo)致其整體孔隙率較高。

本試驗(yàn)的試樣取自我國(guó)海南省三沙市，該珊瑚砂顆粒較細(xì)，其中2 mm以下的顆粒含量占到總質(zhì)量的92%以上，偶有不均勻的大塊珊瑚骨骼或貝殼。圖1為試驗(yàn)試樣的顆粒級(jí)配曲線，從顆粒級(jí)配曲線上看，該珊瑚砂試樣顆粒分布較為均勻，不存在明顯的缺失粒徑。控制試樣的密實(shí)度為30%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的荷載通過(guò)等幅應(yīng)變方式施加，共進(jìn)行了4個(gè)不同振幅的試驗(yàn)，振幅分別為0.2 mm、0.8 mm、1.6 mm、3.2 mm，分別對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變?yōu)?.25%，1%，2%，4%。通過(guò)觀察孔隙水壓力變化和偏應(yīng)力變化情況來(lái)判斷試樣是否進(jìn)入液化狀態(tài)。試驗(yàn)采用的振動(dòng)頻率都為0.5 Hz(圖2)。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experiment scheme

圖2 加載過(guò)程 圖3 試樣飽和示意圖 Fig.2 Loading procedure Fig.3 Diagrammatic sketch of specimen saturation

試樣飽和是動(dòng)三軸試驗(yàn)的重要一環(huán)，本研究中采用如下的方法保證試樣飽和度(圖3)。首先將試樣在抽真空狀態(tài)下浸泡24 h，盡量使顆粒內(nèi)部的空氣排出。將試樣裝入動(dòng)三軸試驗(yàn)儀器內(nèi)，將上排水管口和下排水管口分別接入兩個(gè)獨(dú)立的壓力體積控制器進(jìn)行反壓飽和。先關(guān)閉上部排水管閥門，用底部排水管連接的壓力體積控制器進(jìn)行反壓飽和，待珊瑚砂內(nèi)部的空氣溶解于試樣內(nèi)的水中時(shí)，將上部排水管連通的壓力控制器設(shè)置為低于反壓值5 kPa的壓力并將閥門打開(kāi)，利用上下之間的壓力差進(jìn)行水循環(huán)，用無(wú)氣水將溶解了較多氣體的水替換排出。再重復(fù)反壓飽和的過(guò)程，進(jìn)行多次循環(huán)之后，可以實(shí)現(xiàn)B值達(dá)到0.99以上。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在所進(jìn)行的四種不同應(yīng)變振幅的動(dòng)三軸試驗(yàn)中，除0.2 mm沒(méi)有出現(xiàn)液化現(xiàn)象，其余三個(gè)振幅的試驗(yàn)都出現(xiàn)了液化，下面分別對(duì)試驗(yàn)獲取的偏應(yīng)力、孔隙水壓力、滯回圈的變化情況進(jìn)行分析。

2.1 偏應(yīng)力-時(shí)間變化

圖4為四種不同振幅下的偏應(yīng)力時(shí)程曲線。在0.2 mm振動(dòng)幅值作用下，試樣在經(jīng)歷1 000 s，共500個(gè)周期的循環(huán)后依然沒(méi)有出現(xiàn)液化現(xiàn)象，為了顯示效果，文章中只取了前550 s的數(shù)據(jù)。偏應(yīng)力在經(jīng)歷了最初100 s的降低之后就一直保持在一個(gè)穩(wěn)定值。隨著振動(dòng)幅值的變大，珊瑚砂到達(dá)液化狀態(tài)所需要的振動(dòng)周期越來(lái)越少，在振幅為3.2 mm下，只需要10個(gè)周期的振動(dòng)，珊瑚砂就已經(jīng)進(jìn)入了明顯的液化狀態(tài)。在振幅0.2 mm和振幅0.8 mm的試驗(yàn)中，最大的偏應(yīng)力都處于90 kPa左右，隨著振幅的增大，最大偏應(yīng)力也出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)。

4-a 振幅0.2 mm 4-b 振幅0.8 mm 4-c 振幅1.6 mm 4-d 振幅3.2 mm圖4 偏應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between deviator stress and time

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂的偏應(yīng)力和循環(huán)振次lnNf之間是線性相關(guān)，四種不同振幅下的擬合結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)振幅由0.2 mm至3.2 mm所對(duì)應(yīng)的Ks分別為-14.01、-57.54、-124.03、-207.77，所有擬合數(shù)據(jù)的決定系數(shù)都在97.5%以上。Ks的物理意義是某應(yīng)變振幅下偏應(yīng)力隨循環(huán)振次降低速率，進(jìn)一步分析Ks和應(yīng)變振幅γ之間關(guān)系如圖6所示，兩者之間可以用式(2)的線性關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，可以看到隨著應(yīng)變振幅的增大，偏應(yīng)力隨振次循環(huán)次數(shù)降低的速率在明顯增大，即表明隨著振幅的增大珊瑚砂達(dá)到液化的振動(dòng)周期數(shù)將會(huì)迅速減少。

σd=KslnNf+b

(1)

Ks=-51.66γ-7.20

(2)

2.2 孔隙水壓力變化

圖5 偏應(yīng)力和振次之間的關(guān)系曲線 圖6 Ks和γ之間關(guān)系 Fig.5 Relationship between deviator Fig.6 Relationship between stress and vibration number Ks and γ

在圖7-a中可以看到，在較小的振幅下，珊瑚砂試樣內(nèi)孔隙水壓力依然有明顯的累積，在試驗(yàn)的前100 s內(nèi)，孔隙水壓力由0逐漸增長(zhǎng)到6 kPa左右，隨后孔隙水壓力的增長(zhǎng)速率明顯下降，曲線趨于平緩，到后期基本穩(wěn)定并不再增長(zhǎng)，說(shuō)明在此振幅作用下，珊瑚砂試樣將不會(huì)進(jìn)入液化狀態(tài)。其余三個(gè)振幅下，孔隙水壓力經(jīng)歷了一段時(shí)間的增長(zhǎng)之后都接近了圍壓值，表明試樣進(jìn)入了液化狀態(tài)，孔隙水壓力的波動(dòng)隨著振幅的增大而變大。

7-a 振幅0.2 mm 7-b 振幅0.8 mm 7-c 振幅1.6 mm 7-d 振幅3.2 mm圖7 孔隙水壓力-時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between pore water pressure and time

8-a 振幅0.2 mm 8-b 振幅0.8 mm 8-c 振幅1.6 mm 8-d 振幅3.2 mm圖8 偏應(yīng)力和孔隙水壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Corresponding relationship of deviator stress and pore water pressure

9-a 循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度示意圖 9-b 循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比圖圖9 循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度定量計(jì)算Fig.9 Quantitative calculation of cyclic mobility

分別將各試驗(yàn)中第10～11個(gè)周期的偏應(yīng)力和孔隙水壓力的變化情況展示為圖8，可以看到在發(fā)生液化的試樣中都出現(xiàn)孔壓時(shí)程曲線在一個(gè)周期內(nèi)波峰位置顯現(xiàn)凹槽的情況，即在偏應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，孔壓出現(xiàn)第一個(gè)波峰，隨著偏應(yīng)力的降低，孔壓出現(xiàn)短暫的下降之后又重新升高，并在偏應(yīng)力達(dá)到平衡位置時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值，此峰值孔壓還會(huì)大于第一個(gè)峰值孔壓。王艷麗[8]將此現(xiàn)象描述為一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中砂土剪縮一剪脹一卸荷體縮交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，汪聞韶將這種前期累積體縮和后期加載剪脹與卸荷體縮的交替作用定義為飽和砂土在循環(huán)切作用下的循環(huán)活動(dòng)性[9]。

循環(huán)活動(dòng)性的明顯特性為在一次加載-卸載的過(guò)程中孔隙水壓力出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，因此通過(guò)兩個(gè)峰值之間的面積來(lái)定量表征循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度，如圖9-a所示，應(yīng)用此方法計(jì)算了各試驗(yàn)第10個(gè)周期中的循環(huán)剪切強(qiáng)度，其結(jié)果如圖9-b所示?？梢钥吹诫S著應(yīng)變振幅的增加，珊瑚砂的循環(huán)剪切活動(dòng)性在明顯的增強(qiáng)。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析

10-a 振幅0.2 mm 10-b 振幅0.8 mm 10-c 振幅1.6 mm 10-d 振幅3.2 mm圖10 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.10 The curves of stress-strain

圖10所示為四種不同振幅下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以看到發(fā)生液化和未發(fā)生液化的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形狀具有明顯差別。振幅為0.2 mm的試樣未發(fā)生液化，在初始幾個(gè)循環(huán)的荷載作用下，其應(yīng)力應(yīng)變滯回圈產(chǎn)生了明顯縮小，說(shuō)明試樣在這個(gè)階段產(chǎn)生了塑形變形，這正是珊瑚砂試樣在振動(dòng)作用下密實(shí)的過(guò)程，隨著振動(dòng)周期的增多，應(yīng)力應(yīng)變曲線滯回圈的變化越來(lái)越小，最后基本趨于固定形狀，初始和最終的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀有相似性。試樣的塑形變形顯著的存在于壓應(yīng)力加載和拉應(yīng)力卸載階段，壓應(yīng)力卸載和拉應(yīng)力加載階段應(yīng)力應(yīng)變曲線并無(wú)明顯變化。在發(fā)生液化的試樣中，初始階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線和未發(fā)生液化的試樣較為類似，隨著液化的逐漸發(fā)生，應(yīng)力的變化幅值在顯著減小，并逐漸逼近圍壓值附近，說(shuō)明珊瑚砂逐漸喪失承載能力，有效應(yīng)力明顯降低，微小的應(yīng)力變化即可以引起顯著的應(yīng)變變化。液化試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線形狀發(fā)生了根本性的改變，初始和最終的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀差異巨大。

2.4 液化試樣滯回圈的變化

以振幅3.2 mm為例，分析典型液化情況下應(yīng)力應(yīng)變滯回圈的變化情況如圖11所示。發(fā)生液化的試樣應(yīng)力應(yīng)變滯回圈具有明顯的階段性發(fā)展特性。在試驗(yàn)的前5個(gè)周期內(nèi)，滯回圈的形狀呈現(xiàn)出類三角形，在達(dá)到應(yīng)力峰值后，隨著試樣轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，試樣的應(yīng)力迅速衰減至軸向應(yīng)變3.6%處，隨后應(yīng)力呈線性減小至應(yīng)力最低值。滯回圈的面積隨著振動(dòng)次數(shù)的增加迅速減小，說(shuō)明珊瑚砂試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生大量不可恢復(fù)的塑形變形。隨后滯回圈進(jìn)入到第二個(gè)階段，滯回圈的形狀發(fā)生明顯改變，由三角形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镾形。壓應(yīng)力卸載階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯菭顟B(tài)，即壓應(yīng)力從峰值迅速衰減至零，然后在達(dá)到應(yīng)變零點(diǎn)位置之前呈水平變化趨勢(shì)。第三個(gè)階段中，滯回圈中拉應(yīng)力和壓應(yīng)力卸載階段的形狀不再發(fā)生變化，逐漸趨于統(tǒng)一的形態(tài)。但是在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力加載階段，各滯回圈之間還有顯著的差異，說(shuō)明此時(shí)試樣本身的強(qiáng)度還在逐漸衰減中。在最后的階段，滯回圈已經(jīng)趨于固定的形狀，各滯回圈之間已無(wú)明顯差異，說(shuō)明試樣本身強(qiáng)度和承載能力已經(jīng)基本喪失，試樣進(jìn)入完全的液化狀態(tài)。滯回圈呈現(xiàn)對(duì)稱的S形，這也體現(xiàn)了試驗(yàn)設(shè)備中其它因素的影響，如橡皮膜、摩擦力等因素，由于這些影響因素在拉伸和壓縮階段的作用是相同的，所以滯回圈體現(xiàn)出較為對(duì)稱的形態(tài)。

11-a 第1～5個(gè)周期 11-b 第6～10個(gè)周期 11-c 第11～15個(gè)周期 11-d 第16～20個(gè)周期圖11 滯回圈的變化Fig.11 Changing processes of hysteresis loop

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了珊瑚砂振動(dòng)三軸的試驗(yàn)研究，分析珊瑚砂發(fā)生液化情況下的偏應(yīng)力、孔隙水壓力、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)軸向應(yīng)變振幅為0.25%，1%，2%，4%的四組珊瑚砂動(dòng)三軸試驗(yàn)中，只有應(yīng)變振幅0.25%沒(méi)有發(fā)生液化；偏應(yīng)力降低速率Ks(隨循環(huán)振次)與試驗(yàn)應(yīng)變振幅γ之間符合線性關(guān)系，隨著振幅的增大珊瑚砂達(dá)到液化的振動(dòng)周期數(shù)將會(huì)迅速減少。

(2)試驗(yàn)中發(fā)生液化珊瑚砂都存在循環(huán)荷載作用下的循環(huán)活動(dòng)性，通過(guò)兩個(gè)峰值之間的面積來(lái)定量表征了循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度，隨著應(yīng)變振幅的增加，這種活動(dòng)性在明顯增強(qiáng)。

(3)發(fā)生液化和未發(fā)生液化的應(yīng)力應(yīng)變曲線有顯著的差異。未發(fā)生液化試樣的應(yīng)力應(yīng)變滯回圈整體形態(tài)保持相似性，在經(jīng)歷初始階段的減小后逐漸趨于穩(wěn)定的形狀。發(fā)生液化的珊瑚砂試樣滯回圈具有明顯的階段性發(fā)展特性，由類三角形狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱的S形。

(4)珊瑚砂動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變滯回圈的變化可以反映出珊瑚砂試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、塑性變形、卸荷體縮、系統(tǒng)誤差等信息。

致謝：感謝康永水副研究員對(duì)本文寫作過(guò)程中的幫助。

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