(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；3.新加坡國(guó)立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，新加坡 119077)

隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的推進(jìn)，越來(lái)越多的國(guó)防及民用工程建設(shè)在珊瑚礁上。珊瑚島礁的主要成分為鈣質(zhì)砂，島礁工程地震風(fēng)險(xiǎn)大，地震產(chǎn)生的災(zāi)害又主要是噴水冒砂、地面沉降、地表裂縫等液化破壞[1]。預(yù)防和減輕南海島礁工程的地震災(zāi)害極為重要，因此，研究鈣質(zhì)砂在交通、地震及波浪等動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力液化特性對(duì)南海的實(shí)際工程具有重要價(jià)值。

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物成因、CaCO3含量超過(guò)50%的粒狀材料，特殊的物質(zhì)組成導(dǎo)致其表現(xiàn)出特別的力學(xué)性質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)鈣質(zhì)砂的力學(xué)特性進(jìn)行研究。劉崇權(quán)等[2]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)指出對(duì)鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度評(píng)價(jià)及力學(xué)性質(zhì)研究應(yīng)當(dāng)考慮顆粒破碎、剪脹、顆粒重組等力學(xué)模型；Coop等[3]對(duì)Dogs Bay砂進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于鈣質(zhì)砂的顆粒破碎和重組，在剪切后顆粒級(jí)配會(huì)達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)；張家銘等[4]通過(guò)高壓三軸剪切試驗(yàn)對(duì)鈣質(zhì)砂的剪切特性進(jìn)行了研究；朱長(zhǎng)岐等[5]利用飛秒切割技術(shù)對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒的內(nèi)孔隙進(jìn)行了定量分析；黃宏翔等[6]對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，探究顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂殘余強(qiáng)度的影響；任玉賓等[7]對(duì)鈣質(zhì)砂的滲透性進(jìn)行研究，并從細(xì)觀角度進(jìn)行了分析。

以上研究表明鈣質(zhì)砂具有易破碎、易壓縮、滲透性強(qiáng)等特殊性質(zhì)，因其靜力力學(xué)性質(zhì)的特殊性，使得鈣質(zhì)砂在動(dòng)力作用下的液化特性也較為不同。國(guó)外學(xué)者Sharma等[8]和Salem等[9]通過(guò)對(duì)不同地區(qū)鈣質(zhì)砂進(jìn)行循環(huán)荷載下的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高孔隙率和顆粒破碎是影響鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性的主要原因。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)我國(guó)南海的鈣質(zhì)砂也進(jìn)行了相應(yīng)研究，李建國(guó)[10]利用豎向-扭向循環(huán)耦合剪切試驗(yàn)，對(duì)波浪荷載作用下鈣質(zhì)砂的液化特性進(jìn)行了研究；王剛等[11]開(kāi)展三軸排水循環(huán)剪切試驗(yàn)，分析在循環(huán)荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎特征及規(guī)律；劉漢龍等[12]采用動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)鈣質(zhì)砂的液化特性進(jìn)行了分析；孟慶山等[13]利用現(xiàn)場(chǎng)原位扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和室內(nèi)動(dòng)靜三軸-扭剪試驗(yàn)手段，分析鈣質(zhì)砂土的抗液化特性，并闡釋了其形成機(jī)理。

目前，對(duì)南海鈣質(zhì)砂的動(dòng)力液化特性研究較少，需要開(kāi)展更多的研究來(lái)充分認(rèn)識(shí)鈣質(zhì)砂的液化過(guò)程，為島礁工程建設(shè)抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。因此，本研究開(kāi)展動(dòng)力三軸試驗(yàn)，考慮有效圍壓和初始動(dòng)應(yīng)力比兩方面因素對(duì)鈣質(zhì)砂動(dòng)力液化性能的影響，分析了鈣質(zhì)砂的動(dòng)孔壓發(fā)展過(guò)程、動(dòng)應(yīng)變累積特征以及滯回曲線的演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 儀器

本試驗(yàn)在英國(guó)GDS單向激振動(dòng)力三軸試驗(yàn)儀器上進(jìn)行，該設(shè)備通過(guò)電機(jī)伺服系統(tǒng)施加動(dòng)軸向應(yīng)力。所采用的試樣尺寸為：直徑D=50 mm，高度H=100 mm。

1.2 材料及試樣制備

試驗(yàn)所用鈣質(zhì)砂取自我國(guó)南海某島礁附近海域。試驗(yàn)前篩除大直徑顆粒，僅保留顆粒粒徑小于2 mm部分，通過(guò)顆粒篩分試驗(yàn)測(cè)其粒徑分布，顆粒級(jí)配曲線如圖1(a)所示。該試樣的有效粒徑d10=0.09 mm、中值粒徑d30=0.27 mm、限制粒徑d60=0.59 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.56>5，曲率系數(shù)Cc=1.37>1，屬良好級(jí)配砂土。

鈣質(zhì)砂經(jīng)煮沸烘干后，采用分層搗實(shí)和干砂水沉法按照固定的試樣大小在儀器上制樣，試樣如圖1(b)所示。然后采用CO2飽和與反壓飽和相結(jié)合的方式，直至飽和度B=Δu/Δσ3>0.98時(shí)完成飽和過(guò)程，具體試驗(yàn)步驟可參見(jiàn)《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237—1999)》。達(dá)到飽和所需施加的反壓值可由下式估算[2]：

(1)

式中：u0—所需施加的反壓力，kPa；ua—大氣壓力；h—亨利系數(shù)，即空氣溶解系數(shù)，20℃時(shí)為0.02；S0—初始飽和度，%；Sf—最后飽和度，%。

由于鈣質(zhì)砂顆粒內(nèi)孔隙較多，需要飽和的反壓值會(huì)比估算值略大，本試驗(yàn)飽和反壓為300 kPa，分6級(jí)加載，每級(jí)增量50 kPa，具體反壓值如表1所示。需待試樣內(nèi)孔壓充分均勻后再施加下一級(jí)反壓，約10 min一級(jí)。

圖1 鈣質(zhì)砂試樣圖和顆粒級(jí)配曲線

表1 試樣飽和過(guò)程中各級(jí)反壓的荷載水平

表2 鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方案

基于常規(guī)地基應(yīng)力范圍，選取三個(gè)有效圍壓(σc=50、100和150 kPa)來(lái)分析不同固結(jié)壓力對(duì)鈣質(zhì)砂動(dòng)力液化特性的影響。同時(shí)，為了分析液化過(guò)程中循環(huán)動(dòng)應(yīng)力的影響，在每級(jí)圍壓下又進(jìn)一步選取四個(gè)初始動(dòng)應(yīng)力比進(jìn)行試驗(yàn)?？傮w試驗(yàn)方案如表2所示，試樣均為等向固結(jié)，共進(jìn)行了12組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)測(cè)試對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變、動(dòng)孔壓和破壞周次。試驗(yàn)選取應(yīng)變破壞準(zhǔn)則作為鈣質(zhì)砂的液化標(biāo)準(zhǔn)[14]，即軸向應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)加載采用正弦波型，振動(dòng)頻率為1 Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)程曲線

對(duì)開(kāi)展的12組鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)進(jìn)行分析研究。圖2是在有效圍壓σc=100 kPa，初始動(dòng)應(yīng)力比rd=1.0時(shí)的動(dòng)應(yīng)力(σd)、動(dòng)應(yīng)變(εd)和動(dòng)孔壓(ud)時(shí)程曲線。由圖2可以看出，隨著振動(dòng)次數(shù)(N)的增加，鈣質(zhì)砂的動(dòng)應(yīng)變幅值增大，動(dòng)孔壓逐漸增長(zhǎng)。達(dá)到軸向應(yīng)變幅值εdmax=5%的破壞準(zhǔn)則時(shí)，動(dòng)孔壓達(dá)到有效圍壓的95%，說(shuō)明儀器良好，試驗(yàn)結(jié)果可信，可以分析鈣質(zhì)砂的液化特性。

圖2 鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí)程曲線

2.2 動(dòng)孔壓(ud)與循環(huán)周次(N)的關(guān)系

圖3為鈣質(zhì)砂在初始動(dòng)應(yīng)力比rd=1.0時(shí)不同有效圍壓下的動(dòng)孔壓時(shí)程曲線，從圖中可以看出：①鈣質(zhì)砂的動(dòng)孔壓隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而增大，有效圍壓越高，液化破壞所需要的振動(dòng)次數(shù)越大；②孔壓增長(zhǎng)趨勢(shì)相似，在液化過(guò)程前期(N<20次)孔壓增長(zhǎng)較為劇烈。這是由于在動(dòng)應(yīng)力作用初始階段，鈣質(zhì)砂因其高孔隙比表現(xiàn)出很強(qiáng)的壓縮性，使得顆粒間孔隙減小，孔壓急劇上升；③試樣在動(dòng)應(yīng)力循環(huán)作用下，軸向應(yīng)變和孔壓逐漸累積，孔壓累積到接近圍壓時(shí)，孔壓時(shí)程曲線在波峰處出現(xiàn)凹槽，表明已出現(xiàn)液化現(xiàn)象。隨著動(dòng)荷載的持續(xù)作用，孔壓曲線波峰處的凹槽趨于穩(wěn)定，此時(shí)試樣完全液化，失穩(wěn)破壞。

圖3 不同圍壓下鈣質(zhì)砂孔壓時(shí)程曲線

圖4為不同圍壓下鈣質(zhì)砂循環(huán)活動(dòng)性示意圖，可以看出：孔壓曲線波峰處穩(wěn)定的凹槽形態(tài)表現(xiàn)為在一次加載-卸載的過(guò)程中孔隙水壓力出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這正是循環(huán)活動(dòng)性的明顯特征，但是鈣質(zhì)砂的循環(huán)活動(dòng)性與普通砂土的條件不符[15]。這是由于鈣質(zhì)砂顆粒多含有內(nèi)孔隙且容易發(fā)生破碎，在循環(huán)載荷加載時(shí)，顆粒受力破裂釋放出大量非飽和內(nèi)孔隙；卸載時(shí)，顆粒之間的接觸松弛，在圍壓的側(cè)向束縛作用下重新排列以趨向更加密實(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。

紀(jì)文棟等[16]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4中黑色陰影部分?？梢钥闯觯行鷫涸礁?，動(dòng)應(yīng)力循環(huán)作用下的一次加載-卸載過(guò)程中孔隙水壓力的波動(dòng)幅度越大，凹槽的下凹程度也越深，陰影部分面積越大。表明隨著圍壓的增加，鈣質(zhì)砂的循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。

謝定義[17]根據(jù)圖像特點(diǎn)認(rèn)為孔壓曲線有三類(lèi)：A(上凸型)，B(凹凸微小變化型)，C(下凹型)。圖5是鈣質(zhì)砂在初始動(dòng)應(yīng)力比rd=1.0時(shí)考慮不同有效圍壓影響的ud/σc-N/Nf關(guān)系曲線?？梢钥闯霰驹囼?yàn)結(jié)果的孔壓曲線包含A、B、C三種類(lèi)型，其中有效圍壓為50、100和150 kPa的孔壓曲線分別為C類(lèi)、A類(lèi)和B類(lèi)線型。由圖可知，隨著圍壓的增加，孔壓曲線逐漸向B類(lèi)的凹凸微小變化型靠近。

圖4 不同圍壓下循環(huán)活動(dòng)性示意圖

圖5 鈣質(zhì)砂ud/σc-N/Nf關(guān)系曲線

圖6 不同圍壓下鈣質(zhì)砂的CSR-Nf關(guān)系曲線

2.3 循環(huán)應(yīng)力比與振動(dòng)破壞次數(shù)(Nf)的關(guān)系

(2)

式中：σdmax—?jiǎng)討?yīng)力幅值，Kc—固結(jié)應(yīng)力比，σc—有效圍壓。

圍壓對(duì)鈣質(zhì)砂的液化特性有重要影響。圖6為不同有效圍壓下(σc=50、100和150 kPa)鈣質(zhì)砂的CSR-Nf關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出：相同有效圍壓下，破壞循環(huán)應(yīng)力比CSR越小，破壞所需振次越大，即鈣質(zhì)砂達(dá)到液化破壞時(shí)所需振次隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大而減??；相同CSR值時(shí)破壞振次隨著圍壓的增大而增加，N150kPa>N100kPa>N50kPa，即有效圍壓越大，鈣質(zhì)砂越不容易發(fā)生液化。

在固結(jié)應(yīng)力比Kc=1時(shí)，CSR等于初始動(dòng)應(yīng)力比。由圖6可知，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)平面上，CSR與破壞時(shí)的振動(dòng)次數(shù)Nf呈直線關(guān)系，與虞海珍等[19]研究的鈣質(zhì)砂性質(zhì)相一致。

2.4 累積塑性應(yīng)變(εdc)與循環(huán)周次(N)的關(guān)系

動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展與振動(dòng)次數(shù)和循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比密切相關(guān)。圖7(a)是鈣質(zhì)砂在有效圍壓σc=100 kPa時(shí)的累積塑性應(yīng)變?chǔ)興c隨著振動(dòng)次數(shù)N和不同動(dòng)應(yīng)力比rd的變化情況?？梢钥闯觯孩匐S著振動(dòng)次數(shù)N的增加，試樣的累積塑性應(yīng)變隨之增大。在動(dòng)荷載作用下，塑性變形持續(xù)累積，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一臨界值時(shí)，試樣開(kāi)始出現(xiàn)失穩(wěn)，從而軸向應(yīng)變急劇增長(zhǎng)，使試樣變形破壞；②隨著動(dòng)應(yīng)力比的減小，試樣變形破壞所需要的振動(dòng)次數(shù)增大，試樣失穩(wěn)位置更加明顯，且出現(xiàn)在更低的應(yīng)變水平。這是由于鈣質(zhì)砂顆粒在動(dòng)載荷作用下易發(fā)生破碎，較小的動(dòng)應(yīng)力作用下，試樣到達(dá)同一累積塑性應(yīng)變所需要的循環(huán)次數(shù)增大，給了鈣質(zhì)砂顆粒更多的時(shí)間進(jìn)行重排列調(diào)整，使其變得更加緊密。而在此過(guò)程中孔壓是持續(xù)發(fā)展和增長(zhǎng)的，由于孔隙水壓力的增長(zhǎng)導(dǎo)致了土體的抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)孔壓累積到一定程度，即使軸向應(yīng)變較小也會(huì)發(fā)生液化破壞。

圖7 鈣質(zhì)砂考慮不同因素的εdc-N關(guān)系曲線

圖7(b)是在動(dòng)應(yīng)力比為1.0時(shí)，不同圍壓下鈣質(zhì)砂的累積塑性應(yīng)變?chǔ)興c隨著振動(dòng)次數(shù)N的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著有效圍壓的增大，變形破壞所需要的振動(dòng)次數(shù)增加，試樣失穩(wěn)位置出現(xiàn)在更高的應(yīng)變水平。這是由于圍壓的增加，使得試樣受到的側(cè)向束縛作用增大，產(chǎn)生相同的軸向應(yīng)變時(shí)顆粒破碎程度增大，更多的內(nèi)孔隙被釋放，給孔壓更大的消散空間。因此需要累積更多的塑性變形才會(huì)使孔壓逐漸累積達(dá)到失穩(wěn)位置，從而變形破壞。

2.5 動(dòng)應(yīng)力(σd)與動(dòng)應(yīng)變(εd)的關(guān)系

滯回曲線可較好地反映土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性。圖8是在初始動(dòng)應(yīng)力比rd=1.0時(shí)鈣質(zhì)砂在不同有效圍壓下的滯回曲線，圖中A、A′表示滯回曲線的最大正應(yīng)力點(diǎn)，B、B′表示滯回曲線的最大負(fù)應(yīng)力點(diǎn)。從圖中可以看出：①鈣質(zhì)砂的滯回曲線隨著循環(huán)振次的增加逐漸偏移，最大正應(yīng)力和最大負(fù)應(yīng)力均逐漸減小，減小幅度隨圍壓升高而增大，負(fù)應(yīng)力方向表現(xiàn)更明顯；②從起始的AB線到破壞時(shí)的A′B′線，連線斜率變小，表明鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度減小。這是由于飽和的鈣質(zhì)砂在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生一時(shí)不可恢復(fù)的殘余孔隙水壓力，使有效應(yīng)力逐漸由砂土骨架轉(zhuǎn)移到水；③液化破壞時(shí)的A′B′線與橫軸之間存在一定傾角，隨著有效圍壓增加，傾角在逐漸減小。表明鈣質(zhì)砂液化后的顆粒骨架結(jié)構(gòu)仍然存在一定的殘余強(qiáng)度，且圍壓越高，鈣質(zhì)砂殘余強(qiáng)度越低。

為更直觀的分析滯回曲線的演化特征，選取典型周數(shù)進(jìn)行分析，圖9是鈣質(zhì)砂在不同循環(huán)周期對(duì)應(yīng)的滯回曲線(初始動(dòng)應(yīng)力比rd=1.0，有效圍壓σc=150 kPa)，圖9(a)(b)(c)分別對(duì)應(yīng)滯回曲線發(fā)展的前期、中期和后期，可以看出：①鈣質(zhì)砂試樣的應(yīng)力應(yīng)變滯回圈有著明顯的階段性發(fā)展特征，即前期的穩(wěn)定發(fā)展階段，中期的劇烈變化階段和后期的趨于穩(wěn)定階段；②鈣質(zhì)砂的滯回曲線僅在前期保持了較規(guī)則形狀，封閉且關(guān)于原點(diǎn)基本對(duì)稱；隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，滯回曲線發(fā)生明顯變化，并且在試驗(yàn)的后期，循環(huán)次數(shù)的增加依然對(duì)滯回曲線有顯著的改變。原因在于，循環(huán)荷載作用前期主要發(fā)生砂粒之間的相互錯(cuò)動(dòng)，變形不大；隨著動(dòng)荷載的持續(xù)作用，鈣質(zhì)砂的易破碎性得以顯現(xiàn)，應(yīng)變逐漸增加；到加載后期，由于顆粒結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)生了大量不可恢復(fù)的塑性變形，試樣承受荷載的能力減小，應(yīng)變幅值也逐步增大，導(dǎo)致試樣軟化破壞。

圖8 鈣質(zhì)砂動(dòng)應(yīng)力(σd)與動(dòng)應(yīng)變(εd)的關(guān)系曲線

圖9 鈣質(zhì)砂典型滯回曲線

滯回圈面積可以反映能量耗散程度，因此可在一定程度上反映出鈣質(zhì)砂的抵抗變形能力。由圖9可以看出：①試驗(yàn)加載前期，試樣的應(yīng)變幅值較小，滯回圈在初始形狀的基礎(chǔ)上逐漸偏移擴(kuò)散，面積稍有增大，最大正應(yīng)力會(huì)有所增加。這一過(guò)程對(duì)應(yīng)動(dòng)孔壓前期增長(zhǎng)較快階段，表現(xiàn)為鈣質(zhì)砂的前期振密性，此階段表明鈣質(zhì)砂在加載初期會(huì)出現(xiàn)抵抗變形能力增強(qiáng)的現(xiàn)象；②隨著循環(huán)周次的增加，滯回圈的形狀發(fā)生明顯改變，面積逐漸增大，鈣質(zhì)砂能量耗散大，吸收能量變多，趨向于更加密實(shí)的狀態(tài)。而振動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)變和孔壓逐漸增加，當(dāng)累積到某一臨界值時(shí)，其抵御變形的能力開(kāi)始逐漸減弱；③后期破壞階段，滯回圈的面積有所減小，逐漸趨于穩(wěn)定的形狀。表明鈣質(zhì)砂耗散能量減少，抵抗變形的能力減弱，承載能力已經(jīng)基本喪失，導(dǎo)致試樣的應(yīng)變幅值急劇增大，最終變形破壞。

3 結(jié)論

1)隨著有效圍壓的增加，鈣質(zhì)砂在動(dòng)力荷載作用下，一次加載-卸載過(guò)程中的孔壓波動(dòng)幅度變大，循環(huán)活動(dòng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

2)鈣質(zhì)砂的動(dòng)應(yīng)變發(fā)展具有累積性，圍壓和動(dòng)應(yīng)力比增大時(shí)，試樣失穩(wěn)破壞需要累積的塑性應(yīng)變?cè)黾印?/p>

3)鈣質(zhì)砂的滯回曲線隨著振次的增加逐漸偏移，最大應(yīng)力點(diǎn)和最小應(yīng)力點(diǎn)之間的連線的斜率也隨振次的增加而減小，鈣質(zhì)砂試樣液化破壞時(shí)的顆粒骨架結(jié)構(gòu)仍然存在一定的殘余強(qiáng)度。

4)滯回曲線的演變規(guī)律為前期形狀基本不變，面積有微小增大；中期形狀劇烈變化，面積逐漸增大；后期面積會(huì)有所縮小，形狀逐漸趨于穩(wěn)定。