邢明源，趙少飛

(華北科技學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

礫性土是指由卵石、礫、砂、粉粒、黏粒等部分或全部組成的礫粒含量從 0～100%的寬級配土，是礫質土、礫砂、粉礫土、砂礫土和礫類土的統(tǒng)稱[1]。我國疆域遼闊，礫性土地理分布廣泛。同時礫性土作為重要工程建設材料，由于它易于取材、工程造價低且具有抗剪強度高、剪切模量高及壓縮性低的工程特性，常作為建筑物或構筑物或天然地基的土工填充材料。礫性土由于粒徑較大、孔隙水壓力消散較快，通常認為不會發(fā)生地震液化現象。然而，越來越多的國內外地震災害實測資料證明礫性土在自然和人工場地都曾發(fā)生過地震液化現象。例如，1995年日本阪神地震[2]、1999年臺灣集集地震[3]、2008年汶川地震[4]、2016年新西蘭凱庫拉地震[5,6]等震后現場勘測中均發(fā)現大規(guī)模礫性土液化現象，給人類生命安全和社會經濟帶來了巨大危害。

由于礫性土定義包含范圍較廣，因此，越來越多的國內外學者通過室內動三軸試驗、離心機模型試驗、振動臺試驗等對含礫砂土的振動液化特性進行研究。關于含礫砂土的液化機理，陳國興等[7]指出含礫砂土在等向固結和非等向固結兩種試驗條件下對應著兩類破壞機理，即含礫砂土有效應力下降至零的循環(huán)液化和發(fā)生較大累積軸向應變的循環(huán)失效。對于含礫量對液化特性的影響，飽和含礫砂土隨著含礫量的增加含礫砂土抗液化強度呈現顯著的非線性遞增趨勢[8]。王炳輝等[9]通過室內小型土箱振動臺試驗，分析了含礫量、土的相對密度對含礫砂土抗液化特性的影響，結果表明隨著含礫量和相對密度增大，其抗液化性能而增加。Yamamoto等[10]對含礫砂土進行部分排水條件下的三軸循環(huán)試驗，結果表明，在部分排水條件下的最小抗液化能力，可作為改良砂土的抗液化參數。Ghodrati等[11]利用動三軸儀研究了含礫砂土的動力特性，指出圍壓和含礫量是決定含礫砂土剪切模量和阻尼比的關鍵因素。Pender等[12]研究了滲透性對含礫砂土循環(huán)荷載下孔壓積累與消散的影響。姜印熙[13]通過循環(huán)動三試驗分析了含礫量對飽和砂土的液化特性影響，但采用了應力控制，當含礫量增加時液化所需循環(huán)次數過高，容易產生試樣破壞。關于循環(huán)動三軸分析飽和砂土的液化特性問題，現有資料大多采用等應力控制，等應變控制下飽和含礫砂土的液化特性研究尚缺乏。

由于含礫砂土液化機理較為復雜，現場實測較為困難，室內試驗成為了研究其機理的主要方法。就控制砂土中孔壓的變化而言，應變比應力作用更為顯著，而且孔壓比與剪應變之間的關系比較穩(wěn)定[14]。因此，本文在動三軸儀上采用等應變幅控制加載，進行固結不排水試驗，分析不同含礫量、初始有效圍壓和軸向應變幅值對飽和含礫砂土液化特性的影響。

1 動三軸儀

試驗采用張家港晟泰克智能儀器有限公司的動三軸實驗儀，設備的圍壓采用氣壓提供，一定程度上緩解了循環(huán)荷載下圍壓的波動，氣壓的施加和卸載較快可以減少試驗所需時間。同時，由于含礫砂土試樣的礫粒直徑最大達到5 mm，該設備可容許直徑為61.8 mm的較大試樣，更好的考慮含礫量的影響。設備主要技術指標見表1。

圖1 動三軸儀

表1 動三軸儀的基本性能指標

2 試驗方案

2.1 試驗材料

選取粒徑范圍0.075～2 mm的福建標準砂作為基礎骨架料，如圖2(a)所示。篩選2～5 mm的三門峽黃河砂作為礫粒摻和料，如圖2(b)所示。

圖2 試驗所用材料

將篩選出的2～5 mm的礫粒摻和料與0.075～2 mm的標準砂基礎骨架料，采用質量配比法，按照表2的含礫量進行配比，得到含礫量分別為0%、10%、20%和30%共四種不同顆粒級配的含礫砂土料，并繪制級配曲線如圖3所示。

表2 試驗重塑含礫砂土料物理指標

圖3 含礫砂土料級配曲線

所有試樣的相對密實度Dr控制為0.5，分別采用土工試驗方法標準[15]的振動錘擊法和漏斗量筒法測定四種試樣組的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin。根據式(1)，計算出控制干密度ρd。

(1)

2.2 試樣制備

砂土重塑試樣的三種主要制樣方法[16]包括濕搗法、空中砂雨法、水中砂雨法。水中砂雨法是在容器內提前加入水，然后倒入干砂，得到的試樣更容易飽和且較為松散。由于實驗目的是為了研究飽和含礫砂土的液化特性問題，同時控制相對密實度Dr為0.5，所以本文選取水中砂雨法制備出直徑為61.8 mm、高度為120 mm的試樣。具體制備步驟為：

(1) 根據表2中的含礫量，配制出四種待用材料組。

(2) 根據試樣尺寸和控制干密度，計算出含礫砂土試樣所需的總質量，然后稱取一個圓柱試樣所需的含礫砂土料總質量，將其等分成4份。

(3) 在壓力室內套好的橡皮膜中加入1/4高度的純凈水，加入1份含礫砂土料，輕微敲擊對開模，依次加入另外3份，直至裝樣完成。

2.3 試驗方案

利用動三軸儀對飽和含礫砂土進行了等應變控制下的動力特性研究。分析了含礫量、初始有效圍壓、軸向應變幅值對飽和含礫砂土的動力特性影響，得到含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力比Ru的發(fā)展曲線和有效應力路徑。設計了10種試驗工況，見表3，在初始有效圍壓下采用等向固結，制備試樣。

表3 試驗方案

3 結果與分析

3.1 含礫量影響

對于摻入量分別為0%、10%、20%和30%四種工況，在初始有效圍壓為100 kPa的條件下，采用軸向等應變幅值為1.67%的循環(huán)加載，分析含礫量變化對含礫砂土液化特性的影響。試驗結果如圖4所示。

圖4 含礫量對超靜孔隙水壓力比影響

在液化發(fā)生之前的幾次循環(huán)加載過程中，每次循環(huán)加載后的超靜孔隙水壓力值都明顯高于本次循環(huán)加載之前的值。這表明，含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力沒有及時消散，造成了含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力累積，最后超靜孔隙水壓力比達到1.0，試樣發(fā)生液化。對于不含礫的純砂試樣，如圖4(a)所示，在第9次循環(huán)加載過程，當試樣正向加載時超靜孔隙水壓力急劇上升，正向卸載時超靜孔隙水壓力開始小幅回落；當反向加載開始時超靜孔隙水壓力比開始重新上升，超靜孔隙水壓力比達到1.0發(fā)生液化，當開始反向卸載時超靜孔隙水壓力大幅下降。

圖4表明，由于摻礫料的加入使得試樣的超靜孔隙水壓力比上升趨于緩慢，表明礫粒的加入改變了砂土的滲透性。隨著含礫量的增加，重塑含礫砂土試樣液化所需振次也在增加，抗液化能力在增強。當含礫量為0%、10%、20%和30%時，試樣發(fā)生液化所需振次分別為9次、14次、27次和51次，如圖5所示。這表明液化所需振次隨著含礫量的增加，呈顯著非線性增加。

圖5 含礫量與液化振次的關系

3.2 初始有效圍壓的影響

為了反映初始有效圍壓對含礫砂土液化特性的影響，對于含礫量為10%、軸向應變幅值為1.67%的條件，進行了含礫砂土試樣在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四種圍壓下三軸試驗。液化振動次數和有效應力路徑試驗結果，分別如圖6、圖7所示。

圖6 圍壓與液化振次的關系

圖7 不同圍壓下的應力路徑

圖6表明，隨著有效圍壓的增大，液化所需的振次呈非線性增長，這說明試樣的抗液化能力在增強。這是由于圍壓的增大使得試樣更加密實，開始循環(huán)加載時相應的試樣孔隙比變小。

根據圖7可以得出，第一次加載時平均有效應力路徑偏向右側，試樣出現剪脹。同時隨著圍壓的增加，偏應力q的峰值越來越大了。這是由于兩個方面原因，其一是制備土樣的相對密實度為0.5，所制試樣比較密實；其二是因為有效圍壓提高了試樣密實度，所以發(fā)生1.67%軸向應變，產生剪脹，出現負的孔隙壓力，平均有效應力p′隨著偏應力q的增大而增大，相應的應力路徑偏向右側。

3.3 軸向應變幅值影響

為了反映軸向動應變幅值對液化的影響，在含礫量10%、初始有效圍壓為100 kPa的條件下，進行了幅值為0.83%、1.25%、1.67%和2.08%共四種工況的三軸循環(huán)試驗，試驗結果如圖8所示。

圖8 軸向應變幅值對超靜孔隙水壓力比影響

隨著軸向應變幅值的增大，液化所需振次呈現非線性減少，當軸向應變幅值大于1.67%時趨于穩(wěn)定，如圖9所示。

圖9 軸向應變幅值與液化振次的關系

4 結論

采用動三軸儀，進行了等應變幅控制循環(huán)加載下飽和含礫砂土的固結不排水試驗，得到如下結論：

(1) 當重塑含礫砂土試樣的含礫量在0～30%范圍內，試樣的液化振次隨含礫量的增加呈現非線性增長趨勢，表明其抗液化能力在增強。

(2) 隨著等應變幅值的增加，重塑含礫砂土試樣的超靜孔隙水壓力累積加快，試樣發(fā)生液化所需的次數減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) 當初始有效圍壓增大時，試樣的液化所需振次顯著增加，表明試樣的抗液化能力也在提高。

本文只考慮了含礫量為0～30%的飽和含礫砂土的液化特性問題，對較高含礫量時飽和含礫砂土液化特性缺少研究。后續(xù)研究將補充，同時考慮礫粒形狀和制樣方法對飽和含礫砂土液化特性的影響。