張 旭， 譚維佳

(1.中建材西南勘測設(shè)計有限公司,四川 成都 610052；2.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安710054)

大量研究發(fā)現(xiàn)，坡度較大的砂土場地往往在地震液化后產(chǎn)生流動現(xiàn)象并隨之促成明顯的變形；而一些坡度并不大的邊坡，也能產(chǎn)生顯著的地表位移，有些位移甚至達到了數(shù)千米[1-2]。不斷有學者對此類破壞進行現(xiàn)場調(diào)查，以揭示長距離流動破壞的機理。這種地面運動可以在非常平緩的斜坡上大規(guī)模發(fā)生，即使僅有1°～5°[3]。Hidayat等[2]研究認為，造成這種長距離流滑的原因是有效應(yīng)力的顯著降低，以及可能來自承壓含水層或地下斷層水的大量地下水使地表的剪切強度顯著降低。Okamura等[4]研究發(fā)現(xiàn)，為了將夾水層作為推動這種長距離水流滑動的唯一因素，整個區(qū)域的夾水層應(yīng)該是平滑連續(xù)的，而這種假設(shè)與調(diào)查結(jié)果并非完全一致。因此，這種夾水層的概念并不能完全解釋長距離流滑的發(fā)生。Kokusho[5]的研究表明，當傾斜的低滲透層下方形成層間水時，低滲透層及其上層在保持其形狀的同時，由于重力作用會產(chǎn)生較大的變形。

針對砂土的研究，在典型的室內(nèi)不排水剪切試驗中，即使非常松散的砂土，張力較大時砂土的強度和剛度最終也會恢復[6-7]。而結(jié)果表明，在不排水條件下，在緩坡地面不可能發(fā)生長距離流滑。然而，考慮到承壓含水層的地下水或地下斷層水的流入可能為液化層提供了充足的水分，因此允許出現(xiàn)顯著的膨脹現(xiàn)象。而這種情況顯著降低了地表的剪切力，導致即使在緩坡地面也會發(fā)生長距離的流滑[8-9]。

本研究以華東區(qū)域廣泛分布的細砂為研究對象[10]，并采用性質(zhì)較為類似的豐浦砂進行流動變形性質(zhì)分析，采樣砂土在改進的圓柱形空心扭轉(zhuǎn)剪切儀中發(fā)生流動變形行為。采用恒剪應(yīng)力靜態(tài)液化試驗，研究了排水條件下砂土樣本在小初始靜力剪切作用下流動的可能性。而采用相同的現(xiàn)場砂土試樣，進行不排水循環(huán)加載試驗，觀察樣本在不排水條件下的力學行為。

1 大應(yīng)變扭剪試驗

1.1 儀器及樣品準備

本研究采用了一種全自動扭轉(zhuǎn)剪切裝置，裝有空心圓柱形試件(圖1)。試件外徑為100 mm，內(nèi)徑為60 mm，高度為200 mm。該裝置采用皮帶驅(qū)動扭力加載系統(tǒng)，通過電磁離合器和一系列減速齒輪與交流伺服電機連接，可實現(xiàn)超過100%的雙幅剪切應(yīng)變(γ-DA)水平。采用鐵絲和滑輪的外接電位器來測量大面積變形。指定的剪應(yīng)力幅值由連接到計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制，它監(jiān)測來自力傳感器的輸出并計算剪應(yīng)力。通過使用來自Umar中相同試件尺寸的經(jīng)驗方程來校正測量的剪應(yīng)力對膜力的影響[8]。

圖1 空心圓柱扭剪儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of hollow cylindrical torsional shear apparatus

本研究采用細粒含量10%(非塑性)的豐浦砂(Gs=2.648,emax=0.948,emin=0.619)和現(xiàn)場采用的華東細砂(Gs=2.639,emax=0.948,emin=0.519)進行研究，兩種樣品的粒度分布如圖2所示。

圖2 豐浦砂及現(xiàn)場采樣試樣粒度分布圖Fig.2 The particle size distribution of Toyoura sand and field sample

1.2 測試程序

本研究在改進后的扭剪儀上進行了一系列恒定剪應(yīng)力下的靜力液化試驗。所有樣品均采用砂雨法制備并采用雙真空法對試樣進行飽和處理。

對于豐浦砂，試樣進行各向同性固結(jié)，平均有效應(yīng)力(p′)為100 kPa，背壓為200 kPa。固結(jié)后， 排水條件下試件的初始靜態(tài)剪應(yīng)力(τstatic)為7.5 kPa。對于現(xiàn)場樣本，固結(jié)程度達到p′=50 kPa，初始靜態(tài)剪應(yīng)力(τstatic)為4 kPa。豐浦砂樣品和現(xiàn)場樣品的測試條件都代表了1.5%～2%的地面傾角，并通過Chiaro[9]提供的公式進行計算分析。

在初始靜態(tài)剪應(yīng)力(τstatic)作用下，p′隨背壓的增大而逐漸減小，幅度為5 kPa/min；這種減少一直持續(xù)到樣品在τstatic下表現(xiàn)出連續(xù)的流動行為。在減少p′的過程中，樣本的高度沒有固定。當剪切應(yīng)變(γzq)大于80%時終止試驗。在扭剪儀中進行的靜力液化試驗列表如表1所示。

表1 修改后的扭轉(zhuǎn)剪切儀試驗參數(shù)詳情

2 恒剪應(yīng)力靜態(tài)液化試驗條件下豐浦砂的流動變形特性

圖3為密實度相對較低的TS1的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展變化趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，有效應(yīng)力(p′)的降低是由于背壓的增加導致的。當p′減少時，體積應(yīng)變(εvol)逐漸增大。εvol的增加導致了剪切應(yīng)變(γzq)以特定增量不斷增大。該試樣的γzq發(fā)展主要分為A、B、C三種破壞狀態(tài)，與流動變形行為相對應(yīng)。

圖3 松散試樣的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展(TS1)的時間序列Fig.3 Stress-strain development of loose specimen (TS1) in time series

對于試件TS1，在A狀態(tài)下，當p′ =15 kPa時，γzq從1.6%顯著提高到6.4%。隨后逐漸增長放緩至停止。p′的降低導致γzq(狀態(tài)B)從6.4%提高到了25%，并且持續(xù)到γzq達到47%。隨著γzq的連續(xù)增長，狀態(tài)C時的有效應(yīng)力p′和剪應(yīng)力τ均突然下降，但下降后又出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象。

在相對密實度較高的試件(TS6)上也進行同樣的觀察，如圖4所示。對于TS6試樣在狀態(tài)A，有效應(yīng)力p′=8 kPa時，γzq由2.3%發(fā)展到18%。狀態(tài)B時，監(jiān)測到p′=5 kPa，此時γzq持續(xù)增加，從18%發(fā)展到43%。當γzq達到43%后，在p′和τ急速下降時可以觀測到C狀態(tài)。在這種情況下，TS6的應(yīng)力恢復速度快于TS1。

圖4 緊密試樣的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展(TS6)的時間序列Fig.4 Stress-strain development of dense specimen (TS6) in time series

豐浦砂在A、B和C狀態(tài)下的行為與流入的水流行為的發(fā)展相對應(yīng)。在狀態(tài)A試樣表現(xiàn)出初步的軟化行為，原因與試樣的相位變換有關(guān)。通過B狀態(tài)下觀察到p′的進一步減小導致了剪應(yīng)變的持續(xù)發(fā)展，這一特性代表了恒定剪應(yīng)力下試件的流動特性。最后，在狀態(tài)C中可以觀察到應(yīng)力突然下降的特殊現(xiàn)象。這種應(yīng)力下降可能是由于試樣在排水條件下的大變形而導致的顆粒咬合損失的標志。隨后是應(yīng)力恢復，即土體強度的恢復。通過比較TS1和TS6的應(yīng)力恢復情況，可見，TS1的應(yīng)力恢復時間要比TS6長，說明松散試樣為了調(diào)動相同的作用剪應(yīng)力需要更多的時間恢復土的強度。

在應(yīng)力恢復后，試樣的形狀變得相對不均勻。圖5為實驗過程中試件形狀的變化。圖5(a)、(b)為應(yīng)力下降前試件的形狀，觀察可見試樣的形狀仍然是一致的。隨著剪切應(yīng)變的增大，出現(xiàn)了一些膜皺。圖5(c)為應(yīng)力下降后的形狀，可以看出，試樣在應(yīng)力下降后發(fā)生了嚴重的變形。因此，狀態(tài)C后試件的變形并不合理，存在一定偏差，因此不必納入結(jié)果討論范圍。圖5(d)為γzq=100%時的試件形狀。

圖5 TS1在扭剪靜力液化試驗中試件形狀的變化Fig.5 Specimen shape change of TS1 during static liquefaction test in torsional shear

圖6為豐浦砂的體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變曲線圖。Sento等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)砂樣的體積膨脹取決于試樣的初始密度。初始密度越大，體積應(yīng)變的發(fā)展速度越快。在本研究中也可以得到同樣的結(jié)果，試件TS6的體積應(yīng)變(εvol)發(fā)展較快，密度最大。這一結(jié)果也說明密集的材料需要更多的水來誘導連續(xù)流動狀態(tài)。在本研究中，無論試樣的初始密度如何，都可以觀察到A、B、C三種狀態(tài)。

圖6 豐浦砂體應(yīng)變與體積應(yīng)變的關(guān)系(TS1—TS6)Fig.6 Relationship of volumetric strain and shear strain of Toyoura sand(TS1—TS6)

3 原位砂土的流動變形特性

在扭剪儀中進行恒定剪應(yīng)力下的靜態(tài)液化試驗，通過現(xiàn)場實測，驗證了進水機制能否解釋當前的流動災害。假設(shè)地面傾角為1.5%左右，τstatic設(shè)為4 kPa,p′設(shè)為50 kPa。由原狀樣品估算該材料的現(xiàn)場密度為1.485 g/cm3。初始相對密度計算為75%，說明現(xiàn)場樣本處于在稠密的狀態(tài)。圖7顯示了在扭轉(zhuǎn)剪切儀中使用該現(xiàn)場材料的靜態(tài)液化的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展。

圖7 恒定剪應(yīng)力下靜態(tài)液化過程中應(yīng)變和應(yīng)力在時間序列中的發(fā)展(NS1)Fig.7 Strains and stresses development in time series of static liquefaction with constant shear stress of field(NS1)

在此條件下，試件呈現(xiàn)A、B、C三種破壞狀態(tài)。狀態(tài)A出現(xiàn)在p′=6 kPa時。在p′=2 kPa時，εvol為-4.1%，狀態(tài)B為連續(xù)流動失效的開始，當p′達到1 kPa時，狀態(tài)C出現(xiàn)。與試件TS5相比，其Drini=73%，εvol=-3%，由此可以推斷，流動樣品(Drini=75%)明顯需要更多的水來產(chǎn)生連續(xù)的流動行為。這一結(jié)果大致說明，與純砂試樣相比，細砂含量(FC=10%)的試樣需要更多的水使其產(chǎn)生流動特性。

為了研究這種現(xiàn)象是否會在不排水條件下發(fā)生，通過不排水循環(huán)加載后的不排水單調(diào)加載試驗，與上述靜力液化試驗進行了對比。在這個實驗中，野外砂土樣品采用空氣沉降法準備，干密度為1.56 g/cm3(Dr=84%)。

由于固結(jié)后試件處于不排水循環(huán)荷載作用下，試件的剪切應(yīng)變(γzq)達到10.2%(雙振幅)，說明試件已經(jīng)液化(γzq>7.5%)。從這個狀態(tài)，液化試樣直接承受不排水單調(diào)加載，直至剪切應(yīng)變達到80%以上(γzq>80%)。有效應(yīng)力路徑及剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系分別如圖8和圖9所示。

圖8 砂土不排水循環(huán)加載實驗后的有效應(yīng)力路徑(NS2)Fig.8 Effective stress path of sandy soil under undrained cyclic loading test followed by monotonic loading(NS2)

圖9 砂土在不排水循環(huán)加載下的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系(NS2)Fig.9 Shear stress and shear strain relationship of sandy soil(NS2)

結(jié)果表明，在單調(diào)加載過程中，隨著剪切應(yīng)變的增加，剪切應(yīng)力不斷增加，在大應(yīng)變狀態(tài)(γzq>85%)表現(xiàn)出非流動行為。這一結(jié)果表明，在此現(xiàn)場條件下，土體液化不能單獨引發(fā)流動破壞。然而有必要在流變學實驗中檢驗這一概念，如使用環(huán)剪切儀器，以研究不排水條件下試樣的流動行為。靜態(tài)液化試驗可以描述試樣在靜態(tài)條件下的流動特性。動態(tài)條件下的流動行為觀察可能是全面解釋當前災害機制的必要條件。

4 結(jié)論

本研究針對華東區(qū)域砂土的變形特性，在改良的空心圓柱扭轉(zhuǎn)剪切儀中采用涌水量概念進行試驗，采用恒定剪應(yīng)力靜態(tài)液化試驗確定排水條件以及小初始靜力剪切條件下試樣流動的可能性。不排水循環(huán)加載試驗被對比采用以觀察行為特征。研究發(fā)現(xiàn)：

1)無論初始密度如何，在每個試件上都可以觀察到初始軟化、連續(xù)流動和應(yīng)力下降現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，密集的標本需要更多的水才能產(chǎn)生連續(xù)流動行為。

2)對采用土的靜力液化試驗表明，該材料在涌水機制下可以產(chǎn)生流動。而對比顯示，該材料在典型不排水試驗中，該材料表現(xiàn)出非流動特性，甚至樣本也發(fā)生了液化。