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        循環(huán)荷載作用下粉細砂不排水動力響應(yīng)和強度特性研究

        2022-07-03 10:09:14周高云管紅輝
        低溫建筑技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:粉粒孔壓粉砂

        周高云, 管紅輝

        (浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,杭州 310058)

        0 引言

        飽和砂土地基通常處于復(fù)雜的初始應(yīng)力狀態(tài),在受到自重及循環(huán)荷載作用時會發(fā)生沉降過大、液化等危害,因此飽和砂土在循環(huán)荷載作用下的液化行為已是巖土地震工程領(lǐng)域的重要課題。同時,液化現(xiàn)象相關(guān)的現(xiàn)場調(diào)研表明,發(fā)生液化的砂土地基中通常含有顆粒直徑小于75μm的粉土顆粒[1,2]。因此文中對不同初始偏應(yīng)力條件下的標(biāo)準(zhǔn)福建砂和砂粉混合材料進行一系列不排水循環(huán)三軸試驗,研究初始偏應(yīng)力和粉粒對循環(huán)液化行為的影響。

        注意到含有粉粒時砂土的液化行為可能與純砂不同,大量的室內(nèi)外試驗針對砂-粉混合土循環(huán)液化行為開展了廣泛的研究。室外原位試驗表明,粉粒的存在有效提高了土體的抗液化能力[3];劉雪珠等[4]通過室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn),隨著fc的增加土體動強度先減小后增大,并在約fc=10%處取得最小值;Polito等[5]通過一系列的不排水循環(huán)三軸試驗發(fā)現(xiàn)在相對密實度Dr相同的情況下,砂土的動強度隨著粉粒含量先不變后增強。Thevanayagam等[6]根據(jù)粉粒是否參與顆粒間傳力,先后引入骨架孔隙比es和等效骨架孔隙比es,eq作為參數(shù)指標(biāo)。當(dāng)試驗保持es不變時,含粉粒砂的動強度相比于純砂有所下降[7];而當(dāng)es,eq保持不變時,則含粉砂的動強度會有適當(dāng)提升,或者兩者無明顯差異[8]。在保持含粉粒砂和純砂的es或者es,eq恒定不變時,通常意味著砂土Dr的增加或者減少,并最終導(dǎo)致抗循環(huán)液化能力的變化。因此,正如Sadek等[9]所述,采用恒定的Dr更適合進行純砂和含粉粒砂循環(huán)液化行為的比較。

        然而上述的實驗均未考慮初始靜剪應(yīng)力的影響。但公路路堤中,土體在承受循環(huán)荷載之前通常已經(jīng)受到持續(xù)的靜剪應(yīng)力作用[10]。目前關(guān)于初始靜剪應(yīng)力對含粉砂不排水循環(huán)特性影響的研究尚未達成共識。Wei等[11]指出,靜剪應(yīng)力的影響取決于含粉砂的初始圍壓和密度條件。

        研究對純砂和粉砂進行了一系列不排水循環(huán)三軸試驗。試驗結(jié)果主要包括3個方面的內(nèi)容:純砂和粉砂具有兩種不同的循環(huán)響應(yīng)模式;初始靜剪應(yīng)力在抗液化破壞中發(fā)揮了積極作用;粉粒的添加使得砂土的動強度、孔壓、剛度等演化存在差異。

        1 試驗介紹

        試驗采用了CKC高級自動三軸試驗系統(tǒng)進行不排水循環(huán)三軸試驗,該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)如各向同性固結(jié)、各向異性固結(jié)以及復(fù)雜的單調(diào)和循環(huán)應(yīng)力路徑等多項功能[12]。試驗中所使用的原始材料為福建砂(后文統(tǒng)一稱作純砂)。除原始純砂以外,試驗中還有由原始砂礫碾磨成的粉粒,這些粉粒的直徑大約在2到75μm之間。這次試驗所使用的砂粉混合材料(后文統(tǒng)一稱為粉砂)是由純砂以及粉?;旌隙桑渲蟹哿:图兩暗幕旌细芍乇壤?:9(fc=10%)。測得試驗所用純砂以及粉砂的粒徑級配累積曲線如圖2所示。由級配曲線可知,粉砂出現(xiàn)了平臺段,說明粉砂存在不連續(xù)粒徑,間隙級配較差。表1給出了實驗兩種砂土的部分物性指標(biāo)。

        圖1 試驗材料的粒徑級配累積曲線

        表1 試驗砂土基本物性指標(biāo)

        三軸試驗所采用的試樣尺寸均為?70×140mm,試樣采用潮濕欠壓法制備,來防止砂粒與粉粒之間的分離[13]。制備完畢后將二氧化碳氣體和無氣水依次循環(huán)通過試樣,隨后利用CKC系統(tǒng)對試樣進行反壓飽和。完成上述步驟后利用CKC試驗系統(tǒng)的B值檢測模塊檢測飽和度,待試樣的B≥0.96可認為達到飽和狀態(tài)。在排水條件下對試樣進行等向固結(jié)至平均有效應(yīng)力p′0=100kPa,隨后再根據(jù)目標(biāo)初始剪應(yīng)力條件沿恒定p′0路徑對試樣進行非等向固結(jié)。待試樣固結(jié)完成后進行循環(huán)加載。

        施加簡諧波荷載進行循環(huán)剪切試驗時,通過考慮初始靜偏應(yīng)力qs和循環(huán)偏應(yīng)力qcyc的各種組合,來實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力路徑,具體見下式:

        式中,f為加載頻率;t為運行時間;試驗中f取0.1Hz。表2給出了試驗的循環(huán)剪切方案,表中的SSR(=qs/2p′0)和CSR(=qcyc/2p′0)分別為靜剪應(yīng)力比和循環(huán)應(yīng)力比。根據(jù)試樣是否含有10%的粉粒,一共組織了系列I和系列II兩組試驗,分別為純砂和粉砂以不同初始靜剪應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力作為考慮因素的綜合試驗。試驗中的純砂和粉砂保持相對恒定的Dr(≈40%)。

        表2 試驗砂土基本物性指標(biāo)

        2 典型響應(yīng)模式

        圖2為等向固結(jié)條件下,相近密實度(Dr≈40%)的純砂與粉砂的循環(huán)剪切行為。由圖2(a)可見,純砂試樣在循環(huán)初始階段的應(yīng)力路徑不斷左移,表明有效應(yīng)力隨著循環(huán)加載不斷減小。在最后4次循環(huán)中,當(dāng)偏應(yīng)力趨近于0時,試樣的有效應(yīng)力也同時趨近于0,當(dāng)偏應(yīng)力不為0時,有效應(yīng)力得到一定程度的恢復(fù),整體呈現(xiàn)出“蝶狀”的有效應(yīng)力路徑。圖2(b)中,由于純砂試樣在循環(huán)加載初始階段的塑性變形發(fā)展極為緩慢,應(yīng)力-應(yīng)變曲線在εa=0%附近分布較密,而在最后的4個循環(huán)中軸向變形在拉伸和壓縮兩個方向都迅速發(fā)展,從而形成了“S”形應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不論是“蝶狀”的有效應(yīng)力路徑還是“S”形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都是等向固結(jié)純砂的典型響應(yīng):“循環(huán)活動性”(Cyclic Mobility)[14]。根據(jù)軸向變形小于5%的雙振幅(DA)軸向應(yīng)變的破壞標(biāo)準(zhǔn)[15]可認為該土樣在Nf=18時發(fā)生液化破壞。圖2(c)與圖2(d)所示的是在等向固結(jié)條件下,與純砂具有相近相對密度(Dr=39%)的粉砂試樣的循環(huán)剪切行為。圖中粉砂表現(xiàn)出了與純砂相似的“蝶狀”的有效應(yīng)力路徑、“S”形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,以及雙振幅的軸向應(yīng)變發(fā)展模式,并在Nf=28時達到了DA軸向應(yīng)變的破壞標(biāo)準(zhǔn)。同時,對比純砂與粉砂可以看出,在等向固結(jié)條件下,兩者的循環(huán)響應(yīng)模式相同,但粉砂達到破壞標(biāo)準(zhǔn)所需的循環(huán)次數(shù)略高于純砂。

        圖2 等向固結(jié)條件下(SSR=0,CSR=0.225)砂土的循環(huán)響應(yīng)

        圖3為非等向固結(jié)條件下,具有相近密實度的純砂與粉砂的有效應(yīng)力路徑和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中所示的循環(huán)剪切行為與圖2存在明顯差異:循環(huán)末期的有效應(yīng)力路徑不再呈現(xiàn)“蝶狀”變化,而是逐漸趨于穩(wěn)定且始終大于0;軸向變形僅在壓縮側(cè)發(fā)展,并隨著應(yīng)變發(fā)展不斷積累。根據(jù)軸向變形小于5%的單振幅(SA)軸向應(yīng)變的破壞標(biāo)準(zhǔn),純砂發(fā)生破壞時的Nf=118,粉砂的Nf=224。這種與“循環(huán)活動性”明顯不同的響應(yīng)模式稱為“殘余變形累積”(Residual Deformation Failure)。在非等向固結(jié)條件下,相同初始靜偏應(yīng)力和循環(huán)偏應(yīng)力的純砂與粉砂相比,后者在受到循環(huán)荷載作用時的動強度明顯要強于前者,主要體現(xiàn)在粉砂達到SA破壞標(biāo)準(zhǔn)時的循環(huán)振次(Nf)要明顯大于純砂。此外,對比兩者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可見純砂在第一個循環(huán)時所發(fā)生的軸向變形要大于粉砂,純砂在循環(huán)初期存在較大有限流動變形可能是導(dǎo)致其Nf小于粉砂的重要原因。

        圖3 非等向固結(jié)條件下(SSR=0.4,CSR=0.4)砂土的循環(huán)響應(yīng)

        3 粉砂與純砂循環(huán)液化行為的對比

        3.1 動強度特性

        由圖2、圖3可知,在相對密實度相近(Dr≈40%)且應(yīng)力狀態(tài)相同的情況下,純砂和粉砂均會表現(xiàn)出“循環(huán)活動性”和“殘余變形累積”兩者循環(huán)響應(yīng)模式,但兩者的動強度存在差異。為討論兩者動強度的差異,圖4(a)和圖4(b)分別給出了純砂和粉砂在不同的初始靜剪應(yīng)力條件下,達到5%應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)(DA或者SA)時所需要的循環(huán)加載次數(shù)(即破壞振次Nf)與CSR之間的關(guān)系曲線。由單一曲線的關(guān)系可知,在SSR一定的情況下,隨著CSR的不斷增加,試樣破壞所需要的Nf不斷減少,表明土體的動強度隨CSR增大而減小。另一方面,由曲線之間的相對位置關(guān)系可知,不論是粉砂還是純砂,在給定Nf的情況下,CSR在SSR取非負數(shù)一側(cè)隨著SSR的增加不斷增大,說明壓縮初始靜剪應(yīng)力的存在有利于增強土體的動強度。為了更直觀地對比動強度特性,引入動強度指標(biāo)CRRN=20(Cyclic resistance ratio)。CRRN=20為試樣恰好在第20個加載振次發(fā)生破壞時所對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力比。圖5為純砂與粉砂在不同初始靜剪應(yīng)力條件下CRR-SSR關(guān)系圖。從圖中可以看出,不論是純砂還是粉砂,CRR都隨著SSR的增大而單調(diào)增加,表明壓縮初始靜偏應(yīng)力(qs)的存在,增強了砂土的動強度。此外,粉砂的CRR-SSR曲線始終在位于純砂之上,表明10%的粉粒含量對增強砂土動強度有積極作用。

        圖4 不同的初始應(yīng)力狀態(tài)下Nf-CSR曲線

        圖5 粉砂與純砂動強度對比曲線

        3.2 孔壓發(fā)展特性

        循環(huán)荷載作用下飽和砂土中殘余孔壓的累積將導(dǎo)致有效應(yīng)力下降,土體強度衰減。因此殘余孔壓是土體動力穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵因素。純砂在每個循環(huán)結(jié)束時所對應(yīng)的殘余孔壓除以試樣失效狀態(tài)時所對應(yīng)的殘余孔壓得到un;將當(dāng)前循環(huán)次數(shù)N除以Nf得到Nn。圖6為不同的初始應(yīng)力狀態(tài)下純砂的Nn-un關(guān)系曲線??梢钥闯?,在給定的SSR條件下,不同CSR試樣的Nn-un曲線總體上趨勢相近。當(dāng)SSR=0時,殘余孔壓在初始階段快速發(fā)展,隨后進入較為平緩的發(fā)展階段,最后再次以較快的速率達到飽和值(un=1.0)。對于SSR=0.2的試樣,其孔壓發(fā)展也在初始階段快速發(fā)展,隨后保持相對恒定的速率直到un=1.0,該曲線位于SSR=0試樣的曲線之上,說明初始靜剪使試樣在循環(huán)加載的初期擁有更快的孔壓發(fā)展速率。隨著SSR進一步增大到0.4,試樣孔壓在初始階段快速發(fā)展之后,進入較為平緩的發(fā)展階段直至un=1.0。粉砂的孔壓發(fā)展規(guī)律也能觀察到類似的現(xiàn)象,在此不做贅述。

        圖6 純砂歸一化循環(huán)次數(shù)與孔隙水壓力關(guān)系曲線

        圖7對比了粉砂和純砂的孔壓發(fā)展趨勢。圖7(a)中SSR=0的純砂和粉砂孔壓發(fā)展的總體趨勢相近,前者略高于后者。隨著初始靜剪應(yīng)力狀態(tài)增大到SSR=0.4,如圖7(b)所示,純砂和粉砂的Nn-un發(fā)展趨勢出現(xiàn)了差異:粉砂孔壓發(fā)展趨勢總體上位于純砂之下,在孔壓發(fā)展初期純砂擁有更快的孔隙水壓力發(fā)展速率,而后期兩者均以平緩的速率發(fā)展至飽和狀態(tài)。可見在非等向固結(jié)條件下,純砂的前期發(fā)生更明顯的剪縮變形,其在早期有更大的軸向變形和孔壓增長速率,進而導(dǎo)致純砂與相同條件下的粉砂循環(huán)振次差距明顯。

        圖7 粉砂與純砂的孔壓發(fā)展對比曲線

        3.3 剛度衰減

        為進一步探究純砂和粉砂在循環(huán)荷載條件下剛度演化規(guī)律,引入等效楊氏模量Eeq描述試樣剛度,其中Eeq可由q-εa滯回曲線中最大、最小偏應(yīng)力所對應(yīng)的割線剛度計算得到,具體可參考Pan等。

        圖8、圖9所示為砂土試樣的Eeq與試樣在單個滯回曲線中軸向應(yīng)變幅值(εa,cyc)之間的關(guān)系曲線,均采用雙對數(shù)坐標(biāo)。從圖8中可以看出,在相同的SSR條件下,不同的循環(huán)幅值之間其剛度衰減過程無明顯差異,均在雙對數(shù)坐標(biāo)中大致呈現(xiàn)線性分布;不同SSR下剛度衰減的趨勢線(即圖8中的虛線)之間相對位置關(guān)系明確,沒有相交或重疊,表明給定εa,cyc的情況下,Eeq隨著SSR增加不斷增大。圖9同時給出了純砂與粉砂不同初始應(yīng)力狀態(tài)下的Eeq-εa,cyc關(guān)系曲線。從中可以看出粉砂的Eeq-εa,cyc關(guān)系也有與純砂相同分布規(guī)律。同時還可以看出純砂與粉砂的剛度衰減過程并無差異,純砂各點基本均布在粉砂Eeq-εa,cyc趨勢線上。

        圖8 粉砂的Eeq-εa,cyc關(guān)系

        圖9 純砂與粉砂的Eeq-εa,cyc關(guān)系對比

        4 結(jié)語

        文中通過一系列不排水循環(huán)三軸試驗研究了相同密實度的飽和純砂與粉砂在不同初始靜剪應(yīng)力和循環(huán)剪應(yīng)力條件下的循環(huán)特性和動強度特性。主要得出以下結(jié)論:

        (1) 試驗中飽和純砂和粉砂在不排水循環(huán)荷載作用下均表現(xiàn)出兩種響應(yīng)模式,一種是以“蝶狀”有效應(yīng)力路徑和“S”形應(yīng)力-應(yīng)變曲線為特征的“循環(huán)活動性”響應(yīng);另一種是軸向變形不斷累積的“殘余變形累積”。循環(huán)響應(yīng)模式的差異主要與初始靜偏應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力的大小有關(guān)。

        (2) 在壓縮初始靜剪應(yīng)力作用下,土體動強度CRR隨著SSR的增大而增大;相對密實度相同的情況下,粉砂動強度略高于純砂,表明10%粉粒含量對砂土動強度有促進作用。初始靜剪應(yīng)力使得試樣在循環(huán)加載的初期擁有更快的孔壓發(fā)展速率;粉粒的存在減緩了砂土在循環(huán)初期的孔壓發(fā)展速率,對土體的動強度有促進作用。

        (3) 砂土的剛度衰減曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,表明Eeq可通過冪函數(shù)與εa,cyc建立聯(lián)系,且該函數(shù)關(guān)系可不考慮循環(huán)應(yīng)力比和10%的粉粒含量的影響。

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