嚴(yán)遠(yuǎn)方,黃詩洪,覃子秀

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

飽和粉、細(xì)砂在地震、施工機械或車輛荷載等動力作用下引發(fā)的液化現(xiàn)象是交通建設(shè)領(lǐng)域較為關(guān)注的病害問題之一[1-3]?，F(xiàn)有研究成果表明,細(xì)粒含量、地下水位和動荷載的頻譜特性是引起飽和砂土發(fā)生液化的主要原因[4-6],同時砂土層的土層埋深、覆蓋層特性及建(構(gòu))筑物也是影響液化程度的重要因素[7-9]。由于吹填場地建設(shè)過程中的工程荷載和通車運營后的荷載發(fā)生持續(xù)性變化,導(dǎo)致此類場地路基抗液化性能也隨之改變,而孔隙水壓力作為衡量土體應(yīng)力狀態(tài)的一項重要指標(biāo),對于研究路基的抗液化性能至關(guān)重要。目前關(guān)于粉細(xì)砂及細(xì)顆粒土的孔隙水壓力研究方向主要分為兩類:

(1)側(cè)重于根據(jù)孔隙水壓力建立相關(guān)預(yù)測模型,如張建磊等[10]根據(jù)動三軸試驗和地震波強度建立的能量孔隙水壓力模型,并結(jié)合滲透性和剪應(yīng)力折減函數(shù)的影響提出的液化場地風(fēng)險評估方法;蔡國軍等[11]根據(jù)不完全孔隙水壓力建立的孔壓消散改進模型,可較準(zhǔn)確地預(yù)測土體孔隙水壓力;曹華峰等[12]根據(jù)松弛時間和荷載頻率對孔隙水壓力發(fā)展的影響,提出了孔隙水壓力極值狀態(tài)時的松弛時間和荷載頻率關(guān)系曲線。

(2)側(cè)重于孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律的影響研究,如丁瑜等[13]認(rèn)為引起路基土體細(xì)顆粒遷移的主導(dǎo)因素是動荷載作用下土體內(nèi)部產(chǎn)生的超孔隙水壓梯度;牛琪瑛等[14]在碎石樁加固地基過程中發(fā)現(xiàn),超孔隙水壓力變化與埋深的相關(guān)性不大,但孔壓比峰值隨埋深增加明顯減小。

由上述研究現(xiàn)狀可知,關(guān)于液化土層孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律的研究多數(shù)集中在埋深、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、動荷載特性和初始應(yīng)力條件等方面,而以振動臺試驗研究固結(jié)壓力對路基液化趨勢或超孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律鮮有報道。工程建設(shè)具有長期性、連續(xù)性和復(fù)雜性的特點,尤其是在內(nèi)、外荷載作用下,路基壓實度將發(fā)生連續(xù)性變化,壓實度的變化會引起此類路基中孔隙水的壓力發(fā)生變化進而影響路基的抗液化性能。因此,本文基于目前現(xiàn)狀,以北部灣地區(qū)海積軟土和細(xì)沙構(gòu)建的簡化吹填場地路基模型為研究對象,運用自行設(shè)計的可連續(xù)加載的疊層狀剪切箱裝置,開展豎向固結(jié)壓力改變后的吹填場地路基砂土層超孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律的振動臺試驗研究,為類似的特殊路基進行抗液化分析時提供參考。

1 模型制作

1.1 試驗設(shè)備

試驗?zāi)Ｐ吐坊拈L度、密度和加速度的相似比分別為10.0、1.0和1.0,振動方向為水平單向,尺寸為2.08 m(長)×1.0 m(寬)×1.7 m(高)。豎向壓力加載裝置主要由加壓鋼板、智能液壓千斤頂、反力架和壓力傳感器組成。

1.2 模型土的物理性質(zhì)指標(biāo)

選用的海積軟土、砂土和海水均是來自北部灣濱海地區(qū),海積軟土層和吹填砂層厚度分別設(shè)置為1.0 m和0.5 m。由于砂土含有較多貝殼類雜質(zhì),試驗前用2 mm篩對其進行過篩處理。海積軟土和篩分后的砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1和表2、下頁圖1所示。

圖1 模型土粒徑累計曲線圖

表1 海積軟土基本物理指標(biāo)表

表2 細(xì)砂物理指標(biāo)表

1.3 傳感器布置

試驗共布設(shè)5個孔隙水壓力傳感器,平面布置在模型路基的中心,豎向距地表埋深分別為0.05 m、0.15 m、0.25 m、0.35 m、0.45 m。

2 試驗參數(shù)

2.1 輸入波

試驗以2008年汶川地震茂縣地辦臺站、新津梨花臺站和湖北恩施臺站的基巖加速度記錄為輸入波,按照時間相似原則將其持時壓縮,并濾除10 Hz以上高頻成分,如圖2、表3所示。

(a)茂縣波加速度時程

2.2 加載工況

參考北部灣地區(qū)抗震設(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn),模型路基的基本加速度(中震)設(shè)定為0.10 g,小震加速度為0.05 g,大震加速度為0.20 g。地下水位面固定在距離地表0.3 m處。固結(jié)壓力設(shè)置4組,分別為0.0 kPa、10.0 kPa、20.0 kPa、30.0 kPa,其中0.0 kPa和10.0 kPa固結(jié)壓力各6組試驗,20.0 kPa、30.0 kPa各9組試驗,總共30組地震波激振試驗。振動試驗均在模型路基固結(jié)穩(wěn)定后進行。

2.3 停止工況

每級固結(jié)壓力的試驗停止標(biāo)準(zhǔn)為路基地表出現(xiàn)開裂或冒水現(xiàn)象,停止時輸入波類型和幅值如表4所示。

表4 振動停止時工況表

3 試驗結(jié)果

限于篇幅,本文僅探討試驗停止工況下的模型路基砂土層超孔隙水壓力的時程特征。在固結(jié)壓力0.0 kPa時,輸入幅值0.10 g的恩施波后,模型路基地表開裂,未有冒水現(xiàn)象;固結(jié)壓力增加至10.0 kPa時,輸入幅值0.10 g的恩施波后,模型路基地表未開裂,局部區(qū)域有冒水且表層細(xì)砂呈流體狀,砂土層出現(xiàn)了液化趨勢;固結(jié)壓力增加至20.0 kPa時,輸入幅值0.20 g的恩施波后,模型路基地表未開裂,大部分區(qū)域有冒水且表層細(xì)砂也呈現(xiàn)流體狀,砂土層液化趨勢加劇;固結(jié)壓力增加至30.0 kPa時,輸入幅值0.20 g的恩施波后,模型路基地表未開裂,中心區(qū)域有冒水,少部分表層細(xì)砂呈現(xiàn)流體狀,砂土層液化趨勢減弱。

對比4組固結(jié)壓力試驗后的模型地表反應(yīng)可以發(fā)現(xiàn):隨著固結(jié)壓力增加,模型路基的破壞形式由地層開裂逐漸演化為砂土液化,液化程度呈現(xiàn)先增強后減弱趨勢,并且增加固結(jié)壓力后,模型路基發(fā)生震害時所需要的輸入地震動強度也隨之增強。

各級荷載作用下的砂土層超孔隙水壓力時程曲線如圖3～6所示。

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

由圖3～6可知:

(1)超孔隙水壓力在4組固結(jié)壓力作用后的增長規(guī)律呈現(xiàn)出兩類特征:①在固結(jié)壓力0.0 kPa、10.0 kPa、30 kPa作用后呈現(xiàn)的“單峰”特征,即輸入波峰值作用后,超孔隙水壓力急劇上升,達到峰值后的維持時間較短,并隨輸入波的幅值減弱逐漸減小至振動停止;②在固結(jié)壓力20.0 kPa作用后呈現(xiàn)的“平臺”特征,即輸入波峰值作用后,超孔隙水壓力呈現(xiàn)急劇上升趨勢,并且在振動過程中維持最大超孔隙水壓力相對穩(wěn)定,在振動停止一段時間后才逐漸消減。結(jié)合前述試驗停止時模型場地地表狀況可知,“平臺型”的超孔隙水壓力增長模式引起的砂土層液化現(xiàn)象較“單峰型”更為顯著。

(2)固結(jié)壓力對模型路基超孔隙水壓力的增長趨勢有抑制作用。以埋深0.45 m的砂土層超孔隙水壓力為例,在輸入波為0.01 g幅值時,0.0 kPa固結(jié)壓力(即原始狀態(tài))后,模型路基的最大超孔隙水壓力為2.85 kPa,出現(xiàn)時間為16.44 s;10.0 kPa固結(jié)壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力為0.56 kPa,出現(xiàn)時間為14.48 s,超孔隙水壓力減小至原場地的0.195倍。在輸入波為0.02 g幅值時,20.0 kPa固結(jié)壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力為6.57 kPa,出現(xiàn)時間為21.05 s;30.0 kPa固結(jié)壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力為4.20 kPa,出現(xiàn)時間為16.13 s,超孔隙水壓力減小至20.0 kPa固結(jié)壓力作用后場地的0.639倍。

(3)振動停止后,“平臺型”超孔隙水壓力的數(shù)值和維持穩(wěn)定的時長均與埋深相關(guān)。埋深0.45 m時,超孔隙水壓力穩(wěn)定時長為0.65 s,穩(wěn)定超靜孔隙水壓為5.82 kPa;埋深0.35 m時,超孔隙水壓力穩(wěn)定時長為1.27 s,穩(wěn)定超靜孔隙水壓為5.49 kPa;埋深0.25 m時,超孔隙水壓力穩(wěn)定時長為3.96 s,穩(wěn)定超靜孔隙水壓為4.40 kPa;埋深0.15 m時,超孔隙水壓力穩(wěn)定時長為6.48 s,穩(wěn)定超靜孔隙水壓為3.07 kPa;埋深0.05 m時,超孔隙水壓力穩(wěn)定時長為7.61 s,穩(wěn)定超靜孔隙水壓為2.23 kPa。

4 結(jié)語

本文利用自行設(shè)計的可施加固結(jié)壓力的試驗裝置,開展了吹填場地的軟土細(xì)砂路基模型在不同固結(jié)壓力作用后,砂土層超孔隙水壓力在地震荷載作用時的響應(yīng)規(guī)律研究,主要得出以下結(jié)論:

(1)增加固結(jié)壓力可以有效地提高模型路基的抗液化性能。小震時,10.0 kPa固結(jié)壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力相對于原始狀態(tài)可減少至0.195倍;中震時,30.0 kPa固結(jié)壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力相對于20.0 kPa固結(jié)壓力可減少至0.639倍。因此,在工程建設(shè)過程中,應(yīng)考慮固結(jié)壓力變化對此類特殊路基抗液化性能的影響。

(2)隨著固結(jié)壓力的增大,吹填場地路基的超孔隙水壓力有“單峰型”和“平臺型”兩類增長模式?！捌脚_型”增長模式對砂土場地路基液化趨勢的影響較“單峰型”顯著,在工程建設(shè)中應(yīng)重點考慮“平臺型”超孔隙水壓力引發(fā)的砂土液化問題。

(3)振動停止后,模型路基中的“平臺型”超孔隙水壓力的大小與埋深呈正相關(guān),持續(xù)時長與埋深呈負(fù)相關(guān)。埋深越大,超孔隙水壓力越大,持續(xù)時間越短;埋深越淺,超孔隙水壓力越小,但持續(xù)時間越長。