利用GDS多方向動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)單剪試驗(yàn)，對(duì)相對(duì)密實(shí)度為80%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，在飽和、均等固結(jié)條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載剪切試驗(yàn)，探究循環(huán)應(yīng)力比對(duì)不排水條件下密砂循環(huán)特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：密砂抗液化能力與循環(huán)應(yīng)力比密切相關(guān)，循環(huán)應(yīng)力比越大，孔壓上升越快，應(yīng)變發(fā)展越快，試樣在更少的加載圈數(shù)下更容易發(fā)生液化。

動(dòng)單剪; 循環(huán)應(yīng)力比; 福建標(biāo)準(zhǔn)砂; 液化

TU411.2A

建筑設(shè)備與建筑材料建筑設(shè)備與建筑材料

［定稿日期］2023-02-28

［基金項(xiàng)目］四川省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022NSFSC0475）

［作者簡(jiǎn)介］蔣民軒（1997—），女，碩士，研究方向?yàn)榈卣疬吰隆?/p>

0" 引言

砂土作為一種天然的建筑材料被廣泛地應(yīng)用在路堤、大壩、斜坡等各種建筑設(shè)施基礎(chǔ)中［1］。影響飽和砂土液化的因素有很多，如：動(dòng)強(qiáng)度、砂土的類型和狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)等。在循環(huán)荷載特別是地震荷載作用下，砂土易發(fā)生液化進(jìn)而引發(fā)修建在砂土地基上的建筑物出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生破壞。

飽和松散的砂土在動(dòng)荷載作用下喪失其原有強(qiáng)度而急劇轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，稱為振動(dòng)液化［2］。振動(dòng)液化現(xiàn)象是一個(gè)特殊的強(qiáng)度問(wèn)題，表現(xiàn)為強(qiáng)度大幅度喪失，在施加周期循環(huán)荷載的動(dòng)三軸試驗(yàn)中已將這種現(xiàn)象得到證實(shí)。砂土液化常在地震時(shí)發(fā)生，1966年邢臺(tái)地震、1975年海城地震和1976年唐山地震都引發(fā)了大范圍的砂土液化，液化造成地基喪失承載力，建筑物大量沉陷和倒塌。之后，有很多研究者都開展了大量工作來(lái)解釋和理解土壤液化［3-8］。1688年我國(guó)山東郯城地震就有記錄顯示“城東北，井三口，噴水高三四尺”。1970年以來(lái)，F(xiàn)inn［9］在1981年的國(guó)際會(huì)議上第一次提出液化的潛在性；Ishihara K等［10］通過(guò)三軸扭轉(zhuǎn)裝置研究了飽和砂土的液化特性；Seed等［11-12］研究了飽和砂土在地震循環(huán)荷載作用下的液化問(wèn)題及不排水條件下的孔隙水壓力的形成和殘余強(qiáng)度等；Yoshimi等［13-14］研究了不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)下的未擾動(dòng)砂土的循環(huán)特性等；同濟(jì)大學(xué)的周健和史旦達(dá)等［15］研究過(guò)循環(huán)荷載作用下的飽和砂土的液化特性。

基于動(dòng)單剪試驗(yàn)，使用福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為試驗(yàn)材料，制成密實(shí)度為80%的密砂，在相同的條件下進(jìn)行飽和、固結(jié)，加載不同循環(huán)應(yīng)力比的正弦波荷載，為探究不同循環(huán)應(yīng)力比對(duì)砂土循環(huán)特性的影響。

1" 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

使用的儀器是英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的多方向動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)（MDDSS），如圖1所示。MDDSS采用電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提供3個(gè)動(dòng)態(tài)控制作動(dòng)器，3個(gè)方向均可獨(dú)立進(jìn)行加載，可以施加最大法向荷載（x向）10 kN、剪切向?yàn)? kN（y和z向），頻率為1 Hz的動(dòng)態(tài)荷載。在試驗(yàn)過(guò)程可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制，儀器的所有加荷控制和測(cè)量數(shù)據(jù)均可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示反饋。

如圖2所示，在試驗(yàn)中使用高度為20 mm和直徑為50 mm的圓柱形試樣。這樣的直徑與高度比可以盡量減小試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變的不均勻性［16-18］。將24個(gè)低摩擦性的聚四氟乙烯涂層環(huán)（每個(gè)高 1.1 mm）放置在試樣橡膠膜外部。聚四氟乙烯涂層環(huán)環(huán)的硬度可以保證試樣實(shí)現(xiàn)K0固結(jié)。接著，在常體積條件下進(jìn)行不排水加載試驗(yàn)。在不排水循環(huán)剪切試驗(yàn)中，試樣的高度和直徑恒定，儀器保持試樣頂座固定，而底座以一定的速率移動(dòng)。儀器具備反壓壓力源，可以在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量超孔隙水壓力。

采用的試驗(yàn)材料是福建標(biāo)準(zhǔn)砂，福建標(biāo)準(zhǔn)砂是二氧化硅為主要成分的天然石英質(zhì)海砂。將砂烘干后進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)、最大最小干密度實(shí)驗(yàn)、相對(duì)密度試驗(yàn)，表1總結(jié)了福建標(biāo)準(zhǔn)砂的基本物理性質(zhì)，級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

2" 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在疊置的聚四氟乙烯涂層環(huán)內(nèi)套橡膠膜，放置濕潤(rùn)后的濾紙，使用落砂法分3層在橡膠膜內(nèi)均勻填上福建標(biāo)準(zhǔn)砂，制成密實(shí)度Dr為80%，高度20 mm、50 mm的圓柱形試樣。然后對(duì)試樣進(jìn)行飽和，在本實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)試樣都進(jìn)行了3個(gè)階段的飽和過(guò)程，首先是二氧化碳飽和，在圍壓20 kPa條件下通CO2 維持2 h，接著是水飽和，保持圍壓20 kPa，反壓10 kPa，維持2 h，最后是反壓飽和，采用圍壓與反壓相差10kPa梯級(jí)加載的方式。飽和階段完成后，固結(jié)使有效圍壓σ′v 達(dá)到100 kPa，維持至關(guān)閉排水閥后5 min內(nèi)孔隙壓力不上升即認(rèn)為固結(jié)完成。固結(jié)完成后關(guān)閉排水閥，然后進(jìn)行應(yīng)力控制的循環(huán)剪切試驗(yàn)，施加頻率為0.2 Hz的正弦波荷載。破壞標(biāo)準(zhǔn)選用孔壓標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)孔壓達(dá)到固結(jié)圍壓時(shí)，認(rèn)定為破壞。

為了研究不同循環(huán)應(yīng)力水平對(duì)福建標(biāo)準(zhǔn)砂不排水循環(huán)特性的影響，循環(huán)應(yīng)力比CSR=τd/σ′v，其中τd為循環(huán)剪應(yīng)力、σ′v為初始固結(jié)有效應(yīng)力，設(shè)置CSR依次為0.3、0.4、0.5，加載波形為等幅正弦波，加載頻率為0.2 Hz。

建筑設(shè)備與建筑材料蔣民軒： 福建標(biāo)準(zhǔn)砂的液化特性試驗(yàn)研究

3" 結(jié)果分析

圖4（a）、圖4（b）顯示了試樣在CSR為0.3的正弦荷載條件下的有效應(yīng)力曲線和超靜孔隙水壓增長(zhǎng)曲線。隨著不斷加載，超靜孔隙水壓力逐漸增大，在接近37個(gè)循環(huán)時(shí)，開始保持穩(wěn)定的振動(dòng)。由于超靜孔隙水壓力的積累而引起的有效應(yīng)力減小，有效應(yīng)力路徑逐漸向原點(diǎn)移動(dòng)，趨近于零，同時(shí)超靜孔隙水壓力并非一直保持在初始圍壓水平，而是隨著正弦波荷載作用循環(huán)變化，所以試樣加載后得到的應(yīng)力路徑在原點(diǎn)附近循環(huán)，結(jié)果形成一個(gè)完美的蝴蝶形曲線。圖4（c）顯示了應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線類似于一系列原點(diǎn)對(duì)稱的封閉滯回圈。在最初幾個(gè)循環(huán)，滯回圈比較陡峭，斜率較大，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，滯回圈逐漸向右傾斜，漸漸被拉長(zhǎng)，從較為飽滿的橢圓變?yōu)楸馄降乃鬆睢?/p>

圖5顯示了試樣的CSR為0.4的正弦荷載條件下的破壞過(guò)程。圖5（d）顯示了應(yīng)變發(fā)展曲線，試樣應(yīng)變隨著正弦波應(yīng)力不斷循環(huán)，加載前9圈，應(yīng)變變化范圍很小（γlt;1%），隨著循環(huán)圈數(shù)N的增加，應(yīng)變不斷增加，直到加載到第34圈試樣達(dá)到孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖6顯示了試樣在CSR為0.5的正弦荷載條件下的破壞過(guò)程。在不排水條件下，隨著循環(huán)圈數(shù)N的增加，孔隙水壓力不斷增加，并且孔隙水壓力的增長(zhǎng)速率同CSR水平有關(guān)。當(dāng)CSR較小時(shí)，在加載的最初幾圈內(nèi)，孔隙水壓力增長(zhǎng)較快，但在之后的加載，孔隙水壓力增長(zhǎng)速度放緩，直至達(dá)到一種平衡狀態(tài)；當(dāng)CSR較大時(shí)，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，孔隙水壓力迅速上升，試樣很快達(dá)到破壞狀態(tài)，且隨著CSR越大，超靜孔隙水壓力也越快接近初始有效圍壓。CSR為0.3時(shí)，試樣在加載到第37圈發(fā)生破壞，當(dāng)CSR為0.4時(shí)，試樣在加載到第34圈發(fā)生破壞，而當(dāng)CSR為0.5時(shí)，試樣在加載到第21圈即發(fā)生破壞。

從圖7可知，當(dāng)CSR為0.3、0.4時(shí)，剛開始加載時(shí)應(yīng)變振動(dòng)幅值很小，當(dāng)循環(huán)圈數(shù)達(dá)到20圈左右，可以達(dá)到2%的單幅應(yīng)變，之后應(yīng)變的振幅開始增大。隨著循環(huán)應(yīng)力比變大，應(yīng)變振動(dòng)的振幅開始增大的更快，當(dāng)CSR為0.5時(shí)，在第2個(gè)循環(huán)即可達(dá)到2%的單幅應(yīng)變，當(dāng)試樣液化時(shí)，最大單幅應(yīng)變已達(dá)8.6%。

從圖8超靜孔隙水壓力發(fā)展曲線可以看出，CSR越大，超靜孔隙水壓力隨著加載過(guò)程而增長(zhǎng)的速度越快。并且隨著CSR的增大，由于超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)加快，有效應(yīng)力向原點(diǎn)靠近的速度也加快，見(jiàn)圖9。

4" 結(jié)論

在不排水條件下，隨振動(dòng)次數(shù)的增加，超靜孔隙水壓力不斷上升，有效應(yīng)力逐漸趨近于零，變形不斷增大?？紫端畨毫Φ脑鲩L(zhǎng)速率同CSR水平密切相關(guān)，當(dāng)CSR越大，孔隙水壓力上升斜率越大，超靜孔隙水壓力越快接近初始有效圍壓，試樣更快達(dá)到破壞狀態(tài)。并且由于超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)加快，有效應(yīng)力向原點(diǎn)靠近速度也加快，試樣在更少的加載圈數(shù)下即可破壞。隨著CSR越大，應(yīng)變振動(dòng)幅度開始增大的更快。當(dāng)CSR為0.3、0.4時(shí)，循環(huán)圈數(shù)在20圈左右，才可以達(dá)到2%的單幅應(yīng)變；當(dāng)CSR為0.5時(shí)，在第2個(gè)循環(huán)即可達(dá)到2%的單幅應(yīng)變，當(dāng)試樣液化時(shí)，最大單幅應(yīng)變已達(dá)8.6%。

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