含細粒飽和砂土的液化特性研究綜述

豐土根,錢秋瑩,張福海

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098)

含細粒飽和砂土的液化特性研究綜述

豐土根1,2,錢秋瑩1,2,張福海1,2

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098)

綜述了國內外有關含粉粒飽和砂土和含黏粒飽和砂土液化特性的試驗研究成果,對于含粉粒飽和砂土,粉粒質量分數、粉粒粒徑和砂骨架顆粒級配對飽和砂土的液化特性影響顯著,粉粒的存在或可以增加或降低含粉粒飽和砂土的動強度,或存在臨界粉粒質量分數使飽和砂土的動強度隨粉粒質量分數的增加呈非單調性變化;對于含黏粒飽和砂土,臨界黏粒質量分數使飽和砂土的抗液化強度隨粉粒質量分數的增大先減小再增大;黏粒的塑性指數對飽和砂土的抗液化強度有較大影響;不同顆粒組成的飽和砂土對塑性指數的反應不盡相同。

飽和砂土;粉粒質量分數;黏粒質量分數;塑性指數;液化特性;綜述

自20世紀60年代以來,地震活動頻繁,引發國內外學者對地震荷載作用下飽和土體的液化現象進行了深入研究,其中對飽和砂土的液化特性研究成為巖土工程界的熱點問題。在過去50年中,對地震荷載作用下飽和砂土的液化強度特性、變形特性、孔壓發展規律及相關影響因素等方面的研究比較深入,并取得了一系列豐碩的成果。這些研究成果大多建立在純砂的基礎上,對于含細粒飽和砂土(如粉細砂、砂質粉土等)的液化特性研究尚顯不足。

實際上,自然界中純砂并不多見。據多數地震資料顯示,由地震活動引發的地基液化現象多發生在以含粉質砂土和砂質粉土等砂粉混合的水力回填土層、海岸線附近的自然沉積沖積土層。這類土層在顆粒的組成上與純砂有明顯不同,含細粒的砂性土或砂質粉土等砂粉混合土的液化特性也明顯有別于純砂的液化特性,將適用于純砂的液化理論完全套用于此類砂粉混合土的液化問題是不科學的。因此,對含細粒的非純砂土的液化特性研究具有一定的針對性和科學適用性。

1 含粉粒飽和砂土的液化特性研究

自然界中的砂土普遍含有細粒(粒徑小于0.075 mm的顆粒),主要包括黏粒和粉粒。Mogami等[1]最早研究發現含細粒砂土存在液化敏感性;Lee等[2]通過室內試驗研究證明含細粒砂土也會發生液化現象;隨后Lee等[3]相繼提出黏粒和粉粒對土動力強度的影響;Carraro等[4]通過試驗研究發現飽和砂土的臨界狀態摩擦角和峰值應力隨著粉粒質量分數的增大而增大,而隨黏粒質量分數的增大而減小,小應變剪切模量隨兩者質量分數的增大均呈減小趨勢,其中粉粒質量分數對小應變剪切模量的影響更為顯著。由此可知,粉粒和黏粒的存在對飽和砂土的強度特性均有影響,但各自的影響作用有所差別,有必要進行分別研究。

1.1 粉粒質量分數對飽和砂土液化特性的影響

粉質砂土是現場最為常見的具有液化敏感性的砂土地基,與純砂在一般情況下隨圍壓的增加而產生體積壓縮性有所不同,粉質砂土在圍壓作用下常發生反向行為,表現為剪脹性。Lade等[5]研究指出含粉粒砂土比純砂更易于發生液化現象,其抗液化強度隨圍壓的增大而降低。近年來國內外有關粉粒質量分數對飽和砂土液化特性影響的研究已取得諸多成果,然而所得結論不盡相同。

Troncoso等[6]對相同孔隙比條件下的尾礦砂進行不同粉粒質量分數(0～30%)影響的循環剪切試驗,表明在孔隙比不變的情況下,循環抗剪強度隨粉粒質量分數的增大而減小,Finn等[7-13]隨后亦曾得出類似結論;Chang等[14-17]通過試驗研究認為粉粒質量分數的增大會提高飽和砂土的抗液化能力; Law等[18-19]研究表明,含粉粒飽和砂土的抗液化強度先隨粉粒質量分數的增大而減小,當抗液化強度達到某一最小值時又隨粉粒質量分數的增大而逐漸提高,并定義使強度趨勢發生改變時的粉粒質量分數為臨界粉粒質量分數。顯然以上結論并不完全相同,甚至有的觀點存在較大分歧,這與各學者研究過程中所采用的試驗條件和砂土試樣等因素密切相關。通過這些不同的試驗結果可知,粉粒對飽和砂土的影響并不完全受粉粒質量分數這一參數控制,其在不同試驗條件和試樣條件下對飽和砂土液化特性的影響研究仍有待進一步深入。

針對上述情況,Polito等[20]采用兩種不同類型的砂(蒙特利砂,砂粒形狀介于角粒和圓粒之間,粒徑為0.18～0.84mm,d50=0.43mm;伊利諾州砂,砂粒形狀介于角粒和圓粒之間,粒徑小于0.84 mm,d50= 0.18 mm),通過控制砂樣類型、粉粒質量分數、砂樣相對密度、砂骨架孔隙比和砂間孔隙比等因素,研究粉粒質量分數在不同因素條件下對含粉粒飽和砂土的動強度影響。試驗結果表明,當以砂間孔隙比為控制條件時,兩種類型砂土的動強度特性相似,表現為存在臨界粉粒質量分數使砂土的動強度呈非單調變化,其動強度均先隨粉粒質量分數的增大而降低,當粉粒質量分數繼續增大并超過35%時,飽和砂土的動強度又隨粉粒質量分數的增大呈緩慢增漲趨勢,在粉粒質量分數相同的條件下,兩種類型下砂土的動強度均隨砂間孔隙比的增大而降低;當以砂骨架孔隙比為控制條件時,兩種類型砂樣對粉粒質量分數的動力響應表現出不同特性,表現為蒙特利砂的動強度不隨粉粒質量分數的增大而變化,而伊利諾州砂的動強度隨粉粒質量分數的增大有所提高。Polito據此進一步指出,當粉粒質量分數較小且低于臨界粉粒質量分數時,粉粒被包裹在砂骨架中,此時砂土的動強度主要由相對密度控制,隨相對密度的增大而提高,與粉粒質量分數無關;當粉粒質量分數較大,砂粒被較多粉粒包圍時,砂土的動強度則由粉粒質量分數和相對密度控制,此時與砂土的類型和粉粒質量分數無關。Xenaki等[21]進一步研究證實臨界粉粒質量分數的存在,并表明在砂間孔隙比一定的條件下,使飽和砂土抗液化強度最低的粉粒質量分數一般為30%～44%。

我國對含粉粒飽和砂土的研究起步較晚,目前仍主要研究粉粒質量分數對飽和砂土強度和孔壓特性的單一影響。朱建群等[22]對低粉粒質量分數的片狀砂抗剪強度特征進行了研究,試驗表明粉粒質量分數對粉砂的顆粒組成和結構具有重要作用,主要影響粉砂的強度和變形。通過對粉粒質量分數為0、6%、9%、12%和15%的5組砂土試樣進行三軸固結不排水試驗,表明當粉粒質量分數為6%、9%和12%時,松散粉砂土均出現靜態液化現象,當粉粒質量分數為15%時該現象消失;并指出當粉粒質量分數從0～9%時,試樣穩定性逐漸減弱,而超過9%以后試樣的穩定性隨粉粒質量分數的提高而逐漸升高。由此進一步證實了臨界粉粒質量分數的存在。王艷麗等[23]通過對不同細粒質量分數(0～45%)的定量分析,以粒徑為0.075～0.250mm的南京地區粉細砂為砂骨架,探討細粒(粒徑小于0.075 mm)質量分數對飽和砂土動孔壓的影響。結果表明,細粒質量分數對砂土孔壓發展影響較大,其影響主要體現在孔壓發展過程中模型函數的擬合參數不同,其擬合參數隨細粒質量分數的增大先減小,在細粒質量分數為30%時達到最小值;之后隨細粒質量分數的增大逐漸增大,但其后的增大趨勢較平緩。其試驗過程中孔壓模型的擬合參數與細粒質量分數的關系揭示了粉粒質量分數對飽和砂土孔壓發展的影響機制,結果如圖1所示。

1.2 顆粒組成對飽和砂土液化特性的影響

國外學者較早發現含細粒飽和砂土的砂骨架顆粒級配不同,飽和砂土就表現出不同的液化特性。Rahman等[24]對砂骨架顆粒級配不同而粉粒質量分數相同的兩組試樣進行三軸加載試驗,試驗結果表明,在相同的粉粒質量分數及試驗條件下,含粉粒飽和砂土的抗液化強度隨著砂骨架顆粒級配不均勻系數的增大而增大,二者呈單調增加關系。

Monkul等[25]對砂骨架顆粒級配相同、粉粒粒徑不同的3組試樣進行不排水的三軸壓縮試驗,指出平均粒徑比(即砂骨架的顆粒平均粒徑與粉粒平均粒徑之比)對含粉粒飽和砂土的液化性能具有重要的影響,與粉粒質量分數存在交叉影響;當平均粒徑較小時,隨著粉粒質量分數(0～20%)的增大,飽和砂土的液化可能性呈增大趨勢;當平均粒徑較大時,隨著粉粒質量分數的增大,飽和砂土的液化可能性呈先增大后減小的變化規律;在一定條件下,含粉粒飽和砂土的液化可能性會低于純砂的液化可能性。由此表明粉粒的粒徑大小對含粉粒飽和砂土的液化特性有著較大的影響。

Monkul[26]在進一步分析粉粒對粉細砂液化特性的主要影響因素時明確指出,砂骨架中所含粉粒的粒徑大小是除粉粒質量分數之外影響粉細砂液化特性的最主要因素,這主要是由于不同粒徑的粉粒顆粒將構成粉細砂的不同物理結構,從而影響粉細砂的液化特性。并由此提出可通過砂粒骨架和粉粒顆粒的平均粒徑比(D50/d50)來衡量含不同粉粒的砂土的液化特性。其試驗研究表明,當所含粉粒的質量分數相同時,砂樣的抗液化強度隨平均粒徑比的減小有顯著降低。

基于以上含粉粒飽和砂土的研究現狀可知,粉粒質量分數、砂土類型、砂骨架顆粒級配、粉粒粒徑等因素對飽和砂土液化特性存在相互交叉影響,不同試驗條件下的結論有相對局限性,對以上各因素間的相互交叉作用仍有待更全面的深入研究。

圖1 孔壓模型擬合參數與細粒質量分數的關系曲線

2 含黏粒飽和砂土的液化特性研究

Mitchell[27]曾指出,粒徑較小的黏土顆粒在相對較粗的砂粒骨架中,并不承擔顆粒間的動力傳遞作用,屬于非活動性因素,可近似當作孔隙來看待。后來的學者也普遍將黏粒當作砂粒間的孔隙來研究。直到1990年,Georgiannou等[28]對含高嶺土的飽和砂樣進行了三軸壓縮和拉伸試驗,試驗表明,含黏粒砂與純砂相比,表現出更不穩定的性狀。之后學者們才開始從黏粒組成及黏粒的相關性質方面對土的液化特性影響進行研究。

2.1 黏粒質量分數對飽和砂土液化特性的影響

Perlea等[29]對不同黏粒質量分數的飽和砂土進行三軸試驗,在相同試驗條件下,飽和砂土的抗液化強度與黏粒質量分數呈非單調變化關系,當飽和砂土中黏粒的質量分數低于15%時,飽和砂土的抗液化強度隨黏粒質量分數的增大而減少;當黏粒質量分數超過20%時,飽和砂土的抗液化強度又隨黏粒質量分數的增大而逐漸增大。

Ghahremani等[30]對不同高嶺石黏粒質量分數(10%～50%)的飽和砂土進行循環三軸試驗,在孔隙比相同的條件下,含黏粒飽和砂土的動強度隨黏粒質量分數的增大不斷減小,當黏粒質量分數為30%時減到最小,其后隨著黏粒質量分數的增大而不斷增大。

吳建平等[31]對黏粒質量分數小于9%的重塑砂土進行了自振柱和動三軸試驗研究,探討黏粒質量分數(0～9%)對飽和砂土剪切模量和液化勢的影響。試驗結果表明,當黏粒質量分數小于9%時,含黏粒飽和砂土的動剪切模量隨黏粒質量分數的增大而減小,其抗液化性能也逐漸下降。

衡朝陽等[32]研究了黏粒質量分數對飽和砂土動剪應力比的影響,通過對3組不同黏粒質量分數及不同黏粒成分的試樣進行室內動三軸試驗,指出飽和砂土的動剪應力比與所含黏粒的礦物成分無關,與黏粒質量分數的關系曲線總是向上開口的拋物線形;當黏粒質量分數為9%左右時,動剪應力比最小,飽和砂土的抗液化強度最小。

劉雪珠等[33]對黏粒質量分數為5%、10%和15%的3種南京片狀粉細砂進行液化研究,表明黏粒質量分數對南京粉細砂的抗液化強度影響較大且呈非單調變化,當黏粒質量分數為10%時抗液化強度達到一個低谷;動剪應力比與黏粒質量分數的關系曲線呈向上開口的近似拋物線形。

潘劍峰等[34]通過對含黏粒的粗細粒混合砂土(粗顆粒粒徑為1～2 mm,細顆粒為不小于0.075 mm的黏粒)進行動三軸試驗,試驗結果進一步表明土樣的動強度并不是隨黏粒質量分數單調增加的,當黏粒質量分數為10%～20%時,動強度最低,抗液化性能最弱;當黏粒質量分數大于30%時,混合砂土的動強度相對較高,抗液化性能較好。

由以上試驗研究成果可知,不同類型的飽和砂土對黏粒質量分數的響應基本一致,其動強度隨黏粒質量分數的增大都表現為先減小后增大的趨勢,使動強度發生變化的黏粒質量分數一般為9% ～20%。

2.2 塑性指數對飽和砂土液化特性的影響

除黏粒質量分數外,塑性指數也是分析黏粒性質的重要指標。砂土中所含黏粒的塑性指數不同,黏粒對砂土液化特性的影響也可不同。Ghahremani等[30,35]分別對兩種黏粒質量分數的飽和砂土進行了循環三軸試驗,研究黏粒的塑性指數對飽和砂土抗液化強度的影響。試驗結果表明,當塑性指數為19%～48%時,不同黏粒質量分數的飽和砂土的動強度都隨黏粒塑性指數的增大而增大。

Sadek等[36]對黏粒質量分數為10%、相對密度為60%的飽和砂土進行了動循環三軸試驗,試驗結果表明塑性指數對于含黏粒飽和砂土的液化特性影響是非單調的,存在一個臨界值,約為11%;當塑性指數低于11%時,含黏粒飽和砂土的動強度隨塑性指數增大而減少;當塑性指數超過11%以后,動強度才隨塑性指數的增大而增大,且增幅較小,試驗得出的抗液化強度曲線如圖2所示。

圖2 含黏粒飽和砂土的抗液化強度曲線

Park等[37]分別對黏粒質量分數為10%的飽和松砂、中砂和密砂進行了塑性指數與抗液化強度的相關性研究,指出不同密實度砂土的動強度都隨黏粒塑性指數的增大而有不同程度的減小;但塑性指數的增大對松砂和中砂的動強度影響較小,而對密砂的影響卻相當顯著,隨塑性指數的增大,密砂的動強度可降低40%。

由以上成果可知,塑性指數對飽和砂土液化特性的影響有著不可忽視的作用,但其對不同類型砂土的影響作用不盡相同,對砂土液化特性的影響機制仍有待進一步深入研究。

3 研究展望

純砂與含細粒砂土的液化特性明顯不同,含粉粒砂土和含黏粒砂土的液化特性也有較大差別,以往基于純砂的液化特性研究理論并不完全適用于含細粒砂土。從現有成果分析,不同的研究者均以自己所用試驗砂樣的試驗成果為主要結論依據,具有一定片面性和局限性。對細粒質量分數的研究主要以國外學者居多,我國學者在這方面的研究相對較少,且研究的內容較為單一。因此對含細粒砂土的液化特性研究仍顯得任重而道遠,以下幾個方面仍有待完善:

a.細粒效應的微觀研究在國外巖土界已得到較多的重視[24-26,38],我國對于細粒的微觀研究關注較少,對含細粒飽和砂土的研究仍主要局限于細粒質量分數和細粒種類等宏觀方面的影響,尚未進一步深化到顆粒組成等微觀層面上。因此,有必要對含細粒飽和砂土的微觀結構特性進行深入研究,考慮微觀機理的作用。

b.我國地域寬廣,境內分布的砂土類型較多、差異較大,圓粒、片狀、角粒等類型都有不同程度的分布,所以有必要建立起以國內分布的砂土類型為依據的液化分析理論,可以按區域劃分,選擇代表性砂樣進行研究,建立不同地區的液化判別標準體系,進一步探討含細粒飽和砂土的細粒效應和細粒作用,以更好地指導工程實踐。

c.目前對飽和砂土液化特性的數值模擬主要基于均勻純砂試樣的試驗結果,沒有涉及含細粒飽和砂土的液化特性分析,今后應對含細粒飽和砂土的本構模型進行深入研究,建立適用于含細粒飽和砂土的本構模型理論體系,以推動含細粒砂土的數值模擬的研究發展。

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Review of liquefaction properties of saturated sands containing fines//

FENG Tugen1,2,QIAN Qiuying1,2,ZHANG Fuhai1,2
(1.Key Laboratory for Geotechnical Engineering of Ministry of Water Resource,Hohai University,Nanjing 210098, China;2.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In this review,we present the main researches on liquefaction characteristics of saturated sand containing silt or clay.The research results show that silt content,silt particle size and sand grain composition have a great impact on liquefaction characteristics of saturated sand containing silt.The liquefaction resistance of saturated sand containing silt may increase or decrease as silt content increases.In some cases,there might exist a limit silt content such that the dynamic strength of sand containing silt changes non-monotonously as the silt content increases.For sand-clay mixtures,the liquefaction resistance initially decreases as the clay content increases and then turn to increase as the clay content continues to increase.Liquefaction characteristics of clay sand greatly relate to plasticity index(PI)of clay particles.Sand in different grain composition situations may have different reactions to PI values of clay particles.

saturated sand;silt content;clay content;plasticity index;liquefaction characteristic;review

TU435

:A

:1006-7647(2014)04-0089-06

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.019

2013-0704 編輯:周紅梅)

國家自然科學基金(51009054);教育部科學技術研究重點項目(109077);江蘇省自然科學基金(BK2010513)

豐土根(1975—),男,浙江金華人,教授,博士,主要從事巖土工程研究。E-mail:tgfeng@163.com