含礫量對飽和砂礫土液化特性的影響①

王艷麗， 饒錫保， 王占彬， 何曉民， 王 勇

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

含礫量對飽和砂礫土液化特性的影響①

王艷麗1，2， 饒錫保2， 王占彬2， 何曉民2， 王 勇1

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

利用GDS循環三軸儀進行一系列飽和砂礫土不排水動三軸液化試驗，研究其在循環荷載作用下的液化特性，分析含礫量對飽和砂礫土動強度和動孔壓的影響規律。研究表明：含礫量對砂礫土液化性能影響較大，隨著含礫量的增加砂礫土抗液化強度呈單調增加趨勢；隨循環周次的增加孔隙水壓力不斷升高，增長速率與所施加的循環應力幅值有關，同一固結壓力下，振次比相同時循環動應力幅值越大動孔壓比越大；破壞振次對動孔壓增長模式存在影響，破壞振次較小時砂礫土動孔壓增長模式呈雙曲線型發展，破壞振次較大時砂礫土的動孔壓增長模式可用反正弦函數來表示，且含礫量越大循環荷載引起的孔隙水壓力越高；含礫量對砂礫土液化特性的影響可從砂礫土的微細觀結構特征得到闡釋，并借助其粒間狀態參量進行分析。

飽和砂礫土； 液化； 含礫量； 粒間狀態參量

0 引言

2008年汶川8.0級特大地震是建國以來發生的破壞力最強、波及范圍最廣的一次地震，造成了慘痛的人員傷亡和巨大的經濟損失。汶川大地震中土體液化及其震害顯著，砂礫土液化是此次地震的突出特征之一[1]。汶川地震之前，各國學者針對地震誘發的液化破壞原因、產生機理、土體的動力響應以及液化和液化后強度與變形特性等問題開展了大量而廣泛的研究，取得了豐碩的研究成果[2-8]，但多只關注于飽和砂土、粉土的液化問題。砂礫土因其顆粒較粗、滲透好、強度高、壓縮性低特性，常被誤認為是非液化土層，并作為天然地基或土工填筑材料，廣泛應用于大壩修筑、填海造地、高速公路和高速鐵路路基修筑等工程建設中，其在強震作用下的液化問題一直未引起足夠的重視。事實上，在以往的地震液化現場考察中，也曾發現砂礫土液化，但對其研究成果相對較少。砂礫土一般是礫粒(粒徑大于2 mm)含量大于50%的砂礫混合體[9]，由于礫石的存在使得其微細觀結構與砂土有所差異，其顆粒形狀、大小和位置隨機分布的不均勻性使其具有多尺度散粒體的離散特征，因此它在循環荷載作用下的強度和變形特性都有別于砂土，同時礫石含量的多少直接影響其抗液化強度和動孔壓發展規律。

近年來，國內外學者已開始關注飽和砂礫土液化特性的研究。Wong等[10]、Baneriee等[11]進行了飽和砂礫料固結不排水循環三軸試驗，發現砂礫土與砂土一樣存在“初始液化”現象，證明了砂礫土液化的可能性。汪聞韶等[12]、劉令瑤等[13]進行了不同含礫量砂礫土豎向振動臺圓筒排水振動液化試驗和飽和固結不排水循環三軸試驗的對比，研究發現砂礫料的液化特性主要取決于其滲透系數和排水條件，并與其相對密度和礫粒含量及體積壓縮性有關。Evans等[14]研究了含礫量對砂礫土抗液化強度的影響，結果表明砂礫土的抗液化強度隨含礫量的增加顯著增大。付磊等[15]利用空心圓柱動扭剪儀研究了初始主應力偏轉角對砂礫料動強度的影響。鄒德高等[16]開展了飽和砂礫料的液化后靜力再加載試驗，研究了相對密度、初始有效固結壓力和循環應力比等因素對砂礫料液化后靜力再加載過程中變形與強度特性的影響。Hatanaka等[17]、Suzuki等[18]研究了試樣擾動對砂礫土抗液化強度的影響。以上這些研究多從宏觀角度研究飽和砂礫土的抗液化強度，而對其動孔壓的研究較少，單從含礫量對砂礫土抗液化強度的影響方面雖開展了相關研究，而且對其影響的微觀機制還缺乏深入系統的研究。本文擬利用GDS循環三軸儀開展不同含礫量飽和砂礫土動三軸液化試驗，分析含礫量對飽和砂礫土抗液化強度和動孔壓的影響規律，并從砂礫土的微細觀結構出發，對其影響規律進行闡釋，以揭示含礫量對飽和砂礫土液化特性的影響機制。

1 試樣與試驗方案

1.1 試樣制備

試驗所用材料取自青海省門源縣石頭峽樞紐大壩II號料場砂礫石料。制備試樣前對所使用的礫粒和砂粒預先進行分選，土樣曬干后過20 mm、10 mm、5 mm、2 mm和1 mm篩，選取粒徑在2～20 mm范圍內的顆粒為礫粒，粒徑在2 mm以下的顆粒為砂粒和細粒。試驗所用的重塑樣由礫粒、砂粒與細粒分別按照不同比例重新配制而成，摻入的礫粒含量P5(>5 mm的顆粒含量)分別為40%、50%、60%和70%，相應的P2(>2 mm的顆粒含量)分別為50%、60%、70%和80%。其顆粒級配如圖1所示，表1為不同級配試驗土料的粒徑特征值。

圖1 試驗土料的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of test soil

試驗采用直徑為101 mm，高度為200 mm的重塑土樣。首先針對不同級配土樣進行比重和相對密度試驗。試驗采用風干料，試樣筒尺寸為Ф300 mm×360 mm。最小干密度試驗采用量筒法，用鏟靠著試樣慢慢地均勻撒開；最大干密度試驗采用表面振動法。試樣表面靜載為14 kPa，振動頻率為50 Hz。振動歷時8 min。試樣筒表面用環刀找平，然后根據顆粒總量、剩余量及試樣體積計算試樣的最大、最小干密度。圖2為最大、最小干密度隨含礫量的變化規律，由圖可知，最大干密度隨含礫量的增加呈先增大后減小的趨勢，最小干密度隨含礫量增加呈單調衰減趨勢。試驗按照同一相對密實度55%制樣。

表1 試驗土料的粒徑特征值

1.2 試驗儀器

飽和砂礫土動三軸液化試驗采用GDS循環三軸儀。圖3為GDS單向循環三軸儀的整體構成。該儀器包括：制動單元、三軸壓力室和平衡器、圍壓控制器、反壓控制器、信號控制器、高速數據采集和控制卡(HSDAC卡)。

圖2 干密度與含礫量的關系Fig.2 Relation between dry density and gravel content

圖3 GDS循環三軸試驗系統Fig.3 GDS cyclic triaxial test system

1.3 試驗方法

試驗采用水頭及反壓聯合飽和法。當土樣制備完成后，安裝壓力室，施加圍壓30 kPa，之后采用底部進水、頂部出水、自下而上的方式使試樣飽和，通水飽和后對每個試樣都進行飽和度鑒別。當孔隙壓力系數B大于或等于0.95時，可以認為試樣已經達到飽和，如B小于0.95，則應繼續加反壓飽和。文中所有試驗B值均大于0.95。試樣飽和后施加預定的圍壓進行固結，各試樣的有效固結圍壓為100 kPa，各向等壓固結的穩定標準為體變值在5 min內不再增加。固結完成后即施加循環荷載，振動波形為正弦波，振動頻率1 Hz。液化試驗采用應力控制的方式，液化標準為孔壓等于圍壓，或軸向應變等于5%。每個圍壓試樣施加4～5個動應力進行試驗，以求得動剪應力比與液化振次的關系。試驗數據由計算機自動采集，試驗記錄下固結過程、振動孔壓、動荷載、動應變的時程數據。本試驗采用同一固結壓力100 kPa，試驗操作和數據整理參見《土工試驗規程》(SL237-1999)。

2 試驗結果與分析

2.1 振動時程曲線分析

圖4為循環荷載作用下典型飽和砂礫土液化的動三軸試驗曲線，其中初始有效圍壓σ3c為100 kPa，循環剪應力比為σd/(2σc)=0.162。由圖可知：

(1) 動應力幅值隨振動時間的持續有衰減的趨勢，其衰減速率隨循環次數的增加而逐漸增大。在振動初始階段動應力幅值基本無變化；隨著循環次數的增加動應力幅值有一定降低，到土體即將發生液化階段動應力幅值大幅降低。(2) 由動應變的時程曲線可知，振動初期階段動應變幅值很小，說明在此階段土樣處于彈性變形階段。(3) 動孔壓時程曲線表明動孔壓呈波動上升的趨勢，隨循環次數的增加，土樣結構發生變化，土顆粒之間因滑移而趨于緊密，孔隙水壓力逐漸增高，使得土顆粒之間有效應力降低，試樣由彈性變形發展為塑性變形，動應變幅值有了比較明顯的增長。進入塑性階段后，動應變急速增大，此時土樣所承受的荷載大部分由孔隙水來承擔。當動應變或動孔壓達到一定值時，土樣發生破壞，承載力降低；此時，動應力曲線幅值明顯縮小，動應變曲線幅值則呈喇叭口型急速增長的變化形態。

通過對試驗中動應力時程曲線的整理發現，有的情況下動應力曲線衰減幅度較大(圖5)。這種現象一般發生在動應力幅值較大的試樣中，施加動應力越大土體發生液化所需要的振次越小，動應力衰減幅值越大衰減的速率也就越高。對于含礫量P2為80%的砂礫土，當動應變大幅增加至5%時，動孔壓并未達到初始有效固結壓力，而只達到有效圍壓的90%左右，這種情況下液化標準一般選用應變標準。

圖4 典型飽和砂礫土動三軸試驗曲線(P2=60%，P5=50%)Fig.4 Curves of dynamic triaxial test on saturated sandy gravels (P2=60%，Ps=50%)

圖5 飽和砂礫土動三軸試驗曲線(衰減明顯)(Ρ2=80%，Ρ5=70%)Fig.5 Curves of dynamic triaxial test on saturated sandy gravels (obviously decay) (Ρ2=80%，Ρ5=70%)

圖6 飽和砂礫土 )與Nf之間的關系Fig.6 Relation between ) of saturated sandy gravels and Nf

2.2 砂礫土的抗液化強度

事實告訴我們，今日之嘉善，與原生態嘉善田歌的田園風光已經不可同日而語；科技發展可以讓人們知道如何去“保存”音樂，可是歷史卻沒有告訴人們如何復制漁舟晚唱和男耕女織的詩情畫意，更難以有效克隆和保真彼一時受眾的真情實感。這意味著保護傳承嘉善田歌音樂文化，歸根到底還是人的問題，是文化氛圍營造和民俗藝術再植以及文化生存環境的重建。

圖7 含礫量對抗液化強度的影響Fig.7 Effect of gravel content on liquefaction resistance of saturated sandy gravels

2.3 砂礫土的動孔壓特性

(1)

式中：θ為試驗常數，取決于土類和試驗條件。

圖8 典型飽和砂礫土試樣與N/Nf的關系Fig.8 Relation between of typical saturated sandy gravel sample and N/Nf

圖9 含礫量對與N/Nf 關系的影響Fig.9 Effect of gravel content on relation between of saturated sandy gravels and N/Nf

表2 系數θ與含礫量的關系

Table2 Relation between parameterθand gravel content

系數含礫量/%50607080θ1．1251．4441．7262．281

3 含礫量對飽和砂礫土液化特性影響的機理研究

3.1 砂礫土的微觀結構特征

由以上分析可知，針對本次試驗所用的砂礫土，含礫量對砂礫土液化特性的影響是單調變化的，即隨著含礫量的增加砂礫土的抗液化強度逐漸升高，且在振次比相同的情況下，砂礫土的孔壓比逐漸增大。含礫量對砂礫土液化特性的影響可從砂礫土的微細觀結構特征去解釋。對砂礫土來說，以2 mm為界將砂礫土顆粒劃分為礫粒組和砂粒組，可認為砂礫土的微觀結構主要可分為兩大類：(1)砂礫土的骨架由砂顆粒之間相互接觸形成，其宏觀力學性狀由砂粒控制為主，礫粒為輔(圖10(a))；(2)含砂礫土的骨架主要由粗顆粒(礫粒)之間相互接觸形成，其宏觀力學性狀由礫粒控制為主，砂粒為輔(圖10(b)、(c)、(d))。在整體孔隙比不變的情況下，隨著含礫量的增加，砂礫土的微細觀結構將從(a)過渡到(d)，土體性狀相應地將由砂粒組控制轉換為礫粒組控制，在這一過程中存在含礫量的轉折點Pth，即臨界含礫量。

圖10 土體二元微觀結構示意圖[19]Fig.10 Schematic diagram of binary microstructure of the soil[19]

圖11為飽和砂礫土的兩相示意圖。為分析方便，將其中各相分離。當含礫量P>Pth，砂粒組對砂礫土力學性狀的宏觀表象并未起到作用，或作用較小，則它的力鏈占土粒間相互作用比例不大。此時骨架孔隙比可按下式得到：

(2)

式中：es為骨架孔隙比，為統一在砂礫土中使用，稱為礫粒間孔隙比；VT為試樣總體積；ρw為水的密度；Mt為試樣中固體顆粒總質量；Ms為試樣中砂粒質量。

圖11 飽和砂礫土兩相示意圖Fig.11 Two-phase diagram of saturated sandy gravels

假定砂粒與礫粒具有相同的土粒比重(即使存在差別，但其比值很小，對物理指標的定義影響甚微)。如圖11，土體總孔隙體積為e，含礫量為P2(質量百分比數)，則礫粒體積為P2，砂粒體積為1-P2。故可將式(2)簡化為：

(3)

3.3 砂粒間孔隙比

當含礫量P

(4)

當砂粒和礫粒中混合形成砂礫土時，由于礫粒含量較大，砂粒含量較小，礫粒相互排列形成骨架孔隙，砂粒并未占據礫粒間的孔隙，而是較多地游離在骨架孔隙內，砂礫土的動力特性主要由礫粒決定，其微觀結構屬于前述兩種結構中的第二類。隨著含礫量的逐漸增加，礫粒之間形成的骨架孔隙比eg逐漸變小(圖12)，使得土顆粒之間的接觸點增多，土體內部力鏈作用力逐漸增大，相同應變水平下抵抗變形的能力也隨之增大，從而使試樣的動強度增大；同時隨著骨架孔隙比eg的減小，砂礫土的振動孔壓發展較快，導致相同振次比作用下砂礫土動孔壓增加。

4 結論

利用GDS循環三軸儀進行一系列飽和砂礫土不排水動三軸液化試驗，研究含礫量對飽和砂礫土動強度和動孔壓的影響規律，并基于粒間狀態參量對其影響規律進行解釋。主要得出以下結論：

(1) 含礫量對砂礫土液化性能影響較大，隨著含礫量的增加，砂礫土抗液化強度呈非線性增強趨勢，說明與砂土相比，砂礫土具有較高的抗液化強度，同等條件下更難以液化，這與粗粒土的工程特性是一致的。

圖12 礫粒間孔隙比eg與含礫量的關系Fig.12 Relation between intergranular void ratio eg and gravel content

(2) 隨著循環次數的增加，孔隙水壓力不斷增加，其增長速率同所施加的循環應力幅值有關。同一固結壓力下，振動比N/Nf相同時，循環動應力幅值越大，動孔壓比也越大。

(3) 破壞振次對飽和砂礫土動孔壓增長模式有影響，破壞振次較小時，飽和砂礫土動孔壓增長模式呈雙曲線型發展；破壞振次較大時，砂礫土的動孔壓增長模式可用反正弦函數來表示，此時，含礫量越大，循環荷載引起的孔隙水壓力越高。

(4) 當砂粒和礫粒混合形成砂礫土時，由于礫粒含量較大，砂粒含量較小，砂礫土的動力特性主要由礫粒決定。隨著含礫量的逐漸增加，礫粒之間形成的骨架孔隙比逐漸變小，使得土顆粒之間的接觸點增多，土體內部力鏈作用力逐漸增大，相同應變水平下抵抗變形的能力也隨之增大，從而使試樣的動強度增大；同時隨著骨架孔隙比的減小，砂礫土的振動孔壓發展較快，導致相同振次比作用下砂礫土動孔壓增加。

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Effect of Gravel Content on Liquefaction Characteristics of Saturated Sandy Gravels

WANG Yan-li1，2， RAO Xi-bao2， WANG Zhan-bin2， HE Xiao-min2， WANG Yong1

( 1.StateKeyLaboratoryandGeotechnicalEngineering，InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430070，China； 2.KeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineeringoftheMinistryofWaterResources，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan，Hubei430010，China)

Using a GDS dynamic triaxial system，undrained dynamic triaxial tests on saturated sandy gravel were performed，the liquefaction characteristics of the saturated sandy gravel were analyzed，and the effects of gravel content on the dynamic liquefaction strength and dynamic pore pressure were analyzed.Results show that gravel content has a large influence on the liquefaction strength of saturated sandy gravel，monotonically increasing with increasing gravel content.The dynamic pore water pressure increases with the increase of cyclic times.When the consolidation ratio is the same，the dynamic pore water pressure ratio increases with increasing dynamic stress amplitudes under the same cycle ratio.The failure time of vibration affects the development pattern of pore water pressure significantly.The dynamic pore water pressure develops in the hyperbolic-type with lower failure time of vibration and can be expressed by the arcsine function for greater failure time of vibration.The dynamic pore water pressure increases with increasing gravel content.Effect of gravel content on the liquefaction characteristics of saturated sandy gravel can be explained from the microstructure features of the sandy gravel and can be analyzed through the inter-particle state parameters.

saturated sandy gravel； liquefaction； gravel content； inter-particle state parameter

2014-08-20

國家自然科學基金項目(51309027，51109208)；中國博士后科學基金項目(2013M531688)；巖土力學與工程國家重點實驗室開放基金(Z012009)

王艷麗(1981-)，女，博士、高級工程師，主要從事土動力學與土工抗震領域的研究.E-mail：wyldhh@126.com

TU43

A

1000-0844(2015)02-0390-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0390