顆粒組成對粉土動強度的影響分析①

李治朋， 張宇亭， 馬希磊， 安彥勇， 張騰飛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

顆粒組成對粉土動強度的影響分析①

李治朋， 張宇亭， 馬希磊， 安彥勇， 張騰飛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

以天津漢沽地區(qū)某擋土墻地基粉土為研究對象，首先對不同顆粒組成的粉土做固結(jié)不排水動三軸剪切試驗，采用各向等壓固結(jié)，周圍壓力等于100 kPa。固結(jié)完成后在不排水條件下施加軸向激振力，試驗波形為正弦波，振動頻率1.0 Hz，試驗中以試樣在周期剪切時軸向周期應(yīng)變達到5%作為破壞標準，得出粉土的動強度受顆粒組成的影響。細顆粒含量越大，其動強度越小，黏粒含量為7.2%的粉土循環(huán)剪應(yīng)力比CSR約為20.3%黏粒含量粉土的2倍。粉土的動強度可以用循環(huán)剪應(yīng)力比和破壞振次建立的冪函數(shù)關(guān)系式較好地擬合。在剪切過程中，粉土的孔隙水壓力一直沒有達到所施加的圍壓數(shù)值，最終穩(wěn)定在75%～85%圍壓之間。同時，試驗還得出孔隙水壓力的增長模式不能用統(tǒng)一的Seed模型擬合，孔壓增長規(guī)律的影響因素較多。

粉土； 動三軸； 固結(jié)； 動強度； 循環(huán)剪應(yīng)力比； 破壞振次； 孔隙水壓力

0 引言

1962年汪聞韶等[1-2]提出了飽和砂土振動孔隙水壓力的擴散及消散規(guī)律，之后將馬斯洛夫的一維動力滲透理論擴展到三維問題。1966年Seed和Lee[3]采用振動三軸試驗，對飽和砂土層在地震波水平循環(huán)剪切作用下進行了模擬和研究，以孔壓值作為判斷砂土是否液化的依據(jù)，并提出了“初始液化”的概念。近幾年來土體動力學研究成為了一門學科，土體的動應(yīng)力與動應(yīng)變關(guān)系研究日趨成熟。

周健等[4]用GDS動三軸試驗系統(tǒng)采用等幅循環(huán)應(yīng)變加載方式對含有不同厚度粉土的飽和層狀砂土進行液化強度試驗，分析均勻砂和含有不同粉粒層厚度的層狀砂土在循環(huán)荷載作用下的變形和力學特性。試驗分析表明：由于含粉粒夾層的層狀土特殊的土體結(jié)構(gòu)，其孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律與一般的無黏性砂土不同；飽和層狀砂土的抗液化強度并非隨著粉粒層厚度的增加而單調(diào)增加，而是存在一個臨界點；液化臨界剪應(yīng)變的大小與液化判別標準和循環(huán)次數(shù)有很大關(guān)系。隨后，周健在文獻[5]中研究飽和粉土在振動荷載作用下動孔壓的變化特性，認為在采用Seed公式時，動剪應(yīng)力不僅對擬合參數(shù)θ的影響較大，甚至會影響孔壓發(fā)展模型，利用修正Seed公式在一定程度上解決了擬合參數(shù)θ受動剪應(yīng)力的影響較大的問題，并且在一定的動荷水平下修正Seed公式中的擬合參數(shù)θ只與土性相關(guān)，而與動荷條件關(guān)系不大。文中修改了Seed公式，建議使用一種增量型的孔壓模型，它不僅解決了全量型孔壓模型無法統(tǒng)一模擬不同動荷條件下粉土的動孔壓發(fā)展模式的問題，而且解決了全量型孔壓模型在擬合孔壓時擬合度隨著破壞振次的降低而變差的問題。

李颯[6]根據(jù)動三軸試驗的結(jié)果，對天津地區(qū)的混黏土的粉土、粉砂在循環(huán)荷載作用下的孔壓累積及動變形特性進行分析研究，對混黏土粉土、粉砂室內(nèi)試驗液化判別的孔壓及應(yīng)變標準進行探討，并將現(xiàn)場波速試驗與室內(nèi)試驗判別液化的結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)對于天津地區(qū)的混黏土粉土、粉砂，在循環(huán)荷載作用下孔壓達到圍壓的60%～80%，即趨于穩(wěn)定，相應(yīng)的全幅應(yīng)變約為5%。

閆澍旺等[7]模擬防波堤地基土在波浪循環(huán)荷載作用下的實際應(yīng)力路徑，對天津港原狀軟黏土進行室內(nèi)動、靜三軸試驗，由試驗數(shù)據(jù)確定不同荷載組合下軟黏土抗剪強度折減率的規(guī)律性曲線，進而確定波浪循環(huán)荷載作用下軟黏土的強度弱化程度。結(jié)合軟黏土強度折減規(guī)律及有限元方法，分析波浪循環(huán)荷載作用下半圓體防波堤地基穩(wěn)定性以及地基加固方案的有效性。

曾長女[8]對粉土施加動荷載使其發(fā)生液化后，在不排水條件下施加單調(diào)靜荷載，直至土體達到強度穩(wěn)定停止試驗。試驗結(jié)果表明，不同初始有效固結(jié)壓力、初始孔隙比對液化后土體不排水剪切強度影響較大；液化后粉土表現(xiàn)出明顯的剪脹特性，顆粒結(jié)構(gòu)重組，孔壓在不排水條件下逐漸消散，土體強度則逐漸增加并最終趨于某一穩(wěn)定值；剪切強度與初始有效固結(jié)壓力呈線性關(guān)系；孔隙比越小，其液化后剪切強度越大。

前人對土體動力學的研究以砂土和粉土為主，研究較多的是飽和粉砂或粉土的液化強度，對于土體顆粒組成對動強度的影響研究則較少。本文主要對天津地區(qū)不同黏粒含量的粉土動強度做固結(jié)不排水動三軸剪切試驗，研究不同顆粒組成對土體動強度和動孔壓的影響。

1 試驗說明

本文試驗取土位置在天津漢沽IT產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，海擋外移工程某段，土層分布為：表層0～6 m多為粉土，下部為粉質(zhì)黏土，中間夾有粉土、粉砂以及淤泥質(zhì)黏土層。

粉土試樣采用分3層擊實成型，試樣初始含水率控制在20.0%，干密度為1.60 g/cm3，試樣直徑39.1 mm，高80 mm。配制不同黏粒含量所用的土樣均為本次試驗所取的土樣，試驗所用土樣的顆粒組成見表1及圖1。

試驗儀器主要為DDS-70型動三軸儀，其技術(shù)參數(shù)見表2。采用固結(jié)不排水動三軸剪試驗，在周圍壓力σ3和σ1作用下固結(jié)，采用各向等壓固結(jié)，即試樣的固結(jié)應(yīng)力比Kc=σ1/σ3=1.0，周圍壓力σ3=100 kPa。固結(jié)完成后在不排水條件下施加軸向激振力，試驗波形為正弦波，振動頻率為1.0 Hz。試驗中以試樣在周期剪切時軸向周期應(yīng)變達到5%作為破壞標準。

表1 試樣的物理性質(zhì)

圖1 粉土顆粒分析曲線Fig.1 Grain analysis curve of the silt

表2 DDS-70型動三軸儀技術(shù)參數(shù)

Table2 Technical parameters of the dynamic triaxial instrument DDS-70

試樣尺寸/(mm×mm)最大動軸力/N側(cè)向壓力/MPa反壓/MPa頻率/Hz最大軸向位移/mm?39．1×H8013700～0．60～0．30．05～1020

2 土體動強度的表示方法

(1)

式中A、B為試驗參數(shù)。

3 試驗成果分析

3.1 動強度與破壞振次的關(guān)系

由表3和圖2可以看出，試驗條件一樣的情況下粉土顆粒組成對動強度影響較大。施加的動荷載Fd=100 N時，1號粉土黏粒含量為20.3%，破壞振次為42次，遠小于2號和3號粉土的黏粒含量，即13.2%和7.2%。隨著動荷載的增大，3號粉土的破壞振次是1號粉土的2.2倍。動荷載相同的條件下，破壞振次越大，其動強度必然越大。

對于粉土，黏粒含量越大，意味著細顆粒所占比例越大，粗顆粒含量越少，可塑性越大，也越接近于黏性土，顆粒間的黏聚力會有少許的增加，但細顆粒間的摩擦力明顯小于粗顆粒間的摩擦力。因此，粗顆粒粉土的動強度CSR較大。

同時，由試驗結(jié)果可知，動強度與破壞振次的關(guān)系可以用冪函數(shù)式(1)較好地擬合。

表3 試驗采用的動荷載大小

圖2 粉土動強度CSR與破壞振次Nf關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between CSR and Nf

3.2 孔壓應(yīng)力發(fā)展模式

土體在振動荷載作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力是影響土體強度和變形的重要因素，也是有效應(yīng)力法動力反應(yīng)分析的關(guān)鍵。目前對振動孔壓特性的研究方法大部分是基于土體的動力試驗，通過對試驗結(jié)果的分析，建立振動孔壓與某特定動力參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系(主要通過數(shù)學擬合的方法)，從而得到振動孔壓的數(shù)學計算模型。孔壓的應(yīng)力模型、應(yīng)變模型和能量模型是這類方法的代表，其中又以孔壓的應(yīng)力模型最為常見?？讐簯?yīng)力模型中的經(jīng)典模型是Seed在等壓固結(jié)不排水條件下提出的關(guān)系式，即

(2)

后來各學者提出的孔壓應(yīng)力模型都是以式(2)為基礎(chǔ)。

圖3 剪切過程中動孔壓ud與振次N關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between pore water pressure (ud) and vibration number (N) in shear test

由圖3可以看出，在剪切過程中三種粉土的孔隙水壓力都在不斷增加，但始終沒有達到所施加的圍壓數(shù)值100 kPa，其穩(wěn)定值在75～85 kPa之間，與周健所得結(jié)論(即在動荷載作用下最終孔隙水壓力將增長到圍壓的數(shù)值)不太一致，而與李颯所得結(jié)論相符?？紫端畨毫υ鲩L規(guī)律受到土性、動荷載條件(包括動荷載幅值、頻率等)、初始固結(jié)條件等的影響，孔壓增長并無統(tǒng)一模式，而且某一孔壓模式也并不是某種土所特有的。通過本次試驗，可以得出在剪切過程中孔隙水壓力的發(fā)展模式并不能用Seed提出的式(2)來一概擬合。

在試驗條件相同時，孔隙水壓力的增長還與土體的滲透系數(shù)有關(guān)，而滲透系數(shù)又與土體顆粒組成有關(guān)。1號粉土黏粒含量高，滲透系數(shù)小，在振動初始階段，孔隙水壓力不易消散和轉(zhuǎn)移，致使初始孔隙水壓力增長較快，隨著循環(huán)荷載的施加至破壞，孔隙水壓力發(fā)展至破壞孔壓，并維持在該孔壓水平附近。

4 結(jié)論

本文使用DDS-70型動三軸儀，對天津地區(qū)不同黏粒含量的粉土動強度做固結(jié)不排水動三軸試驗，研究不同顆粒組成對土體動強度和動孔壓的影響，結(jié)果表明：

(1) 粉土的動強度受顆粒組成的影響，細顆粒含量越大，其動強度越小，黏粒含量為7.2%的粉土循環(huán)剪應(yīng)力比CSR約為20.3%黏粒含量的粉土的2倍。

(3) 粉土在固結(jié)不排水動三軸試驗剪切過程中，孔隙水壓力一直沒有達到所施加的圍壓數(shù)值，最終穩(wěn)定在75%～85%圍壓之間。

(4) 在本文的試驗條件下，孔隙水壓力的增長模式不能用統(tǒng)一的Seed模型擬合，孔壓的增長規(guī)律影響因素較多，如土性、動荷載條件、初始固結(jié)條件等。

References)

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[4] 周健，陳小亮，楊永香，等.飽和層狀砂土液化特性的動三軸試驗研究[J].巖土力學，2011，32(4)：967-972.ZHOU Jian，CHEN Xiao-liang，YANG Yong-xiang，et al.Study of Liquefaction Characteristics of Saturated Stratified Sands by Dynamic Triaxial test[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(4)：967-972.(in Chinese)

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[6] 李颯，孫興松，要明倫.混黏土的粉土粉砂室內(nèi)試驗液化判別標準的研究[J].巖土力學，2006,27(3)：360-364.LI Sa，SUN Xing-song，YAO Ming-lun.Study of Liquefaction Evaluation Used in Indoor Test of Silt，Silty Sand Mixed Clay[J].Rock and Soil Mechanics，2006，27(3)：360-364.(in Chinese)

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Influence of Particle Composition on the Dynamic Strength of Silt

LI Zhi-peng， ZHANG Yu-ting， MA Xi-lei， AN Yan-yong， ZHANG Teng-fei

(TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，Tianjin300456，China)

The silt under a retaining wall foundation in the Hangu area of Tianjin was studied in this paper.Specifically，a consolidated undrained dynamic triaxial shear test on the silt of different particles is described，and the conclusion is that the dynamic strength of silt was impacted by the particles.The test used isotropic consolidation，and the ambient pressure is equal to 100 kPa.After consolidation，we applied an axial dynamic load in the undrained condition.The test waveform is a sine wave，and the vibration frequency is equal to 1.0 Hz.The sample used a periodic shear axial strain of 5% as the failure criterion.The test instrument is a DDS-70-type dynamic three-axle instrument.Silt samples were compacted in three layers in the cylindrical specimen.The sample water content is equal to 20%，and the dry density is 1.60 g/cm3.The diameter of the sample is 39.1 mm，and the height is 80 mm.We prepared soil samples with different clay contents.The soil’s dynamic strength refers to，under the static stress conditions，the cycle load necessary to make the soil sample achieve certain failure criteria.We have drawn the following conclusions.Under the same test conditions，silt particles had a great influence on the dynamic strength.When the dynamic load is equal to 100 N，and the No.1 silt clay content is 20.3%，the vibration frequency reached 42，far less than that for the No.2 and No.3 silty soils.The clay contents of silts Nos.2 and 3 are 13.2% and 7.2%，respectively.With the increase in dynamic load，the No.3 silt vibration frequency is 2.2 times that of No.1.A higher clay content means that the proportion of fine particles is greater，the coarse particle content is lower，and the plasticity is greater.That is，it is closer to clay.Friction of fine particles was significantly less than that of coarse particles.Therefore，the coarse silt’s dynamic strength is relatively large.Pore water pressure generated under a vibrating load is an important factor affecting the soil strength and deformation.Pore water pressure is the key to the analysis of dynamic strength by effective stress.From the test results，for the three kinds of silt in the shearing process， the pore water pressures grow but do not reach the value of 100 kPa of the applied confining pressure.The pore water pressure is sTablebetween 75 and 85 kPa.The more fine the particles，the lower the dynamic strength contained by the silt.The cyclic shear stress ratio (CSR) of silt with 7.2% of viscosity particles was about two times that of silt with 20.3% of viscosity particles.The dynamic strength of silt could be fitted by theCSRand power function relation created by the failure time of the vibration.In the shearing process，the pore water pressure of silt did not reach the numerical result of the ambient pressure，and eventually stabilized at 75～85% of the ambient pressure.Additionally，from this trial it could also be concluded that the growth pattern of pore water pressure could not be fitted by the unified Seed model，and the growth of pore pressure was influenced by many factors.

silt； dynamic triaxial； consolidation； dynamic strength； cyclic shear stress ratio； failure vibration number； pore water pressure

2014-08-20

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(TKS110207)

李治朋(1984-)，男(漢族)，工程師，主要從事巖土工程測試與研究.E-mail：lzpzl@126.com

TU435

A

1000-0844(2015)02-0500-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0500