基于累積耗損能量的飽和粉土液化特性試驗研究

基于累積耗損能量的飽和粉土液化特性試驗研究

周正龍1， 陳國興1， 黃春霞1， 陳樹利2

(1.南京工業大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210009； 2.中海興業武漢房地產有限公司，湖北 武漢43005)

摘要：飽和粉土場地在強地震作用下易發生液化現象。開展飽和粉土的循環三軸試驗，以循環加載的累積耗損能量為指標，探討黏粒含量、密實度、有效圍壓和循環應力比等因素對粉土液化特性的影響，試驗結果表明：粉土液化所需的耗損能量隨黏粒含量的增加呈先減小后增大的趨勢，當黏粒含量約為8%時粉土的液化耗損能量最低；液化耗損能量隨粉土密實程度的增大而逐漸增加，并隨初始有效圍壓的增長而增加，但粉土的液化耗損能量與循環應力比之間的關系不明顯。

關鍵詞：粉土液化； 黏粒含量； 密實度； 初始有效圍壓； 循環應力比； 累積耗損能

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：國家自然科學基金重大研究計劃集成項目(91215301)；國家自然科學

作者簡介：周正龍(1988-)，男，江蘇海安人，博士研究生，主要從事土動力學研究.E-mail：zhouzhen.glong@163.com

通訊作者：陳國興(1963-)，男，浙江新昌人，博士，教授，主要從事土動力學與巖土地震工程研究.E-mail：gxc6307@163.com

中圖分類號:TU441文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0001

Experimental Study of Liquefaction Characteristics of Saturated Silt

Based on the Cumulative Dissipated Energy

ZHOU Zheng-long1， CHEN Guo-xing1， HUANG Chung-xia1， CHEN Shu-li2

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology，Nanjing，Jiangsu210009，China；

2.ChinaOverseaXingye(Wuhan)RealEstateCo.Ltd.，Wuhan，Hubei430050，China)

Abstract：Liquefaction of saturated silty soil can easily occur during strong earthquakes.To investigate the liquefaction of a saturated silt mixture，a series of cyclic triaxial tests is conducted.Some factors such as clay particle content，relative density，effective confining stress，and cyclic stress ratio are examined by analyzing the cumulative dissipated energy for triggering liquefaction.The results show that for low (high)values of clay particle content，an increase in clay particle content with the same relative density leads to a decrease (increase) in cumulative dissipated energy.The effective confining pressure and relative density have strong effects on the cumulative dissipated energy.However，the cumulative dissipated energy is independent of the cyclic stress ratio for the specimens with constant relative density and confining pressure.

Key words： silt liquefaction； clay particle content； compactness； initial effective confining pressure； cyclic stress ratio； cumulative dissipated energy

0引言

液化是造成場地地震破壞的主要原因之一。自1964年美國 Alaska 地震和日本新瀉地震之后，關于飽和土液化問題的研究已經取得了豐碩的成果。粉土在我國分布廣泛，許多建筑物、公路、鐵路等都構筑在飽和粉土中，其性質與砂土有著較大差異[1]。在液化研究的早期，人們總是認為低塑性的粉土不易液化，直至Appolonia第一次考慮了粉粒和黏粒含量對動強度的影響[2]，特別是在幾次地震后發生大面積粉土液化現象[3]，人們才逐漸意識到粉土液化研究的重要性。

自Nemat和Shookoh于1979年發現了飽和砂土在循環荷載作用下的孔壓與耗損能量之間的關系之后[4]，提出了基于能量法的土壤液化特性分析方法。和傳統的應力或者應變分析方法相比，土壤液化所需的耗損能量與應力歷史無關是能量法作為土壤液化研究的主要優勢[5-9]。Baziar等[10]通過動扭剪試驗，利用能量法研究了砂土的液化特性，發現細粒含量和有效圍壓對砂土的液化特性有很大影響。Polito等[11]開展了不同波形的循環三軸試驗，發現飽和松砂的液化耗損能量與加載波形沒有關系。Chen等[12]基于循環三軸試驗計算出的飽和砂土液化耗損能量，根據臺灣集集地震鉆孔資料，利用神經網絡模型對現場土壤液化進行判別，成功率達到91%。對于粉土，Polito等[13]通過循環三軸試驗，驗證了一個基于耗損能量的單參數孔壓模型的適用性。沈楊[14]利用能量法研究了不同動應力路徑下粉土強度特性的差異，但基于能量法分析粉土液化特性的研究，至今鮮有報道。本文以循環加載的累積耗損能量為指標，通過飽和粉土的循環三軸試驗，探討黏粒含量、干密度、有效圍壓以及循環應力比等因素對粉土液化特性的影響。

1理論基礎

假定粉土試樣單位體積內所累積耗散的能量為W，其增量為dW，對于循環荷載作用下的六面體土單元而言，則有：

圖1　循環三軸試驗中每周的耗損能量計算示意圖 Fig.1　Calculation of weekly energy dissipation in cyclic triaxial test

在動三軸實驗中，每次循環荷載作用下試樣的耗損能量W等于每次記錄的數據點形成的應力-應變關系滯回圈的面積(如圖1所示)，可利用梯形積分公式對式(1)進行積分計算獲得，即為：

式中，n是每次循環荷載作用下記錄的數據點個數；σd，i+1、σd，i分別是第i+1和i個數據點記錄的偏應力；εa，i+1、εa，i則代表了第i+1和i個數據點所記錄的軸向應變。

2試驗概況

2.1試樣制備

所取粉土來自于南京某基坑，其基本物理參數見表1。在所取粉土中摻入黏土來配置不同黏粒含量的粉土，配土的粒徑分布見表2。

表 1　粉土的基本物性指標

表 2配土的粒徑分布及塑性指數

Table2Sizedistributionandplasticindexesofthemixedsilts

編號顆粒組成/%0.25～0.0750.075～0.005<0.005塑性指數IP140.754.94.46.5239.252.886.8337.544.5127.4

將粉土與黏土烘干后，碾成粉末狀，過0.25mm的篩，置于干燥的容器中。制樣時控制配土試樣的干密度，根據試樣體積計算出其質量，按配土中的黏粒含量計算出該配制土樣總的黏粒質量，再根據粉土和黏土中的黏粒計算出需要的粉土、黏土的質量。稱量所需粉土及黏土的質量，充分混勻，加入適量的無氣水，控制含水率在20%左右，將其儲存在密封的塑料袋內靜置24h，再取袋內不同位置處的土測試其含水率，確保其差值不超過0.2%。試驗采用直徑為39.1mm、高80mm的試樣，分5層搗實，根據土樣的總質量確定每層土樣的重量，擊實到相應高度，將各層接觸面刮毛，以保證上下層接觸良好。

2.2試驗儀器及試驗方法

試驗所用儀器為南京工業大學巖土工程研究所自行研制的DSZ-1 型應力控制動三軸儀[15]。試驗采用應力控制的方式，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、動應力、動應變的時程數據。

土樣制備完成后，放入飽和器內抽真空飽和，在反映飽和度的Skempton孔壓B 值≥0.95后進行固結，最后施加頻率為1Hz的軸向等幅正弦荷載。試驗取孔壓比達到1或者雙幅軸向應變達到5%為初始液化標準[16]，當試樣達到初始液化時試驗停止。表3給出了試驗時的黏粒含量、干密度ρd、有效圍壓σ＇、施加的循環應力比CSR、測得的初始液化循環周數NL以及試樣達到初始液化時的耗損能量W。

表 3　動三軸試驗方案及結果

3試驗結果與分析

圖2以試樣編號No.2的土樣為例給出了典型粉土試樣的試驗結果。

該試樣加載的循環應力比為0.329，隨著循環振次的增加，孔壓逐漸遞增，當振次達到17.3時，粉土達到了初始液化。圖2(a)給出了該試樣試驗過程中反映軸向應力與應變關系的滯回圈。從圖中可以看出，割線模量隨著循環振次的增加逐漸降低，而孔壓則逐漸上升(如圖2(b))。單次循環振動耗損的能量和累積耗損能量記錄在圖2(c)中，在試樣達到初始液化的過程中，每次循環耗損能量的變化不大。圖2(d)給出了孔壓比與累積耗損能量之間的關系，孔壓比在0～0.65之間時，孔壓比隨著累積耗損能量的增長呈線性增加關系，孔壓比達到0.65后，孔壓增長的速度變慢，并最終趨于1。

圖2　土樣No.2的試驗結果 Fig.2　Test result of soil sample No.2

圖3　黏粒含量與粉土液化耗損能量的關系 Fig.3　Relationship between clay content and energy dissipation in silt liquefaction

3.1黏粒含量對飽和粉土液化特性的影響

已有研究表明黏粒含量對粉土的液化特性影響很大。圖3給出黏粒含量與粉土液化耗損能量的關系。從圖中可以看出，粉土中黏粒含量為8%時比4.4%、12%時的液化耗損能量要小得多，說明黏粒含量約為8%的粉土更易液化，這與文獻[17]、[18]的動三軸試驗結果相吻合。造成這種結果的原因可能是：當土中黏粒含量較低時，黏粒在土中主要起潤滑作用，粉粒發生滑移所需的能量隨黏粒含量的增加而減小；當黏粒含量較高時，黏粒與粉粒相膠結，主要起穩定、鑲嵌作用，隨著黏粒含量的增加，其對粉粒的膠結作用不斷增強，粉粒發生滑移所需的能量則不斷增加。

3.2干密度對飽和粉土液化特性的影響

土的密實程度是影響粉土液化的另一個重要因素。圖4給出了固結應力50 kPa時不同干密度與粉土液化耗損能量的關系。可以看出，密實度對粉土液化的影響十分顯著，隨密實度的增大，其所需的能量相應增加，抗液化能力也相應增強。這與以往的研究結果相符。

圖4　干密度與粉土液化耗損能量的關系 Fig.4　Relationships between dry density and energy dissipation in silt liquefaction

3.3有效圍壓對飽和粉土液化特性的影響

土的固結應力對粉土液化的影響亦不容忽視，圖5給出了黏粒含量為4.4%和8%的粉土液化耗損能量與有效圍壓的關系。可以看出，隨著圍壓的增加，粉土液化耗損能量也相應增加，其抗液化能力得到了顯著增強。Baziar等[10]的研究表明，砂土液化耗損能量增加值與圍壓的增加值呈線性關系，即圍壓100 kPa時的砂土液化耗損能量是圍壓50 kPa時的兩倍左右。在本次試驗中，對于黏粒含量為4.4%和8%的粉土，圍壓100 kPa時的液化耗損能量約是圍壓50 kPa時的2倍，圍壓150 kPa時的液化耗損能量約是圍壓50 kPa時的3倍。

圖5　不同有效圍壓作用下粉土液化耗損能量 Fig.5　Energy dissipation in silt liquefacion under different effective confining pressures

3.4循環應力比對飽和粉土液化特性的影響

在其他試驗條件相同的情況下，試驗所施加的循環應力比越高，土壤越容易液化。圖6給出了循環應力比與粉土液化耗損能量的關系。由圖可知，對于給定的有效圍壓，加載不同循環應力比的粉土液化耗損能量相差不大，兩者之間沒有明顯的關系，出現這種情況可能是因為粉土液化時的耗損能量只與土自身的物理性質有關，與施加外部荷載的方式無關。

防震器是蓋在擺輪軸眼上的彈簧片，常見防震器有上下之分，通常會采用兩個彈簧片。而特殊表款會采用四個彈簧片。每個由防震座(Bloc)、鉆眼(Chaton)、防震碗(pierre a trou)、托鉆(contre pivot)、防震簧(ressort lyre)等五部分組成（見圖12）。

圖6　循環應力比與粉土液化耗損能量的關系 Fig.6　Relationship between the cyclic stress ratio and energy dissipation in silt liquefaction

4結論

本文以循環加載的累積耗損能量為指標，分析了粉土的液化特性，著重探討了黏粒含量、密實度、有效圍壓、循環應力比等因素對粉土液化特性的影響，其主要結論為：

(1) 黏粒含量是影響粉土液化的重要因素，粉土的液化耗損能量隨著黏粒含量的增加呈現出先減小后增大的規律，當黏粒含量為8%左右時粉土最易液化。

(2) 對于不同密實度和有效圍壓的粉土而言，粉土的液化耗損能量隨密實度的增大而增大，隨圍壓的增長而增大，飽和粉土的抗液化能力也隨之增強。

(3) 粉土的液化耗損能量與所施加的循環應力比之間的關系不明顯，這有待進一步試驗研究與驗證。

參考文獻(References)

[1]黃博，陳云敏，殷建華，等.粉土和粉砂的動力特性試驗研究[J].浙江大學學報：工學版，2002，36(2)：143-147.

HUANG Bo，CHEN Yun-min，YIN Jian-hua，et al.Laboratory Study on Dynamic Properties of Silt and Silty Sand[J].Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2002，36(2)：143-147.(in Chinese)

[2]Appolonia D J，Appolonia E E，Brissette R F.Settlement of Spread Footings on Sand[J].Journal of Soil Mechanics & Foundations Div，1968，94(3)：735-760.

ZHOU Xiang-guo，XING Gui-fa，SU Yu-guo.Experimental Study of Earthquake Liquefaction of Saturated Silt in Tianjin Area[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(12)：3813-3819.(in Chinese)

[4]Nemat-Nasser S，Shokooh A.A Unified Approach to Densification and Liquefaction of Cohesionless Sand in Cyclic Shearing[J].Canadian Geotechnical Journal，1979，16(4)：659-678.

[5]Figueroa J L，Saada A S，Liang L，et al.Evaluation of Soil Liquefaction by Energy Principles[J].Journal of Geotechnical Engineering，1994，120(9)：1554-1569.

[6]Green R A.Energy-based Evaluation and Remediation of Liquefiable Soils[D].Blacksburg，Virginia：Viginia Polytechnic Institute and State University，2001.

[7]Baziar M H，Jafarian Y.Assessment of Liquefaction Triggering Using Strain Energy Concept and ANN Model：Capacity Energy[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2007，27(12)：1056-1072.

[8]Park K, Kim S, Lee J, et al. Energy-based Evaluation of Excess Pore Pressure Using Damage Potential[J].International Journal of Offshore and Polar Engineering，2008，18(1).

[9]Okur V，Ansal A.Evaluation of Cyclic Behavior of Fine-grained Soils Using the Energy Method[J].Journal of Earthquake Engineering，2011，15(4)：601-619.

[10]Baziar M H，Sharafi H.Assessment of Silty Sand Liquefaction Potential Using Hollow Torsional Tests-an Energy Approach[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2011，31(7)：857-865.

[11]Polito C P，Green R A，Dillon E，et al.Effect of Load Shape on Relationship Between Dissipated Energy and Residual Excess Pore Pressure Generation in Cyclic Triaxial Tests[J].Canadian Geotechnical Journal，2013，50(11)： 1118-1128.

[12]Chen Y R，Chen J W，Hsieh S C，et al.Evaluation of Soil Liquefaction Potential Based on the Nonlinear Energy Dissipation Principles[J].Journal of Earthquake Engineering, 2013，17(1)：54-72.

[13]Polito C P，Green R A，Lee J.Pore Pressure Generation Models for Sands and Silty Soils Subjected to Cyclic Loading[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134(10)：1490-1500.

[14]沈 揚，閆俊，張朋舉，等.主應力方向變化路徑下等壓固結粉土強度特性差異和能量評價方法研究[J].巖土力學，2011，32(4)：531-536.

SHEN Yang，YAN Jun，ZHANG Peng-ju，et al.Strength Characteristics of Isotropically Consolidated Silt Under Change of Principal Stress Orientation and Correlative Evaluation Method With Collapse Energy[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(4)：531-536.(in Chinese)

[15]陳國興，朱定華，何啟智.DSZ-1 型動三軸試驗機研制與性能試驗[J].地震工程與工程振動，2002，22(6)：71-74.

CHEN Guo-xing，ZHU Ding-hua，HE Qi-zhi.Development and Test of DSZ-1 Cyclic Triaxial Testing System[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibaration，2002，22(6)：71-74.(in Chinese)

[16]南京水利科學研究院.GBSL237-1999 土工試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[17]牛琪瑛，裘以惠，史美筠.粉土抗液化特性的試驗研究[J].太原工業大學學報，1996，27(3)：5-8.

NIU Qi-ying，QIU Yi-hui，SHI Mei-yun.The Study and Test of Liquefaction Resistant Characteristics of Silt[J].Journal of Taiyuan University of Technology，1996，27(3)：5-8.(in Chinese)

[18]劉雪珠，陳國興.粘粒含量對南京粉細砂液化影響的試驗研究[J].地震工程與工程振動，2003，23(3)：150-155.

LIU Xue-zhu，CHEN Guo-xing.Experimental Study on Influence of Clay Particle Content on Liquefaction of Nanjing Fine Sand[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibaration，2003，23(3)：150-155.(in Chinese)