黏粒和砂粒混合土體的動態液化性能研究

黏粒和砂粒混合土體的動態液化性能研究

唐小微， 李濤， 馬玲， 張西文

(大連理工大學 海岸和與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連116023)

摘要：現場和實驗室觀測表明，一定黏粒含量的砂土在一定條件下易發生動力液化的現象，且黏粒含量對砂土抗液化性能的影響較為復雜。通過CKC全數字閉環控制氣動式三軸儀試驗系統，對黏粒含量為0%、5%和10%的砂土進行動力三軸試驗。結果表明，黏粒含量為5%時砂土的抗液化性能最差，并且黏粒含量對于孔壓的發展具有較大影響。根據實驗數據的分析，對砂土-黏土的混合土的液化和抗液化性能進行機理分析。

關鍵詞：黏粒含量； 抗液化； 動三軸試驗； 循環應力比

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：國家自然科學

作者簡介：唐小微(1968-)男，河北唐山人，博士，副教授，博士生導師，主要從事巖土地震工程等方面的教學和科研.E-mail：tangxw@dlut.edu.cn作者簡介：李濤(1989-)，男，碩士研究生，主要從事巖土工程數值及試驗方面的研究.E-mail：476693724@qq.com

中圖分類號:TU43文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0006

Dynamic Liquefaction Properties of Sand-Clay Mixture

TANG Xiao-wei， LI Tao， MA Ling， ZHANG Xi-wen

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116023，China)

Abstract：Field observations and laboratory studies indicate that sand with a certain amount clay can be easily dynamically liquefied under certain conditions and that the amount of clay has a complex impact on the liquefaction resistance of sand.Using a CKC dynamic tri-axial test system，the liquefaction resistance of sand samples with different clay content (0%，5%，and 10%) was investigated.The results show that the sand sample with 5% clay had the lowest liquefaction resistance；the generation of pore water pressure is obviously effected by the clay content.The liquefaction mechanism of the sand-clay mixture is explained according to the experimental results.

Key words： clay content； anti-liquefaction； dynamic tri-axial test； cyclic stress ratio

0引言

我國山多、地震頻發，是世界上發生滑坡災害較多的國家之一。近年來，隨著我國經濟的快速發展，在實際工程中出現了大量的人工邊坡。但這些邊坡中的土體通常并不是純砂，而是砂粒、粉粒和黏粒組成的混合物，其中粉粒和黏粒又統稱為細粒[1]。研究表明，含一定細粒量的砂土在某些條件下都有類似于松砂液化的性質。而含細粒砂土的抗液化性能主要取決于細粒的含量及其物理性質，從細粒含量的角度考慮時，因粉粒和砂粒性質比較接近，可認為土的抗液化性能主要受黏粒含量的影響。因此，常將黏粒含量作為特征指標引入相應的研究[2]。對地震和其他動荷載作用下含細粒邊坡的動力液化問題進行研究，以探討邊坡的穩定性，對滑坡災害的預報和防治具有非常重要的現實意義。

對于液化的定義，存在多種解釋。1978年美國巖土工程學會將其定義為[3]，“任何物質轉化為液體的過程”。汪聞韶[4]對于無黏性土液化的解釋是“任何物質由固體狀態變為液體狀態的轉化過程”。土體液化主要在飽和無黏性土或稍具黏性的土中發生，砂土在承受了動力荷載作用下，將會發生動力液化。關于動力液化有多種不同的定義，例如初始液化[5]和循環液化[6]等定義。

在液化評價標準上大體上有兩種：Seed等提出的循環活動性準則以及Casagrande提出的臨界孔隙比準則。循環活動性準則是從應力狀態角度出發的，提出在循環荷載的持續作用下，土中法向有效應力為零這個狀態會不斷出現，直至土體累積變形超過允許的變形失穩條件。臨界孔隙比從位移角度出發，指出土體產生大的變形或應變是致使結構物破壞的主要原因，該觀點以Castro[7]，Roberston[8]等為代表。

我國巖土工程界多采用循環活動性標準，來判斷是否發生液化。但是由于某些土體的孔壓在動荷載的作用下不能達到圍壓，且當孔壓達到圍壓時三軸試樣的軸向應變常為5%，所以可取試樣的動應變達到5%作為液化的標準。

關于細粒含量對砂土液化特性的影響，國內外學者做了大量工作。以Lade[9]、 Kuerbis[10]等為代表提出隨細粒含量的增加，飽和砂土的抗液化能力會降低；而Chang等[11]研究卻發現隨著細粒含量的增加，飽和砂土的抗液化能力會提高；衡朝陽等[12]研究指出，含黏粒砂土的動剪應力比與黏粒含量的關系呈下凹拋物線型；曾長女等[13]研究發現黏粒含量對于粉土液化的影響與其液化后的大變形規律之間存在著內在聯系。雖然目前關于細粒含量對砂土液化特性的影響有很多結論，但普遍認為細粒含量對于砂土抗液化性能的影響并不是單調的。本文通過CKC三軸儀對不同黏粒含量的砂土進行試驗，得出試樣的軸向應變、動孔壓比、循環應力比與試樣破壞時的循環振次的關系曲線。

1試驗概況

1.1試驗設備

本文試驗采用1982年由美國加州大學戴維斯分校研制的CKC全數字閉環控制氣動式三軸儀(簡稱CKC三軸儀)。它是世界上第一臺數控全自動的三軸儀，測量精度高、加載方式多樣化，是研究土體靜力和動力特性的理想設備。該儀器主要由電腦、信號轉換系統、電子-氣動轉換器、氣動加載系統、三軸圍壓室和測量傳感器等部分組成。它具有多種功能，可進行等向與非等向固結試驗、三軸壓縮和拉伸試驗、k0線性固結試驗、動力三軸試驗、等p循環剪切試驗、蠕變試驗和任意應力路徑試驗等。

1.2土樣制備

本次試驗中各種黏粒含量試樣所用的砂為經過粒徑篩選(dmax<0.5 mm)的福建標準砂，其基本物理參數見表1。

表 1 　試驗用砂的基本物理參數

通過顆粒分析可獲得其級配曲線，如圖1所示。摻入砂中的黏粒為含Na基的商用膨潤土。

圖1　試驗用砂的顆粒級配曲線(d max<0.5 mm) Fig.1　The particle grading curve for the test sand(d max<0.5 mm)

試驗中所用試樣的尺寸為39.1 mm×80 mm(直徑×高度)，黏粒含量分別為0%、5%和10%。0%黏粒含量的試樣又稱為純砂試樣。所有試樣都是飽和重塑樣，初始相對密實度采用20%，采用濕擊法進行制樣。黏粒含量為0%和5%的試樣由于滲透系數比較高，在制好樣之后直接在儀器上進行飽和；黏粒含量為10%的試樣，由于滲透性較低則采用真空飽和法。試樣飽和完成后，測孔隙水壓力系數B，若達到95%以上，認為試樣飽和；若不滿足，則對試樣繼續進行飽和。試樣的制備、裝樣、飽和、固結和剪切等具體步驟參照《SL 237-1999土工試驗規程》[14]。試驗中采用應力控制的方式進行加載，施加等幅半正弦波形式的動荷載，當達到1 000個循環后即停止試驗，振動頻率f=0.5 Hz，動荷載周期T=2 s。

1.3破壞標準

破壞標準的選取對于討論循環動力液化問題顯得非常重要。土樣破壞的標準包括：初始液化標準、應變標準以及極限平衡標準等。根據經驗表明，土樣中黏粒含量較少或粗顆粒較大時，易達到完全液化；土樣中黏粒含量較大或粗顆粒較小時，盡管土樣已產生足夠的變形，但動孔隙水壓力也不高。針對以上情形并結合試驗設計方案，對動力三軸試驗采用應變標準：選取軸向應變εf=5%為破壞標準[14]。

2試驗結果與分析

為探究黏粒含量對砂土動力液化的影響，采用CKC動三軸儀進行試驗。圖2～4列出了黏粒含量為0%、5%和10%的εa-N曲線以及u/σ3-N曲線，其中N為各黏粒含量試樣在試驗中的循環振次。

圖2　P c=0%的試驗結果 Fig.2　Results of test (P c=0%)

從圖2(a)可以看到，純砂試樣(Pc=0%)在達到破壞時(εa=5%)，各個荷載幅值作用下試樣破壞的循環振次差別較大。當荷載幅值為160.15 kPa時試樣幾乎瞬間就破壞；而當荷載幅值為147.36 kPa時，試樣破壞時所需的循環振次接近95次。而從圖2(b)中可以看到純砂試樣在破壞時，動孔壓比平均都維持在0.75左右，而且上升速率很快，說明液化比較劇烈。

圖3　P c=5%的試驗結果 Fig.3　Results of test (P c=5%)

從圖3(a)可以看到，黏粒含量Pc=5%的試樣在破壞時，動荷載幅值普遍低于純砂，并且破壞時的循環振次也較純砂有所減少；而從圖3(b)中可以發現，試樣破壞時的動孔壓比大多數都達到了0.9，普遍高于純砂。由此可以說明，黏粒含量Pc=5%的試樣在動荷載作用下液化現象比純砂更為劇烈。

從圖4(a)可以觀察到，黏粒含量Pc=10%的試樣在破壞時的動荷載幅值又普遍高于黏粒含量Pc=5%的試樣，且稍高于純砂試樣的。而從圖4(b)中可以發現，試樣破壞時的動孔壓比相當低。當荷載幅值為166.65 kPa時試樣破壞時的動孔壓比最大，但也只有0.04左右；當荷載幅值為184.6 kPa時試樣在破壞時的動孔壓幾乎就沒有發展。從以上分析可以看出，此時的黏粒對于孔壓的發展起到了一個明顯的抑制作用。說明黏粒含量Pc=10%的試樣的抗液化性能比Pc=5%的試樣高。

為了將黏粒含量對砂土動力液化的影響規律更加直觀地表現出來，將3種黏粒含量試樣發生液化時所需的循環應力比CSR和相應的循環振次N繪制于圖5中，并用線性擬合的方法對相同黏粒含量的試驗點進行擬合，得到CSR-N曲線。其中循環應力比CSR[15]的定義為：

式中：σd為循環動應力，kPa；σ3為試樣的固結圍壓，kPa。

圖4　 P c=10%的試驗結果 Fig.4　 Results of test (P c=10%)

從圖5中可以看出，純砂的擬合直線位于5%和10%黏粒含量的擬合直線之間，且5%黏粒含量的擬合直線處于最下端。從上述分析可以得出：動力試驗中5%黏粒含量的砂土抗液化能力最差。可說明，黏粒含量對砂土動力液化的影響并非是單調的，而是存在某個界限黏粒含量值使得砂土的抗液化性能最差。當黏粒含量小于此界限值時，隨著黏粒含量的增加，黏粒的存在將促使孔壓的發展，進而使得砂土的有效應力下降，最終導致砂土的抗液化性能下降；大于該界限值時，隨著黏粒含量的增加，黏粒的存在將抑制孔壓的發展，此時黏粒的存在反而使得砂土的抗液化性能增強。

圖5　黏粒含量對砂土循環抗液化的影響 Fig.5　Influence of clay content on cyclic anti-liquefaction of sand

該結論還可通過結合圖6中試樣的初始孔隙比，從顆粒的細觀角度對液化進行解釋。含黏粒的砂土，其顆粒間的相對穩定性會因黏粒的存在而發生變化，這是因為黏粒無法完全占據砂粒間的空隙，而是以點接觸的形式分布在砂顆粒周圍，對砂粒起膠結作用。當黏粒含量較低時，黏粒對砂顆粒主要起潤滑作用，這種潤滑作用使得砂顆粒在受外力時將沿黏粒方向發生滑動，直至粒間結構達到一個穩定狀態。這將導致粒間空隙減小，孔隙水壓力上升，抗剪強度下降，最終發生液化。

圖6　含黏粒試樣的初始孔隙比 Fig.6　Curve of the initial void ratio of clayed sample

從圖6中可以看到，在低黏粒含量下，隨黏粒含量的增加，試樣的初始孔隙比呈現出下降的趨勢。當發生剪切時，低黏粒含量試樣的孔壓積聚效應非常明顯，所以液化現象比純砂更劇烈。當黏粒含量增加至某一值時，黏粒對砂顆粒主要起穩固作用，這是由于隨著黏粒含量的增大，黏粒包裹在砂粒周圍，形成一層足夠厚的黏粒層。黏粒一方面膠結砂粒，另一方面調整自身結構，在整體上則表現出穩固砂粒的作用。此時隨著黏粒含量的增加，砂土逐漸向黏土過渡。相同質量的黏土和砂土，前者孔隙比較后者更大，所以此時試樣的初始孔隙比呈現出回升趨勢，孔壓的積聚效果減弱，試樣抗剪強度增強，液化受到抑制。

3結論

本文以含一定量黏粒的砂土為研究對象，進行了室內動三軸試驗，重點研究了黏粒含量對砂土抗液化的影響規律，最后可得出以下結論：

(1) 黏粒的存在對砂土的抗液化特性有著重要影響。黏粒含量較小時(如5%)，黏粒將促使孔壓的發展，使砂土的抗液化性能下降，因而比純砂更易發生動力液化現象；而當黏粒含量較大時(如10%)，黏粒會抑制孔壓的發展，提高砂土的抗液化性能，因此不易發生動力液化現象。所以可得出，在循環動力作用下黏粒含量對砂土抗液化的影響規律呈向上開口的近似拋物線型，當黏粒含量小于某一值時，砂土的抗液化性能隨著黏粒含量的增加而降低；而當黏粒含量大于某一值時，砂土的抗液化性能隨著黏粒含量的增加而增強。

(2) 黏粒含量對砂土抗液化的影響規律可以從細觀層面進行解釋。當黏粒含量較小時，黏粒對砂粒進行膠結，黏粒主要起潤滑作用；當黏粒含量較大時，一方面黏粒膠結砂粒，另一方面調整自身結構，在整體上黏粒表現出穩定和鑲嵌砂粒的作用，這時土體表現出黏土的性質，抗剪強度增大，抗液化能力增強，因此不易發生液化。

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