摻細(xì)料礫石土的動(dòng)孔壓特性探討

摻細(xì)料礫石土的動(dòng)孔壓特性探討

羅會(huì)武1， 彭旭1， 陳生水2，劉恩龍1

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610065；

2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 21002)

摘要：地震荷載作用下發(fā)生滑坡的滑動(dòng)帶通常由粗顆粒與細(xì)顆粒組成。滑帶土的動(dòng)力性質(zhì)及動(dòng)孔隙水壓力的發(fā)展對邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。對摻細(xì)料礫石混合土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)來探討細(xì)料(粒徑小于0.5 mm)含量對礫石(粒徑6～20 mm)混合土的動(dòng)孔壓特性的影響，進(jìn)行細(xì)料含量為0%、20%和40%的三組試樣的動(dòng)三軸試驗(yàn)，采用固結(jié)圍壓為100 kPa、固結(jié)應(yīng)力比為1.0、頻率為1.0 Hz，施加軸向動(dòng)應(yīng)力分別為0.50、0.55、0.60和0.65 kN，得到動(dòng)孔壓的變化規(guī)律。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)相同激振力作用下，隨著細(xì)料含量的增加，動(dòng)孔隙水壓力增長速度逐漸變緩；相同細(xì)料含量時(shí)，隨著激振力的增大，動(dòng)孔隙水壓力增長速度變快。(2)激振力較大和細(xì)料含量較少時(shí)，動(dòng)孔隙水壓力在較少的振次下達(dá)到較大值并趨于穩(wěn)定。(3)細(xì)料含量為20%的礫石混合土試樣在試驗(yàn)終止時(shí)的振動(dòng)次數(shù)最大，細(xì)料含量為40%的礫石混合土在試驗(yàn)終止時(shí)的振動(dòng)次數(shù)最小。(4)當(dāng)細(xì)粒含量為0%和20%時(shí)，試驗(yàn)終止時(shí)最終的孔壓都可以接近固結(jié)圍壓；當(dāng)細(xì)粒含量為40%，激振力較大時(shí)，試驗(yàn)終止時(shí)最終的孔壓才接近固結(jié)圍壓，而激振力較小時(shí)最終的孔壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到固結(jié)圍壓。

關(guān)鍵詞：摻細(xì)料礫石土； 動(dòng)孔壓； 動(dòng)三軸試驗(yàn)； 動(dòng)力特性

收稿日期：*2014-08-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)

通訊作者：劉恩龍(1976-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土材料本構(gòu)關(guān)系和數(shù)值分析方面的教學(xué)與科研工作.E-mail：liuenlong@scu.edu.cn

中圖分類號:TU411文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0034

Discussion on Dynamic Pore Pressure Properties of Gravelly

Soil Mixed with Fine Grains

LUO Hui-wu1， PENG Xu1， CHEN Sheng-shui2， LIU En-long1

( 1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，CollegeofWaterResource&Hydropower，SichuanUniversity，

Chengdu，Sichuan610065China； 2.NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing，Jiangsu210029，China)

Abstract：Under seismic loading，sliding bands originating from landslides are usually composed of coarse and fine grains.The dynamic features of sliding-band soils and the development of dynamic pore water pressure during the cyclic loading process are extremely important to the stability of slopes.Dynamically cyclic triaxial tests on gravels including fine particles smaller than 0.5 mm were conducted to investigate the influence of fine particles on the dynamic pore water pressure features of these mixed soil gravels of 6～20 mm.Three groups of specimens with fine contents of 0%，20%，and 40% were tested using a triaxial dynamic apparatus wherein the consolidation confining pressure was 100 kPa，the ratio of consolidation was 1.0，and the frequency was 1.0 Hz.Dynamic axially cyclic stress of 0.50 kN，0.55 kN，0.60 kN，and 0.65 kN was applied to each group.The specimen shape was cylindrical，and the specimen size was 100 mm × 200 mm.The dry densities of the specimens with fine contents of 0%，20%，and 40% were 1.605 g/cm3；1.741 g/cm3，and 1.570 g/cm3，respectively.After the tests were concluded，the development of dynamic pore water pressure and its evolution laws were obtained and analyzed in detail. It was experimentally determined that under the same dynamic load，a more rapid increase in dynamic pore water pressure occurs when the fine soil particle content is small；when the content is high，the speed is lower.For the same fine grain content，a small dynamic load resulted in a low speed increase of dynamic pore water pressure; when the dynamic load was high，the increase was rapid. Moreover，a larger dynamic load and smaller fine grain content resulted in relatively larger dynamic pore water pressure of soil specimens that tended to be stable.The number of the dynamic cycles was largest (smallest) when the specimen with fine content of 20% (40%) was wreck.At the end of the experiment, the pore water pressure of the soil specimen was close to the consolidation confining pressure with fine contents of 0% and 20%.For the specimens of 40% fine content，the pore water pressure was close to the consolidation confining pressure under a high dynamic load.

Key words： gravels mixed with fine grains； dynamic pore pressure； dynamic triaxial test； dynamic properties

0引言

“5·12”汶川地震是建國以來破壞性最強(qiáng)的地震，造成了大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害，特別是突發(fā)性的大面積滑坡。根據(jù)我國西南地區(qū)地震滑坡的現(xiàn)場情況來看，大量的破壞面都是由較粗粒和較細(xì)粒組成的滑帶土構(gòu)成的[1-2]。所謂滑帶土是指在滑動(dòng)過程中經(jīng)過一系列研磨、剪切、擠壓和搓揉后而破壞形成的一層由土和碎石構(gòu)成的混合土體。這層土體介于滑動(dòng)體和不動(dòng)土體之間，厚度可以是幾毫米，也可以達(dá)幾米[3]。研究這種較粗粒與較細(xì)粒的混合土的動(dòng)力性質(zhì)對了解地震滑坡產(chǎn)生機(jī)理有著重要意義。

最近許多學(xué)者對粗細(xì)粒混合土的動(dòng)力性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)研究。曹成林等[4]通過對來自黃河三角洲的粉質(zhì)土中摻入質(zhì)量百分比分別為15%、9%和3%的黏土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：隨著剪應(yīng)力比的增加，達(dá)到飽和時(shí)所需要的振動(dòng)次數(shù)減少，細(xì)粒含量對混合土的影響十分大，隨著細(xì)粒含量的增加動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降低再增加的趨勢。周建等[5]通過對不同細(xì)粒含量的飽和砂土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：當(dāng)細(xì)粒含量小于30%時(shí)，其扮演的是相似于“滾珠”的角色，隨著細(xì)粒含量的增加飽和砂土抗液化強(qiáng)度減低；當(dāng)細(xì)粒含量超過30%時(shí)，飽和砂土抗液化強(qiáng)度隨著其含量增加而增加。Abedi[6]通過對含不同比重礫石的細(xì)粒采用控制不同的圍壓條件和不同干密度進(jìn)行室內(nèi)靜力三軸試驗(yàn)，認(rèn)為細(xì)粒含量的增加會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性的升高，而且當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到20%時(shí)升高趨勢開始趨于緩慢。Tsotsos[7]在一維壓縮試驗(yàn)中，將6組含不同砂石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏土進(jìn)行對比，找出了得到最小孔隙比的組合。Ali等[8]將取自東歐的粒徑很粗的萊頓帕扎德砂摻雜碾碎的細(xì)砂，代替以往的孔隙比，而提出“粒間孔隙比”(即inter-granular void ratio)在相同固結(jié)應(yīng)力下隨著不同細(xì)砂含量而變化；并發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)化細(xì)粒含量，即在相同的壓縮強(qiáng)度下，這個(gè)轉(zhuǎn)化含量之前粒間孔隙比隨細(xì)粒增加而發(fā)生緩慢線性變化，而在轉(zhuǎn)化含量之后粒間孔隙比隨著細(xì)粒的增加而激增。王勇等[9]通過對含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)粒的砂土進(jìn)行不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)，得出的結(jié)論為：當(dāng)細(xì)粒含量低于30%時(shí)，隨著細(xì)粒含量的增加動(dòng)彈性模量逐漸減小；當(dāng)細(xì)粒含量超過30%時(shí)，隨著細(xì)粒含量的增加，動(dòng)彈性模量逐漸增大；阻尼比呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，界限細(xì)粒含量也是30%。劉恩龍等[10]也對摻加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)黏粒(粒徑小于0.075 mm)的粗粒砂(粒徑為1 mm和2 mm之間)混合土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗砂粒中摻加黏粒，其含量的增加會(huì)改變動(dòng)強(qiáng)度，而動(dòng)強(qiáng)度隨著黏粒含量的增加呈現(xiàn)先降低后升高，當(dāng)黏粒含量為20%時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度最低；相同黏粒含量下，破壞時(shí)達(dá)到的孔壓基本相同。

由以上研究可見，對摻細(xì)料的礫石土的動(dòng)力特性研究較少。本文將細(xì)粒(粒徑小于0.5 mm)和粗粒(粒徑6～20 mm)按質(zhì)量比為0%：100%、20%：80%及40%：60%三組混合制樣。試樣直徑為10 cm，施加1.0 Hz的軸向動(dòng)荷載，圍壓為100 kPa，固結(jié)應(yīng)力比為1.0，并對三組試樣進(jìn)行不排水條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)來初步探討摻細(xì)粒的礫石混合土的動(dòng)力特性。

1試樣制備及試驗(yàn)方法

所用土料為粒徑6～20 mm的粗粒(比重為2.752)和粒徑小于0.50 mm的細(xì)粒(比重為2.345)，按細(xì)粒與粗粒的質(zhì)量比分別為0%：100%、20%：80%以及40%：60%制樣，即細(xì)料含量分別為0%、20%和40%三組，相應(yīng)的干密度分別為1.605 g/cm3、1.741 g/cm3和1.570 g/cm3。試樣為圓柱樣，尺寸為D×H=100 mm×200 mm，分層擊實(shí)制樣后進(jìn)行飽和，然后裝樣進(jìn)行固結(jié)。

三組試樣均采用等壓固結(jié)(Kc=1.0；σc=100 kPa)，每組試樣施加的激振力分別為0.50、0.55、0.60和0.65 kN。儀器選用為全自動(dòng)GCTS動(dòng)三軸儀。選取頻率f=1.0 Hz的正弦波形施加動(dòng)應(yīng)力，試驗(yàn)終止時(shí)軸向動(dòng)應(yīng)變?yōu)?0%。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1動(dòng)孔壓特點(diǎn)

圖1、圖2和圖3分別給出細(xì)料含量分別為0%、20%和40%時(shí)礫石混合土在激振力為0.50、0.55、0.60和0.65 kN作用下的動(dòng)孔壓隨振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖1　動(dòng)孔壓-振動(dòng)時(shí)間曲線(細(xì)料含量為0%) Fig.1　Curves of dynamic pore pressure-vibration time (fines content of 0%)

由動(dòng)孔壓隨振動(dòng)時(shí)間變化的關(guān)系曲線可以得出：(1)隨著振動(dòng)時(shí)間的逐漸增加，動(dòng)孔隙水壓力逐漸增加。細(xì)料含量0%時(shí)，動(dòng)孔隙水壓力隨振動(dòng)時(shí)間增加得較快，最終可以達(dá)到接近固結(jié)圍壓。而細(xì)料含量40%時(shí)，動(dòng)孔隙水壓力隨振動(dòng)時(shí)間增加得較慢，激振力較小時(shí)最終的動(dòng)孔壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到固結(jié)圍壓，激振力較大時(shí)最終的動(dòng)孔壓接近固結(jié)圍壓。(2)對于相同的試樣，激振力越大，隨著時(shí)間的增加動(dòng)孔隙水壓力增加得越快，孔隙水壓力的最大值越大，且試樣終止時(shí)的破壞次數(shù)越小；隨著細(xì)料含量的逐漸增加，試樣終止時(shí)的動(dòng)孔隙水壓力卻逐漸減小。(3)對于相同的激振力，激振力較小時(shí)(如0.50 kN)，隨著細(xì)料含量的逐漸增加，試驗(yàn)終止時(shí)的動(dòng)孔隙水壓力值呈明顯的減小趨勢；而激振力較大時(shí)(如0.650 kN)，隨著細(xì)料含量的逐漸增加，試驗(yàn)終止時(shí)的動(dòng)孔隙水壓力值呈現(xiàn)的減小趨勢不明顯。可見細(xì)料含量和激振力對摻細(xì)料礫石混合土的動(dòng)孔隙水壓力的發(fā)展過程有很大影響。

2.2動(dòng)孔壓演化規(guī)律

圖4為細(xì)料含量分別為0%、20%和40%時(shí)礫石混合土的動(dòng)孔壓(峰值)隨振動(dòng)周次的變化規(guī)律。可見，激振力較大時(shí)，在較小的振動(dòng)周次下動(dòng)孔壓增加到較大值并趨于穩(wěn)定，細(xì)料含量越少(即粗料含量越多)，孔壓上升的越快；激振力較小時(shí)孔壓上升的較慢，在較多的振動(dòng)周次下動(dòng)孔壓才可增加到較大值，且細(xì)料含量為40%時(shí)，動(dòng)孔壓隨著振動(dòng)周次的增加一直增大到試驗(yàn)終止時(shí)(軸向應(yīng)變?yōu)?0%)都沒有穩(wěn)定，但此時(shí)的動(dòng)孔壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固結(jié)圍壓。

圖2　動(dòng)孔壓-振動(dòng)時(shí)間曲線(細(xì)料含量為20%) Fig.2　Curves of dynamic pore pressure-vibration time (fines content of 20%)

圖3　動(dòng)孔壓-振動(dòng)時(shí)間曲線(細(xì)料含量為40%) Fig.3　Curves of dynamic pore pressure-vibration time (fine content of 40%)

圖5為不同激振力下動(dòng)孔壓與固結(jié)圍壓之比與振動(dòng)周次關(guān)系曲線。可見，激振力較小(0.50 kN)時(shí)，隨著振動(dòng)周次的增加動(dòng)孔壓與固結(jié)圍壓之比逐漸增加，但增加的速度較為緩慢，細(xì)料含量為0%時(shí)的動(dòng)孔壓與固結(jié)圍壓之比較大；激振力較大(0.65 kN)時(shí)，隨著振動(dòng)周次的增加動(dòng)孔壓與固結(jié)圍壓之比增加的速度較快，特別是細(xì)料含量為0%時(shí)的動(dòng)孔壓與固結(jié)圍壓之比在10個(gè)振動(dòng)周期就達(dá)到較大的值并趨于穩(wěn)定。

圖4　動(dòng)孔壓-振動(dòng)周次曲線 Fig.4　Curves of dynamic pore pressure-number of vibration cycles

圖5　 動(dòng)孔壓/固結(jié)圍壓-振動(dòng)周次曲線 Fig.5　Curves of dynamic pore pressure/consolidation confining pressure-number of vibration cycles

細(xì)料含量為20%的礫石混合土試樣在試驗(yàn)終止時(shí)的振動(dòng)次數(shù)最大，而細(xì)料含量為40%的礫石混合土在試驗(yàn)終止時(shí)的振動(dòng)次數(shù)最小。這是由于試樣的干密度、激振力和試樣內(nèi)顆粒的傳力和承載機(jī)制所導(dǎo)致的，情況非常復(fù)雜，有待進(jìn)一步的探討。

3結(jié)論

(1) 細(xì)料含量較低時(shí)，動(dòng)孔隙水壓力隨振動(dòng)時(shí)間增加得較快，最終可以達(dá)到接近固結(jié)圍壓。而細(xì)料含量較高時(shí)，動(dòng)孔隙水壓力隨振動(dòng)時(shí)間增加得較慢，動(dòng)應(yīng)力較小時(shí)最終的動(dòng)孔壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到固結(jié)圍壓。

(2) 激振力較大時(shí)，在較小的振動(dòng)周次下動(dòng)孔壓增加到較大值并趨于穩(wěn)定，細(xì)料含量越少孔壓上升得越快；激振力較小時(shí)，孔壓上升得較慢，在較多的振動(dòng)周次下，動(dòng)孔壓才可增加到較大值。

(3) 細(xì)料含量為20%的礫石混合土試樣在試驗(yàn)終止時(shí)的振動(dòng)次數(shù)最大，細(xì)料含量為40%的礫石混合土在試驗(yàn)終止時(shí)的振動(dòng)次數(shù)最小。

(4) 當(dāng)細(xì)粒含量為0%和20%時(shí)，試驗(yàn)終止時(shí)最終的孔壓都可以接近固結(jié)圍壓；當(dāng)細(xì)粒含量為40%時(shí)，在激振力較大時(shí)，試驗(yàn)終止時(shí)最終的孔壓才接近固結(jié)圍壓，而激振力較小時(shí)最終的孔壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到固結(jié)圍壓。

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