荊江大堤下伏飽和粉細砂動力特性試驗研究①

荊江大堤下伏飽和粉細砂動力特性試驗研究①

江洎洧， 饒錫保， 張偉， 潘家軍， 王占彬

(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)

摘要：針對荊江大堤江陵段下伏地層廣泛分布的飽和粉細砂，參照原位試驗成果重塑粉細砂試樣，按估算的固結應力比(Kc約為1.6)對試樣動剪模量、阻尼比及總應力動強度進行測試，結果表明：(1)試樣應力-應變骨干曲線與Hardin-Drnevich雙曲線模型假設高度吻合，Hardin公式可很好地擬合動模量/阻尼比與動應變的關系。在研究試樣密實度范圍內，最大動模量隨圍壓和密實度的增加而增加，但圍壓對動模量的敏感性更高，且相同圍壓下動剪模量比與動應變關系曲線近乎重合。圍壓增大或密實度升高均會引起阻尼比的降低，1%應變對應的阻尼比分布在0.15～0.21之間；(2)偏壓狀態下以累積軸向應變5%作為液化判別標準進行抗液化強度試驗，隨特征振次及測試圍壓的增大，液化動剪應力比相應減小，試樣振動孔壓比最高僅能達到0.8～0.9；(3)由總應力法求取的動內摩擦角與黏聚力均隨設定特征振次的增加而下降，且內聚力并非約等于0，表明動力作用下該試樣具有一定的黏滯性。

關鍵詞：荊江大堤； 飽和粉細砂； 動模量及阻尼比； 液化動強度

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：國家自然科學

作者簡介：江洎洧(1984-)，男，高級工程師，主要從事土的工程性質試驗研究及數值仿真分析。E-mail：jiangjw1023@163.com。

中圖分類號:TU43文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0759

Experimental Study on Dynamic Properties of Saturated

Fine Sand in Jingjiang Levees

JIANG Ji-wei, RAO Xi-bao, ZHANG Wei, PAN Jia-jun, WANG Zhan-bin

(KeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineeringofMinistryofWaterResources,YangtzeRiver

ScientificResearchInstitute,Wuhan430010,Hubei，China)

Abstract：Saturated fine sand is widespread under the Jiangling section of the Jingjiang levees, so a system test of the levees' dynamical properties is necessary. Using specimens built with reference to in situ test results with an estimated consolidation stress ratioKc (approximately 1.6), we conducted a series of dynamical triaxial tests to study the dynamical elastic modulus, damping ratio, and dynamical strength. The results are as follows: (1) The relationship curves of the dynamic stress-strain of the specimens and the Hardin-Drnevich hyperbolic model assumption match well, and Hardin's formula is also a good fit with the relationship between the dynamic modulus/damping ratio and dynamic strain. In the actual compactness range of the specimens, the maximum dynamic modulus increases with increase in the confining pressure and compactness, and the confining condition is more sensitive. Furthermore, with the same confining pressure but different compactness, the fitting curves of the shear modulus ratio and the dynamic strain nearly coincide. In addition, the damping ratio decreases with increase in the confining pressure and compactness, and when the dynamic strain is 1%, the corresponding damping ratio for specimens with different conditions ranges from 0.15 to 0.21. (2) Under bias-consolidation conditions, we set a cumulative axial strain of 5% as the liquefaction standard. With increases in the confining pressure and number of dynamic cycles, the dynamic shear stress ratio decreases, and the maximum dynamic pore pressure ratio can only reach 0.8～0.9. (3) The dynamic friction and cohesion obtained by the total stress method decrease with increases in the number of dynamic cycles. In addition, the cohesion of the specimens is not approximately equal to 0, which indicates a viscosity characteristic of saturated find sand under dynamic action.

Key words： Jingjiang levees; saturated fine sand; dynamic modulus and damping ratio; liquefied dynamic strength

0引言

長江荊江大堤江陵段下伏地層廣泛分布著飽和粉細砂。在各種動荷載作用下(例如地震、碼頭貨運列車動荷載等)，飽和粉細砂有產生液化的可能，是堤防變形破壞的原因之一[1]，在堤防穩定性分析中應作為一個控制目標進行考慮[2]。因此，有必要對堤防下伏飽和粉細砂的動力特性進行研究。

河流兩岸粉細砂層一般為沖洪積成因，陳國興等對南京及鄰近地區新近沉積土動力特性進行了系統試驗，得到其對應的動彈模量和阻尼比的包絡線范圍[3]，并對振動過程中飽和粉細砂孔隙水壓力的發展模式進行了擬合[4]; 馬德翠等[5]對相似成因的黃河三角洲粉質土動力特性進行了測試，認為修正的Hardin-Drnevich模型能夠較好擬合動模量及阻尼比與動應變之間的關系，得到了相應的歸一化關系曲線。

本文將參照原位試驗成果，合理估算試樣的固結應力比以及實際賦存環境相應的圍壓范圍，對試樣動剪模量、阻尼比及總應力動強度進行測試，定量化獲取并擬合其動力特性參數。

1試樣基本特性及試驗設計

樣本為長江北岸荊江大堤下伏的飽和狀粉細砂，分別采自沿大堤岸線1.2 km范圍內的6個鉆孔，采樣深度約為15 m。試樣的基本物理特性參數見表1。

表 1　飽和粉細砂基本物理力學參數

試樣位于水下，難以采集原狀樣本測試其相對密實度，但可用標貫擊數進行經驗估算。對于砂性土，Seed[6]提出將不同試驗設備實測標貫擊數N統一修正為標準錘擊數N60，后根據其提出的上覆壓力修正系數CN曲線關系，將N60換算為有效上覆壓力為100 kPa時經修正的標貫擊數N1，從而得到考慮原始賦存應力狀態的標貫擊數修正值。以上海勘察規范為代表的一些地方規范中亦采用此法[7]，如式(1)所示：

對于砂土標貫擊數與相對密度的統一關系，結合大量試驗驗證，國外學者通常按照式(2)進行估算，為室內試驗制樣提供依據。

式中：按粗砂α=12.5～13.2、中砂α=13.3～13.9、細砂(d<0.075 mm含量小于5%)α=14.0～14.6取值；ΔN1為Seed[6]提出的估算修正值，按表2選取。

表 2　Seed提出的△ N 1估計表

依照表1飽和粉細砂特性參數，α取14.0、△N1取1是合適的。由式(1)、式(2)計算得出原狀粉細砂的相對密度Dr為0.54。動力測試試樣按0.50、0.54和0.60三個相對密度制備，其對應的孔隙比及干密度如表3所示。

表 3　動力測試選取的粉細砂物性指標

動力試驗在GDS動三軸試驗機上進行，試樣尺寸為φ39.1 mm×H80 mm。鑒于在不同動荷載頻率和波形條件下砂土動響應參數差別較大，為保證研究實用性，以土工試驗規程SL237-1999為準(動荷載為1 Hz的正弦波)進行試驗。動模量/阻尼比試驗以及動強度液化試驗設計見表4。

試驗過程中，采用水頭飽和結合反壓飽和的方式，使試樣孔隙水壓力系數B值不小于0.98后施加偏壓，并在應力應變及體變保持穩定后開始測試。

表 4　飽和粉細砂動模量及動強度試驗方案

2飽和粉細砂動模量及阻尼比特性

Hardin-Drnevich模型假定動荷載作用下的應力-應變骨干曲線符合雙曲線，可轉換為動彈模量與應力應變的關系:

式中：a、b為試驗常數。繪制以動應變εd為橫坐標、1/Ed為縱坐標的關系圖，模量倒數1/Ed與動應變εd關系可近似用直線表示。同時，動彈模量與動剪模量滿足：

式中：μ為泊松比，飽和粉細砂取0.3。

圖1展示了試樣干密度為1.5 g/cm3時，不同圍壓下動應變與動剪模量倒數之間的關系曲線。不難看出，對于本文飽和粉細砂試樣，采用Hardin-Drnevich假定的雙曲線模型能夠很好地擬合試驗數據。

整理得到不同條件下飽和粉細砂最大動剪切如表6所列。可以看出，在試樣實際所處圍壓及密實度范圍內，最大動剪模量隨圍壓和密實度的增加而增加，且圍壓對動剪模量的敏感性更高，300 kPa圍壓下，試樣最大動剪模量較200 kPa條件增加了近30%

表 6　不同條件下試樣最大動剪切模量

通過Hardin公式擬合得到動剪模量比Gd/Gdmax與動剪應變γd關系曲線以及阻尼比λd與動剪應變γd關系曲線。圖2展示了不同密實度試樣的試驗擬合成果，可以看出，采用Hardin公式擬合試樣動剪模量比及阻尼比與動應變的關系是合適的。

圖2　動模量比及阻尼比與動剪應變關系曲線 Fig.2　Relation curves between dynamic modulus ratio (G/G max),damping ratio (λ) and dynamic shear strain (γ d)

表7對各試樣動剪應力比及阻尼比與動應變的關系進行了統計。可以看出：(1)在研究試樣密實度范圍內，不同圍壓下動剪模量比與動應變關系曲線近乎重合；(2)相同密實度下，圍壓越高，動剪模量比衰減越慢；(3)圍壓增大或密實度升高均會引起阻尼比的降低，1%應變對應的阻尼比分布在0.15～0.21之間。

3試樣的液化動強度特征分析

采用動剪應力比指標進行抗液化強度試驗，其表達式為：

圖3為300 kPa圍壓下不同動剪應力比條件下振動孔壓比與振次的關系。可以看出：(1)隨著動剪應力比的增大，每一循環內孔壓振幅迅速擴大；(2)在本文偏壓固結條件下進行的抗液化強度試驗，其振動孔壓比在0.8～0.9之間即保持穩定而不再升高，與文獻[8]中相關結論一致，可認為試樣已進入液化狀態；(3)動剪應力比由小到大其對應的特征振次分別為10次左右、30次左右和100次左右，較好地滿足了土工試驗規程的試驗質量要求。

圖3　振動孔壓比與振次關系曲線(σ 3=300 kPa) Fig.3　Relation curves between dynamic pore pressure ratio and dynamic cycles (σ 3=300 kPa)

固結比干密度/(g·cm-3)參數圍壓/kPa1×10-51×10-41×10-31×10-21.61.51500.9940.9390.6080.134Gd/Gdmax2000.9950.9520.6630.1643000.9960.9580.6960.1871500.0010.0120.0830.211λd2000.0010.0080.0630.1873000.0010.0070.0560.1671.48Gd/Gdmax2000.9950.9500.6560.160λd2000.0010.0120.0810.2031.54Gd/Gdmax2000.9950.9500.6570.161λd2000.0000.0030.0310.150

參照土工試驗規程(SL237-1999)整理得到動剪應力比與破壞振次之間的關系(圖4)。表8則對幾個標準特征振次對應的動剪應力比進行了統計。可以看出：相同圍壓下，隨特征振次的提升，所需動剪應力比顯著下降，較大的動荷載條件下累積應變或振動孔壓比能迅速達到試驗終止條件；而相同特征振次下，隨圍壓增加，所需動剪應力比也呈下降趨勢。

圖4　粉細砂動剪應力比(τ d/σ 0)與破壞振次lgN f關系 Fig.4　Relationship between dynamic shear stress ratio of fine sand and failure dynamic cycles (lgN f)

固結比圍壓/kPa特征振次/次10301001500.4120.3430.2761.62000.3730.3080.2423000.3440.2790.212

在此基礎上，由總應力法整理得到不同特征振次下動強度破壞包線(圖5)，并由此得到不同特征振次對應的動強度指標(表9)，分析可知：

通過“學習成效”評價模式的數據庫原理教學實踐，主觀上實現了對學生數據庫原理學習效果的提升，客觀上通過長效的學習效果評價機制督促了學生的自主學習習慣的養成，就學生在脫離家長和教師的貼身監管環境而言，對快速提升自我約束意識起到良好的作用，有效地提升學生學習積極性，對地方性高校的各專業教學提供可借鑒的經驗。

圖5　不同特征振次下試樣動強度破壞包線 Fig.5　Dynamic strength failure envelopes of specimens with different dynamic cycles

固結比特征振次/次1030100cd/kPaφd/(°)cd/kPaφd/(°)cd/kPaφd/(°)1.616.222.6615.820.9515.418.92

(1) 利用不同圍壓下莫爾圓公切線可以很好地擬合并得到試樣在相應特征振次下的動強度指標;

(2) 由總應力法求取的動內摩擦角與黏聚力均隨設定特征振次的增加而下降;

(3) 此時飽和粉細砂內聚力并不約等于0，表明動力作用下該試樣具有一定的黏滯性。

4結論

本文以荊江大堤江陵段下伏飽和粉細砂為研究對象，參照原位試驗成果，合理估算試樣固結應力比及實際賦存環境相應的圍壓范圍，對試樣動模量、阻尼比及總應力動強度進行系統測試，得到以下結論：

(1) 試樣應力-應變骨干曲線與Hardin-Drnevich雙曲線模型假設高度吻合，Hardin公式也可很好地擬合動模量/阻尼比與動應變的關系，在研究試樣密實度范圍內，求出了相應條件下試樣的最大動剪切模量，該指標隨圍壓和密實度的增加而增加，但圍壓對動剪模量的敏感性更高。

(2) 相同圍壓下動剪模量比與動應變關系曲線近乎重合，而在相同密實度下，圍壓越高動剪模量比衰減越慢；另外，圍壓增大或密實度升高均會引起阻尼比的降低，1%應變對應的阻尼比分布在0.15～0.21之間。

(3) 在偏壓狀態下以累積軸向應變5%作為液化判別標準的抗液化強度試驗中，隨特征振次及測試圍壓的增大，液化動剪應力比相應減小，試樣振動孔壓比最高僅能達到0.8～0.9。

(4) 由總應力法求取的動內摩擦角與黏聚力均隨設定特征振次的增加而下降，且內聚力并非約等于0，表明動力作用下該試樣具有一定的黏滯性。

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