初始剪應力對汶川震區飽和砂土動力特性影響分析

黃思杰,曹久亭

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456；3.江蘇中設集團股份有限公司，無錫 214072）

初始剪應力對汶川震區飽和砂土動力特性影響分析

黃思杰1,2,曹久亭3

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456；3.江蘇中設集團股份有限公司，無錫 214072）

文章以汶川震區中密飽和砂土為研究對象，利用DDS-70動力試驗系統，進行振動頻率f=1Hz時，固結比分別為Kc=1.0、Kc=1.5和K′c=2.0條件下的固結不排水動三軸試驗，分析了初始剪應力對汶川震區中密飽和砂土動力特性的影響，得出了如下結論：隨著初始剪應力的增大，飽和砂土動孔壓極值隨之降低；在相同的圍壓和動應力作用下，隨著初始剪應力的增大，飽和砂土動應變達到轉折點所需的振次增大。在循環振次一定時，初始剪應力越大，其動強度越高；試樣動強度均隨著循環振次增加而降低的趨勢，初始剪應力越大，降低的趨勢越明顯。

汶川震區；飽和砂土；初始剪應力；動力特性

我國是一個多地震國家，汶川地震給人類帶來了巨大的災難，也給工程界帶來了新的問題和挑戰，其液化震害是建國以來涉及范圍最廣、液化現象最為豐富的一次，具有噴水高、持時短、噴砂量少但噴砂類型多等特點，Ⅵ度區內場地深層土液化也是本次地震液化一個重要特征。汶川震區也存在大量高層建筑液化破壞現象，由于上部建筑物的存在，地基受到初始剪應力作用，目前初始剪應力對粘土動力特性影響研究較多，針對飽和砂土的相對較少，本文以汶川震區中密飽和細砂為研究對象，通過室內動三軸試驗，分析初始剪應力對其動力特性的影響。

1 研究現狀

蔡袁強[1]等研究認為初始剪應力對軟粘土的動強度有一定的影響，其動強度隨著初始剪應力的增大而減??；試樣在等壓固結時，動強度隨破壞循環次數的增加而衰減緩慢；當初始剪應力較大時，其衰減緩慢。Tan[2]等研究認為初始剪應力大小對土體的動強度具有重要影響，初始剪應力較小時，具有預壓作用，提高土體抗剪強度；當初始剪應力超過一定值時，會對土體顆粒間的相互粘結產生破壞作用，導致土體的強度降低。郭中華[3]研究認為循環荷載振次相同時，初始剪應力愈小，土體的動強度愈高；對不同的初始剪應力，土的動強度比隨著循環振次的對數以近似相同的速率線性下降。而劉聞欣[4]等對重塑粉土試驗得到其動強度隨著固結比的增大而增大，固結比有1.0增加到2.0時，粉土的動強度增加45%。

馬梅英[5]等研究認為初始剪應力使砂土存在剪脹的趨勢，減小試樣動孔隙水壓力，從而提高土體的強度。張茹[6]研究認為任何材料都存在一個轉折點固結比K'c，當Kc＞K'c時，由于初始剪應力較高導致剩余強度較低，動強度隨著Kc的增大而降低；當Kc＜K'c時，該剪應力使土粒骨架趨于更穩定狀態，動強度隨著Kc的增大而增大，轉折點與材料的性質和受力狀態有關。

綜合上述文獻可知，初始剪應力對土體的動力特性具有一定影響，對不同土體動力特性影響并不一致。本文以汶川震區中密飽和砂土為研究對象，利用DDS-70動力試驗系統，進行振動頻率f=1 Hz時，固結比分別為Kc=1.0、Kc=1.5和K'c=2.0條件下的固結不排水動三軸試驗，分析了初始剪應力對汶川震區中密飽和砂土動力特性的影響。

2 試驗內容

2.1 汶川震區砂土基本物理指標

試驗所用砂土取自汶川液化震區，依據《土工試驗規程》（SL237—1999）對汶川震區砂土比重、最大、最小干密度及顆粒組成進行測試，該砂土定名為細砂，顆分曲線見圖1，其基本物理指標見下表1?？梢娫撋巴良壟洳涣?，易液化。

圖1 顆粒分析試驗曲線Fig.1 Experimental curves of particle analysis

表1 砂土基本物理指標Tab.1 Basic physical parameters of sand

2.2 試驗儀器簡介

試驗所用儀器為北京賓達英創科技有限公司開發的DDS-70動三軸試驗系統，能夠測量出振動作用下試樣的應力、應變和動孔壓發展時程曲線。該試驗系統可用于測試粘性土、砂土、黃土、粉土等的動強度、液化、動靜模量、阻尼比等;根據排水條件，可進行不固結不排水、固結不排水剪和固結排水剪三類試驗?？杉虞d正弦波、三角波、方波等規則波。實驗儀器見圖2，主要技術指標見表2。

圖2 DDS-70動三軸試驗系統Fig.2 The DDS-70 dynamic triaxial test system

表2 DDS-70型三軸儀主要技術參數Tab.2 Main technology parameters of the DDS-70 triaxial apparatus

2.3 試驗方案

（1）試樣制備。本文采用試樣規格為39.1×80 mm，相對密實度Dr= 0.45，即試樣的干密度ρd=1.56 g/cm3。采用濕裝成型法，試樣含水率為20%，攪拌均勻，密封存放一夜。根據土樣的干密度和預先設計的含水量確定每層土樣的重量，分五層擊實，各層接觸面刮毛以保證上下接觸良好，擊實到相應高度。

（2）試樣飽和。本文試驗采用聯合抽真空、通無氣水方法飽和，飽和前使圍壓保持20 kPa，保持負孔壓60 kPa左右，通入無氣水進行循環飽和，當B值大于等于0.96時，認為試樣飽和。在不排水條件下受到各向相等壓力增量Δσ3時，產生的孔隙應力增量Δu1，其比值定義為孔隙應力系數B，B值越大，飽和度越大）

（3）圍壓。王維銘[7-8]汶川震區場地中調查發現，汶川地震飽和土層埋深主要分布在0.6～10 m，變化較大，平均3.6 m，4 m以下液化場地占54%，非液化場地占32%，平均埋深5.3 m，同時調查發現場地內存在埋深超過15 m的液化土層存在。液化場地下水位在主要在0.8～7 m，平均2.4 m，不超過3 m約占75%，且在2～3 m范圍內最為集中。因此，本文取5 m、10 m和15 m三個埋深的土體作為研究對象，固結圍壓σ3=γh，即分別取50 kPa、100 kPa和150 kPa作為有效固結圍壓。

（4）初始剪應力。在本文中對不存在初始剪應力作用的土樣采取等壓固結，即固結比Kc=1；存在初始剪應力作用的土樣，初始剪應力取圍壓的0.5倍和1倍，即固結比Kc=1.5和Kc=2。

（5）振動頻率和循環動荷載振幅?，F有室內地震模擬試驗加載的頻率大多在1 Hz左右，這與實際S波的卓越頻率比較接近。Seed等效方法提出等效頻率為1～2 Hz，結合本文試驗儀器，振動頻率f=1 Hz。

動荷載振幅應以能使試樣的破壞振次分布在場地可能動荷載的等效破壞振次范圍內。為了便于表示，本文用循環應力比r表示，即循環荷載幅值與2倍圍壓的比值。本文試驗中循環應力比分別取0.5、0.4和0.3。

（6）試樣的破壞標準。目前試樣破壞標準以動孔壓和動應變兩個作為判別條件。本試驗中選取當動孔壓發展到圍壓或雙幅應變達到5%作為破壞標標準，達到其中一個條件即認為砂土試樣破壞。

3 初始剪應力對飽和砂土動孔壓、動應變及動強度影響分析

3.1 初始剪應力對飽和砂土動孔壓影響分析

圖3為振動頻率f=1 Hz時，圍壓σ3c分別為50 kPa、100 kPa和150 kPa條件下，不同初始剪應力下飽和砂土動孔壓ud與循環振次N關系曲線。

圖3中可以看出，汶川震區飽和砂土動孔壓發展均隨著循環振動次數呈單調增長的趨勢，從發展來看，在循環加載初期，動孔壓均是線性急速增長，隨著循環振次的增加，動孔壓持續上升，但增長速率明顯減慢，最后試樣發展到破壞。

圖3 不同初始剪應力下試樣孔壓曲線Fig.3 Pore pressure curves under different initial shear stress

在相同的振動頻率及圍壓作用下，當試樣不存在初始剪應力時，動孔壓發展曲線存在三階段，第一階段孔壓發展較快，達到圍壓的0.4倍左右；第二階段孔壓發展變緩，達到圍壓的0.8倍左右，第三階段發展比較迅速，孔壓發展到圍壓，試樣發生破壞；當存在初始剪應力作用時，動孔壓的發展存在兩個階段，第一階段發展較快，孔壓達到一定程度后，發展開始變緩，直至試樣發生破壞；相同循環振次N下，試樣孔壓隨著初始剪應力增加而降低。可見初始剪應力對動孔壓發展形態也有著一定的影響，且隨著初始剪應力的增大，孔壓發展速率隨之減慢。從圖3中可以看出，在圍壓為100 kPa時，固結比Kc=1時，動孔壓的極限值接近100 kPa，在固結比Kc=1.5時，動孔壓的極值則小于圍壓，達到85 kPa左右，固結比Kc=2時，則更低，只達到圍壓的60 kPa左右?？梢娍闯鲭S著固結比的增大，即初始剪應力的增加，汶川震區飽和砂土達到破壞時的動孔壓極值越小。這是由于初始剪應力的存在導致砂土試樣處于剪脹的狀態，在動孔壓發展過程中抵消了一部分的超孔隙水壓力，初始剪應力越大，土樣的剪脹作用就越大，對超孔隙水壓力的抵消作用越大，因此在相同的圍壓下，固結比越大，動孔壓發展到試樣破壞時的極限值越小。

初始剪應力對汶川震區飽和砂土動孔壓發展形態具有一定的影響，隨著初始剪應力增大，孔壓發展速率隨之減慢，動孔壓極值隨之降低。

3.2 初始剪應力對飽和砂土動應變影響分析

圖4給出了在振動頻率f=1 Hz條件下，圍壓分別為50 kPa、100 kPa和150 kPa下，飽和砂土在不同固結比條件下軸向動應變εd與循環振次N關系曲線。

從圖4汶川震區飽和砂土動應變發展曲線可以看出，在相同的振動頻率、圍壓及動荷載作用下，其動應變發展趨勢相似，在一定的循環振次范圍內，試樣應變發展越慢，當循環振次達到一定的振次N時，動應變出現急劇轉折，軸向動應變開始大幅增加，很快達到破壞。對比不同固結比下動應變發展曲線可以看出，在相同的循環振次下，試樣達到的應變隨著初始剪應力的增加而降低；試樣動應變出現轉折點NP所需要的振次隨著初始剪應力的增加而增加。分析認為由于初始剪應力存在使砂粒間接觸更緊密，使試樣存在剪脹趨勢，會在一定程度降低動孔壓的發展，使有效應力減小緩慢，因而隨著初始剪應力的增大，土樣的動應變增長越慢。

可以看出在相同振動頻率、圍壓及動荷載作用下，其動應變發展速率隨著初始剪應力的增加而降低；飽和砂土動應變轉折點所需振次隨著初始剪應力的增大而增大。

3.3 初始剪應力對砂土動強度的影響分析

圖5在振動頻率f=1 Hz時，不同圍壓下初始剪應力對飽和砂土動強度曲線。

由圖5給出的飽和砂土動強度曲線可以看出，在循環振次一定時，初始剪應力越大，汶川震區砂土達到破壞所需要的動應力越高,即初始剪應力越大，汶川震區飽和砂土的動強度越高;試樣在不同的固結比下動強度均表現隨著循環振次增加而降低的趨勢，初始剪應力越大，降低的趨勢越明顯。

圖4 不同初始剪應力下動應變發展曲線Fig.4 Developmental curve of dynamic strain under different initial shear stress

圖5 不同初始剪應力下飽和砂土動強度曲線Fig.5 Dynamic strength of saturated sand under different initial shear stress

4 結論

本文采用DDS-70室內動三軸試驗系統，對汶川震區飽和砂土在振動頻率f=1Hz條件下，進行了圍壓分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa，固結比Kc=1.0、Kc=1.5和Kc=2.0的固結不排水動三軸試驗。分析了在相同振動頻率、圍壓及動荷載作用下初始剪應力對其動力特性的影響，得到以下結論：

（1）初始剪應力對汶川震區飽和砂土動孔壓發展形態具有一定的影響，隨著初始剪應力增大，孔壓發展速率隨之減慢，動孔壓極值隨之降低。

（2）動應變發展速率隨著初始剪應力的增加而降低；飽和砂土動應變轉折點所需振次隨著初始剪應力的增大而增大。

（3）在循環振次一定時，初始剪應力越大，汶川震區砂土達到破壞所需要的動應力越高,即初始剪應力越大，汶川震區飽和砂土的動強度越高；試樣動強度均隨著循環振次增加而降低的趨勢，初始剪應力越大，降低的趨勢越明顯。

參考文獻：

[1] 蔡袁強，王軍，海鈞.雙向循環荷載作用下飽和軟黏土強度和變形特性研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(3):495-504. CAI Y Q,WANG J,HAI J. Study on strength and deformation behaviors of soft clay under bidirectional exciting cyclic loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(3):495-504.

[2] Tan K, Vucetic M. Behavior of medium and low plasticity clays under cyclic simple shear conditions[C]//K.Atakan.Proceedings of the 4th International Conference on Soil Dynamics and Earthquake Engineering. Mexico City:[sn]. 1989.

[3] 郭中華.路基軟粘土動力反應及震陷變形研究[J].建筑結構,2004,34(12):31-33. GUO Z H. Soft clay subgrade dynamic response and settlement deformation research[J].journal of building structures,2004,34(12):31-33.

[4] 劉聞欣，王德詠，敖謙，等.壩基粉土液化的影響因素及防治對策[J].水電能源科學，2010,28(11):81-83. LIU W X,WANG D Y,AO Q,et al. The influence factors of dam foundation silt liquefaction and prevention countermeasures[J].Water Resources and Power. 2010,28(11):81-83

[5] 馬梅英.初始固結剪應力對飽和砂土動強度的影響[J].水利水運科學研究.1988(1):63-65. MA M Y. The initial consolidation shear stress effects on saturated sand dynamic strength[J]. Waterway transportation scientific research,1988(1):63-65.

[6] 張茹，何昌榮，費文平，等.固結應力比對土樣動強度和動孔壓發展規律的影響[J].巖土工程學報，2006，28(1)：101-105. ZHANG R,HE C R,FEI W P,et al. Effect of consolidation stress ratio on dynamic strength and dynamic pore water pressure of soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006，28(1):101-105.

[7] 王維銘.汶川地震液化宏觀現象及場地特征對比分析[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2010.

[8] 袁曉銘，曹振中.汶川大地震液化的特點及帶來的新問題[J].世界地震工程,2011,27(1)：1-8. YUANG X M，Cao Z Z.Features and aspects of liquefaction in the Wenchuan Earthquake[J].World Earthquake Engineering, 2011,27(1):1-8.

Experimental study on effects of initial shear stress on dynamic characteristics of saturated sand of Wenchuan earthquake area

HUANG Si-jie1,2,CAO Jiu-ting3
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China;2. Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering, Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering, Tianjin 300456, China; 3. Jangsu Zhongshe Group Co., Ltd., Wuxi 214072, China)

Taking the saturated medium dense sand in Wenchuan earthquake area as the research object, the undrained dynamic triaxial tests were conducted on the sand with Kc=1.0, 1.5 and 2.0 using DDS-70 Dynamic Experiment System when the vibration frequency was 1 Hz. The effects of initial shear stress on the dynamic properties of the saturated medium dense sand in the Wenchuan earthquake area were analyzed. The results are as follows: the critical dynamic pore pressure of the saturated sand decreases with the increase of the initial shear stress. Under the same confining pressure and dynamic stress, it will need more vibration times for saturated sand to reach the turning point of the dynamic strain if the initial shear stress grows. The initial shear stress has a positive effect on the dynamic strength if the cyclic vibration times keep constant. The dynamic strength decreases with the increase of cyclic time, and this trend is more obvious when the initial shear strength is higher.

Wenchuan earthquake area; saturated sand; initial shear stress; dynamic characteristics

TU 435

A

1005-8443(2017)03-0299-05

2016-12-16；

2017-02-16

黃思杰（1987-），男，河南商丘人，助理工程師，主要從事土動力學方向研究。Biography:HUANG Si-jie(1987-),male,assistant engineer.