南海鈣質(zhì)砂的液化特性動三軸試驗研究

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590；3.新加坡國立大學 土木與環(huán)境工程系，新加坡 119077)

隨著“21世紀海上絲綢之路”經(jīng)濟帶建設(shè)的推進，越來越多的國防及民用工程建設(shè)在珊瑚礁上。珊瑚島礁的主要成分為鈣質(zhì)砂，島礁工程地震風險大，地震產(chǎn)生的災(zāi)害又主要是噴水冒砂、地面沉降、地表裂縫等液化破壞[1]。預(yù)防和減輕南海島礁工程的地震災(zāi)害極為重要，因此，研究鈣質(zhì)砂在交通、地震及波浪等動荷載作用下的動力液化特性對南海的實際工程具有重要價值。

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物成因、CaCO3含量超過50%的粒狀材料，特殊的物質(zhì)組成導致其表現(xiàn)出特別的力學性質(zhì)，國內(nèi)外學者開展了一系列室內(nèi)試驗對鈣質(zhì)砂的力學特性進行研究。劉崇權(quán)等[2]通過三軸壓縮試驗指出對鈣質(zhì)砂的強度評價及力學性質(zhì)研究應(yīng)當考慮顆粒破碎、剪脹、顆粒重組等力學模型；Coop等[3]對Dogs Bay砂進行環(huán)剪試驗發(fā)現(xiàn)，由于鈣質(zhì)砂的顆粒破碎和重組，在剪切后顆粒級配會達到最終穩(wěn)定狀態(tài)；張家銘等[4]通過高壓三軸剪切試驗對鈣質(zhì)砂的剪切特性進行了研究；朱長岐等[5]利用飛秒切割技術(shù)對鈣質(zhì)砂顆粒的內(nèi)孔隙進行了定量分析；黃宏翔等[6]對鈣質(zhì)砂進行環(huán)剪試驗，探究顆粒破碎對鈣質(zhì)砂殘余強度的影響；任玉賓等[7]對鈣質(zhì)砂的滲透性進行研究，并從細觀角度進行了分析。

以上研究表明鈣質(zhì)砂具有易破碎、易壓縮、滲透性強等特殊性質(zhì)，因其靜力力學性質(zhì)的特殊性，使得鈣質(zhì)砂在動力作用下的液化特性也較為不同。國外學者Sharma等[8]和Salem等[9]通過對不同地區(qū)鈣質(zhì)砂進行循環(huán)荷載下的試驗研究，發(fā)現(xiàn)高孔隙率和顆粒破碎是影響鈣質(zhì)砂動力特性的主要原因。國內(nèi)學者針對我國南海的鈣質(zhì)砂也進行了相應(yīng)研究，李建國[10]利用豎向-扭向循環(huán)耦合剪切試驗，對波浪荷載作用下鈣質(zhì)砂的液化特性進行了研究；王剛等[11]開展三軸排水循環(huán)剪切試驗，分析在循環(huán)荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎特征及規(guī)律；劉漢龍等[12]采用動三軸試驗，對鈣質(zhì)砂的液化特性進行了分析；孟慶山等[13]利用現(xiàn)場原位扁鏟側(cè)脹試驗和室內(nèi)動靜三軸-扭剪試驗手段，分析鈣質(zhì)砂土的抗液化特性，并闡釋了其形成機理。

目前，對南海鈣質(zhì)砂的動力液化特性研究較少，需要開展更多的研究來充分認識鈣質(zhì)砂的液化過程，為島礁工程建設(shè)抗震設(shè)計提供參考依據(jù)。因此，本研究開展動力三軸試驗，考慮有效圍壓和初始動應(yīng)力比兩方面因素對鈣質(zhì)砂動力液化性能的影響，分析了鈣質(zhì)砂的動孔壓發(fā)展過程、動應(yīng)變累積特征以及滯回曲線的演變規(guī)律。

1 試驗設(shè)計

1.1 儀器

本試驗在英國GDS單向激振動力三軸試驗儀器上進行，該設(shè)備通過電機伺服系統(tǒng)施加動軸向應(yīng)力。所采用的試樣尺寸為：直徑D=50 mm，高度H=100 mm。

1.2 材料及試樣制備

試驗所用鈣質(zhì)砂取自我國南海某島礁附近海域。試驗前篩除大直徑顆粒，僅保留顆粒粒徑小于2 mm部分，通過顆粒篩分試驗測其粒徑分布，顆粒級配曲線如圖1(a)所示。該試樣的有效粒徑d10=0.09 mm、中值粒徑d30=0.27 mm、限制粒徑d60=0.59 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.56>5，曲率系數(shù)Cc=1.37>1，屬良好級配砂土。

鈣質(zhì)砂經(jīng)煮沸烘干后，采用分層搗實和干砂水沉法按照固定的試樣大小在儀器上制樣，試樣如圖1(b)所示。然后采用CO2飽和與反壓飽和相結(jié)合的方式，直至飽和度B=Δu/Δσ3>0.98時完成飽和過程，具體試驗步驟可參見《土工試驗規(guī)程(SL237—1999)》。達到飽和所需施加的反壓值可由下式估算[2]：

(1)

式中：u0—所需施加的反壓力，kPa；ua—大氣壓力；h—亨利系數(shù)，即空氣溶解系數(shù)，20℃時為0.02；S0—初始飽和度，%；Sf—最后飽和度，%。

由于鈣質(zhì)砂顆粒內(nèi)孔隙較多，需要飽和的反壓值會比估算值略大，本試驗飽和反壓為300 kPa，分6級加載，每級增量50 kPa，具體反壓值如表1所示。需待試樣內(nèi)孔壓充分均勻后再施加下一級反壓，約10 min一級。

圖1 鈣質(zhì)砂試樣圖和顆粒級配曲線

表1 試樣飽和過程中各級反壓的荷載水平

表2 鈣質(zhì)砂動三軸試驗方案

1.3 試驗方案

基于常規(guī)地基應(yīng)力范圍，選取三個有效圍壓(σc=50、100和150 kPa)來分析不同固結(jié)壓力對鈣質(zhì)砂動力液化特性的影響。同時，為了分析液化過程中循環(huán)動應(yīng)力的影響，在每級圍壓下又進一步選取四個初始動應(yīng)力比進行試驗。總體試驗方案如表2所示，試樣均為等向固結(jié)，共進行了12組試驗，每組試驗測試對應(yīng)的軸向應(yīng)變、動孔壓和破壞周次。試驗選取應(yīng)變破壞準則作為鈣質(zhì)砂的液化標準[14]，即軸向應(yīng)變達到5%時試驗結(jié)束。試驗加載采用正弦波型，振動頻率為1 Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 時程曲線

對開展的12組鈣質(zhì)砂動三軸試驗進行分析研究。圖2是在有效圍壓σc=100 kPa，初始動應(yīng)力比rd=1.0時的動應(yīng)力(σd)、動應(yīng)變(εd)和動孔壓(ud)時程曲線。由圖2可以看出，隨著振動次數(shù)(N)的增加，鈣質(zhì)砂的動應(yīng)變幅值增大，動孔壓逐漸增長。達到軸向應(yīng)變幅值εdmax=5%的破壞準則時，動孔壓達到有效圍壓的95%，說明儀器良好，試驗結(jié)果可信，可以分析鈣質(zhì)砂的液化特性。

圖2 鈣質(zhì)砂動三軸試驗時程曲線

2.2 動孔壓(ud)與循環(huán)周次(N)的關(guān)系

圖3為鈣質(zhì)砂在初始動應(yīng)力比rd=1.0時不同有效圍壓下的動孔壓時程曲線，從圖中可以看出：①鈣質(zhì)砂的動孔壓隨著振動次數(shù)的增加而增大，有效圍壓越高，液化破壞所需要的振動次數(shù)越大；②孔壓增長趨勢相似，在液化過程前期(N<20次)孔壓增長較為劇烈。這是由于在動應(yīng)力作用初始階段，鈣質(zhì)砂因其高孔隙比表現(xiàn)出很強的壓縮性，使得顆粒間孔隙減小，孔壓急劇上升；③試樣在動應(yīng)力循環(huán)作用下，軸向應(yīng)變和孔壓逐漸累積，孔壓累積到接近圍壓時，孔壓時程曲線在波峰處出現(xiàn)凹槽，表明已出現(xiàn)液化現(xiàn)象。隨著動荷載的持續(xù)作用，孔壓曲線波峰處的凹槽趨于穩(wěn)定，此時試樣完全液化，失穩(wěn)破壞。

圖3 不同圍壓下鈣質(zhì)砂孔壓時程曲線

圖4為不同圍壓下鈣質(zhì)砂循環(huán)活動性示意圖，可以看出：孔壓曲線波峰處穩(wěn)定的凹槽形態(tài)表現(xiàn)為在一次加載-卸載的過程中孔隙水壓力出現(xiàn)兩個峰值，這正是循環(huán)活動性的明顯特征，但是鈣質(zhì)砂的循環(huán)活動性與普通砂土的條件不符[15]。這是由于鈣質(zhì)砂顆粒多含有內(nèi)孔隙且容易發(fā)生破碎，在循環(huán)載荷加載時，顆粒受力破裂釋放出大量非飽和內(nèi)孔隙；卸載時，顆粒之間的接觸松弛，在圍壓的側(cè)向束縛作用下重新排列以趨向更加密實的穩(wěn)定狀態(tài)。

紀文棟等[16]通過兩個峰值之間的面積來定量表征循環(huán)活動強度，如圖4中黑色陰影部分。可以看出，有效圍壓越高，動應(yīng)力循環(huán)作用下的一次加載-卸載過程中孔隙水壓力的波動幅度越大，凹槽的下凹程度也越深，陰影部分面積越大。表明隨著圍壓的增加，鈣質(zhì)砂的循環(huán)活動強度在逐漸增強。

謝定義[17]根據(jù)圖像特點認為孔壓曲線有三類：A(上凸型)，B(凹凸微小變化型)，C(下凹型)。圖5是鈣質(zhì)砂在初始動應(yīng)力比rd=1.0時考慮不同有效圍壓影響的ud/σc-N/Nf關(guān)系曲線。可以看出本試驗結(jié)果的孔壓曲線包含A、B、C三種類型，其中有效圍壓為50、100和150 kPa的孔壓曲線分別為C類、A類和B類線型。由圖可知，隨著圍壓的增加，孔壓曲線逐漸向B類的凹凸微小變化型靠近。

圖4 不同圍壓下循環(huán)活動性示意圖

圖5 鈣質(zhì)砂ud/σc-N/Nf關(guān)系曲線

圖6 不同圍壓下鈣質(zhì)砂的CSR-Nf關(guān)系曲線

2.3 循環(huán)應(yīng)力比與振動破壞次數(shù)(Nf)的關(guān)系

(2)

式中：σdmax—動應(yīng)力幅值，Kc—固結(jié)應(yīng)力比，σc—有效圍壓。

圍壓對鈣質(zhì)砂的液化特性有重要影響。圖6為不同有效圍壓下(σc=50、100和150 kPa)鈣質(zhì)砂的CSR-Nf關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出：相同有效圍壓下，破壞循環(huán)應(yīng)力比CSR越小，破壞所需振次越大，即鈣質(zhì)砂達到液化破壞時所需振次隨著動應(yīng)力幅值的增大而減小；相同CSR值時破壞振次隨著圍壓的增大而增加，N150kPa>N100kPa>N50kPa，即有效圍壓越大，鈣質(zhì)砂越不容易發(fā)生液化。

在固結(jié)應(yīng)力比Kc=1時，CSR等于初始動應(yīng)力比。由圖6可知，在雙對數(shù)坐標平面上，CSR與破壞時的振動次數(shù)Nf呈直線關(guān)系，與虞海珍等[19]研究的鈣質(zhì)砂性質(zhì)相一致。

2.4 累積塑性應(yīng)變(εdc)與循環(huán)周次(N)的關(guān)系

動應(yīng)變的發(fā)展與振動次數(shù)和循環(huán)動應(yīng)力比密切相關(guān)。圖7(a)是鈣質(zhì)砂在有效圍壓σc=100 kPa時的累積塑性應(yīng)變εdc隨著振動次數(shù)N和不同動應(yīng)力比rd的變化情況。可以看出：①隨著振動次數(shù)N的增加，試樣的累積塑性應(yīng)變隨之增大。在動荷載作用下，塑性變形持續(xù)累積，當?shù)竭_某一臨界值時，試樣開始出現(xiàn)失穩(wěn)，從而軸向應(yīng)變急劇增長，使試樣變形破壞；②隨著動應(yīng)力比的減小，試樣變形破壞所需要的振動次數(shù)增大，試樣失穩(wěn)位置更加明顯，且出現(xiàn)在更低的應(yīng)變水平。這是由于鈣質(zhì)砂顆粒在動載荷作用下易發(fā)生破碎，較小的動應(yīng)力作用下，試樣到達同一累積塑性應(yīng)變所需要的循環(huán)次數(shù)增大，給了鈣質(zhì)砂顆粒更多的時間進行重排列調(diào)整，使其變得更加緊密。而在此過程中孔壓是持續(xù)發(fā)展和增長的，由于孔隙水壓力的增長導致了土體的抗剪強度降低，當孔壓累積到一定程度，即使軸向應(yīng)變較小也會發(fā)生液化破壞。

圖7 鈣質(zhì)砂考慮不同因素的εdc-N關(guān)系曲線

圖7(b)是在動應(yīng)力比為1.0時，不同圍壓下鈣質(zhì)砂的累積塑性應(yīng)變εdc隨著振動次數(shù)N的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著有效圍壓的增大，變形破壞所需要的振動次數(shù)增加，試樣失穩(wěn)位置出現(xiàn)在更高的應(yīng)變水平。這是由于圍壓的增加，使得試樣受到的側(cè)向束縛作用增大，產(chǎn)生相同的軸向應(yīng)變時顆粒破碎程度增大，更多的內(nèi)孔隙被釋放，給孔壓更大的消散空間。因此需要累積更多的塑性變形才會使孔壓逐漸累積達到失穩(wěn)位置，從而變形破壞。

2.5 動應(yīng)力(σd)與動應(yīng)變(εd)的關(guān)系

滯回曲線可較好地反映土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性。圖8是在初始動應(yīng)力比rd=1.0時鈣質(zhì)砂在不同有效圍壓下的滯回曲線，圖中A、A′表示滯回曲線的最大正應(yīng)力點，B、B′表示滯回曲線的最大負應(yīng)力點。從圖中可以看出：①鈣質(zhì)砂的滯回曲線隨著循環(huán)振次的增加逐漸偏移，最大正應(yīng)力和最大負應(yīng)力均逐漸減小，減小幅度隨圍壓升高而增大，負應(yīng)力方向表現(xiàn)更明顯；②從起始的AB線到破壞時的A′B′線，連線斜率變小，表明鈣質(zhì)砂的抗剪強度減小。這是由于飽和的鈣質(zhì)砂在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生一時不可恢復的殘余孔隙水壓力，使有效應(yīng)力逐漸由砂土骨架轉(zhuǎn)移到水；③液化破壞時的A′B′線與橫軸之間存在一定傾角，隨著有效圍壓增加，傾角在逐漸減小。表明鈣質(zhì)砂液化后的顆粒骨架結(jié)構(gòu)仍然存在一定的殘余強度，且圍壓越高，鈣質(zhì)砂殘余強度越低。

為更直觀的分析滯回曲線的演化特征，選取典型周數(shù)進行分析，圖9是鈣質(zhì)砂在不同循環(huán)周期對應(yīng)的滯回曲線(初始動應(yīng)力比rd=1.0，有效圍壓σc=150 kPa)，圖9(a)(b)(c)分別對應(yīng)滯回曲線發(fā)展的前期、中期和后期，可以看出：①鈣質(zhì)砂試樣的應(yīng)力應(yīng)變滯回圈有著明顯的階段性發(fā)展特征，即前期的穩(wěn)定發(fā)展階段，中期的劇烈變化階段和后期的趨于穩(wěn)定階段；②鈣質(zhì)砂的滯回曲線僅在前期保持了較規(guī)則形狀，封閉且關(guān)于原點基本對稱；隨著振動次數(shù)的增加，滯回曲線發(fā)生明顯變化，并且在試驗的后期，循環(huán)次數(shù)的增加依然對滯回曲線有顯著的改變。原因在于，循環(huán)荷載作用前期主要發(fā)生砂粒之間的相互錯動，變形不大；隨著動荷載的持續(xù)作用，鈣質(zhì)砂的易破碎性得以顯現(xiàn)，應(yīng)變逐漸增加；到加載后期，由于顆粒結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)生了大量不可恢復的塑性變形，試樣承受荷載的能力減小，應(yīng)變幅值也逐步增大，導致試樣軟化破壞。

圖8 鈣質(zhì)砂動應(yīng)力(σd)與動應(yīng)變(εd)的關(guān)系曲線

圖9 鈣質(zhì)砂典型滯回曲線

滯回圈面積可以反映能量耗散程度，因此可在一定程度上反映出鈣質(zhì)砂的抵抗變形能力。由圖9可以看出：①試驗加載前期，試樣的應(yīng)變幅值較小，滯回圈在初始形狀的基礎(chǔ)上逐漸偏移擴散，面積稍有增大，最大正應(yīng)力會有所增加。這一過程對應(yīng)動孔壓前期增長較快階段，表現(xiàn)為鈣質(zhì)砂的前期振密性，此階段表明鈣質(zhì)砂在加載初期會出現(xiàn)抵抗變形能力增強的現(xiàn)象；②隨著循環(huán)周次的增加，滯回圈的形狀發(fā)生明顯改變，面積逐漸增大，鈣質(zhì)砂能量耗散大，吸收能量變多，趨向于更加密實的狀態(tài)。而振動過程產(chǎn)生的應(yīng)變和孔壓逐漸增加，當累積到某一臨界值時，其抵御變形的能力開始逐漸減弱；③后期破壞階段，滯回圈的面積有所減小，逐漸趨于穩(wěn)定的形狀。表明鈣質(zhì)砂耗散能量減少，抵抗變形的能力減弱，承載能力已經(jīng)基本喪失，導致試樣的應(yīng)變幅值急劇增大，最終變形破壞。

3 結(jié)論

1)隨著有效圍壓的增加，鈣質(zhì)砂在動力荷載作用下，一次加載-卸載過程中的孔壓波動幅度變大，循環(huán)活動強度逐漸增強。

2)鈣質(zhì)砂的動應(yīng)變發(fā)展具有累積性，圍壓和動應(yīng)力比增大時，試樣失穩(wěn)破壞需要累積的塑性應(yīng)變增加。

3)鈣質(zhì)砂的滯回曲線隨著振次的增加逐漸偏移，最大應(yīng)力點和最小應(yīng)力點之間的連線的斜率也隨振次的增加而減小，鈣質(zhì)砂試樣液化破壞時的顆粒骨架結(jié)構(gòu)仍然存在一定的殘余強度。

4)滯回曲線的演變規(guī)律為前期形狀基本不變，面積有微小增大；中期形狀劇烈變化，面積逐漸增大；后期面積會有所縮小，形狀逐漸趨于穩(wěn)定。