循環預剪對飽和粉土不排水單調剪切特性的影響

趙凱， 蔣鵬程， 秦悠， 吳琪， 陳國興

(南京工業大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

近年來，隨著海洋工程的不斷發展，越來越多的海洋建筑物修建在粉土地基上并經受持續性的波浪荷載，這種周期長、振幅較小的波浪荷載對海床地基有著顯著的預剪效應，對海床土體的力學特性產生明顯的影響，許多學者開展了關于循環預剪對飽和土體單調剪切特性的研究。Chern等[1]發現循環加載后結晶砂或砂土重固結產生的體積應變與最大應變以及殘余孔壓比有關，而與循環應力比、循環振次無關。Sanin等[2]利用循環單剪儀針對粉土進行了類似的試驗得出了相似的結論。Ashour等[3]和Pan等[4]發現循環預剪后的有效圍壓對飽和砂土的應力應變關系具有顯著影響。張振東等[5]和Arab等[6]認為，經歷過循環預剪后隨著循環應力幅值的增加，飽和砂土的抗液化強度不斷得到提高。Ye等[7]試驗結果表明：經歷了大預剪作用的飽和砂土更易液化，預剪方向對循環加載的第一圈有效應力的變化影響明顯。粉土廣泛存在于世界各地，尤其是沿海地區約有80%的表面沉積物為粉土沉積。粉土其作為介于砂土和黏土之間的過渡類型土，呈現出砂土和黏土的雙重力學行為，本身具有較為特殊的工程性質。Yasuhara等[8]發現，粉土隨著液化水平的提高，循環預剪不固結后的剪切強度和初始剛度會降低。曾長女等[9-10]研究了干密度、粉粒含量和粘粒含量對飽和粉土液化大變形特性的影響，建立了飽和粉土液化后變形模式。Song等[11]發現隨著前期動荷載作用后產生孔壓比的提高，重固結后粉土的剪切模量有所增加的現象。Wang等[12]的結果表明：當液化水平高于0.7時，重固結后的不排水剪切強度隨著液化水平的提高逐漸增大。豐土根等[13]提出低水平的循環預剪應力不會使飽和粉土在循環預剪階段破壞；隨著循環預剪應力和循環預剪振次的增加，飽和粉土的抗液化強度得到提高，但當循環預剪振次達到某一值時，抗液化強度趨于穩定。Wang等[14]認為對于完全液化的粉土，經過4次液化后重固結試驗，粉土的相對密度接近100%；對于未液化的粉土，當循環加載使得軸向應變接近0.2%時得到最大的抗液化強度。綜上可知，大多的研究成果并未考慮復雜應力加載條件的影響。

本文利用空心圓柱扭剪儀，開展了多種循環加載歷史對飽和粉土不排水剪切特性的影響試驗，初步探討了不同加載模式作用下應力-應變關系、有效應力路徑以及有效內摩擦角的變化規律，同時考慮了液化水平、循環應力比的影響。

1 循環加載后重固結不排水單調剪切試驗

1.1 試驗儀器及試樣制備

試驗采用南京工業大學購置的空心圓柱扭剪儀進行，如圖1所示。該儀器可同時控制軸力W、扭矩M、以及內外圍壓p0、pi的加載，因此可實現不同的固結應力狀態。所用試樣為空心圓柱樣，樣高H=200 mm，外徑ro=100 mm，內徑ri=60 mm。

注：1 .壓力室； 2.內圍壓控制器； 3.反壓控制器； 4.外圍壓控制器； 5.電腦； 6.數字伺服控制器和采集系統。圖1 空心圓柱扭剪儀Fig.1 Hollow cylinder torsional apparatus

采用南通粉土進行試驗，其基本物理參數如下：細粒含量FC=60%，比重Gs=2.70，最大孔隙比emax=1.22，最小孔隙比emin=0.65，相對密度Dr=50%。試驗試樣為重塑樣，采取分層干裝法制樣，分4層裝樣、均勻擊實，每層到達指定高度后，將各層接觸面刮毛，以保證上下層接觸良好。試樣制備完成后，聯合利用通CO2、無氣水與施加反壓等方法進行試樣的飽和，對反壓飽和后的試樣進行孔壓系數B值測定，若B>0.97，認為試樣達到飽和。對飽和后的試樣進行均等固結，初始有效固結應力p′0=100 kPa。

1.2 試驗方案與方法

試驗所用粉土取自南通濱海園區通州灣海域灘涂，長期經受波浪荷載。Ishihara[15]提出了波浪引起海床土單元正應力和剪應力皆呈周期性變化，但動偏應力不變。任一土單元的往返應力路徑特點為：動主應力軸連續旋轉，但動偏應力保持不變，在偏應力平面形成圓形應力路徑。為探究液化水平、循環應力比以及循環加載方式對飽和粉土前期動荷載作用后的不排水剪切行為影響，待飽和完成后對試樣進行100 kPa下均等固結。固結完成后，關閉排水閥，對試樣進行不同應力路徑下的循環加載，加載頻率為0.1 Hz。當液化水平達到設計值后，停止循環加載。液化水平是指土體發生液化的程度，用孔壓比Ru作為液化水平的定量評價指標，當Ru=1時，土體達到完全液化。然后打開排水閥，保持最初的固結壓力，對試樣進行重固結。在試樣完成重固結后，保持固結壓力不變，關閉排水閥，對試樣進行扭剪試驗，并控制剪應變率為0.1%/min，加載路徑如圖2所示。具體試驗方案如表1所示。循環應力比CSR定義的循環剪應力幅值與初始有效圍壓之比。圖3給出了CSR=0.13應力水平下土體達到完全液化的典型試驗結果。

圖2 試驗應力路徑Fig.2 Stress path for tests

表1 循環預剪作用后重固結不排水剪切試驗方案

圖3 典型試驗結果Fig.3 Typical test results

2 循環預剪對不排水單調剪切特性的影響

2.1 體應變分析

為探究液化水平、循環應力比CSR以及循環加載方式對重固結后的體應變的影響，圖4(a)給出了飽和粉土液化水平與重固結后的體應變關系曲線。從圖中可以看出，隨著液化水平的增加，重固結后的體應變逐漸增加，當液化水平達到0.75以上時，重固結后的體應變有明顯地增大；反之，動荷載作用后重固結引起的體應變變化不大。

圖4(b)給出了飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13時液化水平為0.50時重固結后的體應變。3種CSR作用下的體應變約為0.22%，CSR對液化水平為0.5的飽和粉土重固結后的體應變幾乎沒有影響。

圖4(c)給出了飽和粉土分別在循環三軸、循環扭剪以及循環圓3種不同加載模式作用下，液化水平為0.50時重固結后的體應變。如圖所示，循環三軸和循環扭剪作用下液化水平為0.50時粉土重固結的體應變約為0.25%，而循環圓作用下粉土重固結后的體應變約為0.23%，由此可見，循環加載模式對液化水平為0.50時粉土重固結后的體應變幾乎沒有什么影響。

圖4 循環預剪對重固結后體應變的影響Fig.4 Effect of cyclic preshearing on volumetric strain after heavy consolidation

2.2 應力-應變關系分析

圖5(a)給出了飽和粉土在循環圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結后的應力-應變關系曲線。由圖可知，在不排水條件下，隨著Ru由0增大到1，應變硬化效應逐漸增強。當Ru=1時粉土的應變硬化特征與其他液化水平下的應變特征相比最為明顯，這一規律與不同液化水平下體應變的變化規律一致。隨著液化水平的提高，體應變逐漸增大，粉土試樣變得更為密實，且Ru=1時的體應變增大最為突出，粉土試樣重固結后的相對密度亦有顯著提高，因而粉土表現出來的應變硬化特征更為突出。

圖5(b)給出了飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13作用下，液化水平為0.50時重固結后的應力-應變曲線。在不排水條件下，當剪應變γ<2%時，不同CSR作用后飽和粉土的應力應變關系曲線幾乎重合，而當剪應變γ> 2%時，不同CSR作用后飽和粉土的應力應變關系曲線略有差異，但相差不大。由此可見，飽和粉土重固結后的應力應變關系幾乎不受CSR的影響。這是因為在不同循環應力比作用后飽和粉土的體應變幾乎一致，重固結后試樣的密實度幾乎沒有變化，所以循環應力比對飽和粉土在同一液化水平下固結后的應力應變關系影響不大。

圖5(c)給出了液化水平為0.5時，循環三軸、循環扭剪以及循環圓3種循環加載方式作用下的應力-應變曲線。不同循環加載方式作用后飽和粉土的應力應變關系曲線在剪應變增長前期幾乎一致，而在剪應變增長后期略有差異。總體而言，循環加載方式對飽和粉土在同一液化水平下固結后的應力應變關系幾乎沒有影響。這是因為循環加載方式對飽和粉土重固結后的體應變幾乎沒有影響，粉土的密實度變化幾乎一致，循環加載方式并未造成水平層理方向的結構產生明顯變化，因而循環加載方式對飽和粉土重固結后的應力應變關系影響不大。

圖5 循環預剪對應力應變關系的影響Fig.5 Effect of cyclic preshearing on the stress-strain behavior

2.3 有效應力路徑分析

圖6(a)為飽和粉土在循環圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結后的有效應力路徑。在不排水剪切條件下，隨著Ru由0增大到1，相變狀態時的孔隙水壓力逐漸減小。當Ru=0時，相變狀態時的孔隙水壓力為平均主應力的45.2%，當Ru=0.5時，相變狀態時的孔隙水壓力為平均主應力的44.51%，而當Ru=1.0時，相變狀態時的孔隙水壓力可達到平均主應力的 12.5%。由此可見，當Ru由0增大到0.5的過程中，相變狀態時的孔隙水壓力變化很小，而當Ru由0.5增大到1的過程中，相變狀態時的孔隙水壓力變化很大，尤其是Ru由0.75增大到1.0相變狀態時的孔隙水壓力更為明顯。這是飽和粉土在不同液化水平下排水體積的不同所導致。根據表1可知，Ru由0增大到0.5過程中，飽和粉土試樣重固結后的排水體積逐漸增大，但變化不大，而Ru由0.5增大到1.0過程中，飽和粉土試樣重固結后的排水體積增長很快，尤其是Ru由0.75增大到1.0時，飽和粉土重固結后的排水體積顯著增大，這一變化規律與不同液化水平下相變狀態時孔隙水壓力的變化一致。

圖6 循環預剪對有效應力路徑的影響Fig.6 Effect of cyclic preshearing on the effective stress path

圖6(b)為飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13作用下，液化水平為0.50時重固結后的有效應力路徑。在達到相變狀態之前，不同CSR作用下飽和粉土的有效應力路徑幾乎一致，相變狀態時的孔隙水壓力均達到了平均主應力的45%左右，在達到相變狀態之后，不同CSR作用下飽和粉土的有效應力路徑略有差異，但變化不大。由此可見，CSR對飽和粉土重固結后的有效應力路徑影響并不明顯。

圖5(c)為液化水平為0.5時，循環三軸、循環扭剪以及循環圓3種循環加載方式作用下的有效應力路徑。循環扭剪與循環圓兩者作用后粉土的應力路徑幾乎重疊，而循環三軸作用后的應力路徑相比略有差異，但變化不大。由此可見，循環加載模式對飽和粉土在同一液化水平下固結后的有效應力路徑幾乎沒有影響。

2.4 相變強度分析

由上述有效應力的分析可知，在不排水剪切過程中，有效平均主應力先減小后增大，即孔隙水壓力先增大后減小，粉土由剪縮狀態向剪脹狀態過渡，這種有效平均主應力達到最小，孔隙水壓力達到最大時的臨界狀態稱為相變狀態，此處將處于相變狀態時的剪應力τ稱為為相變強度SPT。

圖7(a)為飽和粉土在循環圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結后的相變強度SPT。當Ru=0時，SPT約為31.2 kPa；當Ru=0.25時，SPT約為29.3 kPa，與Ru=0時相比，SPT減小了1.9 kPa，約減小了6%；當Ru=1時，SPT約為41.5 kPa，Ru=0時相比，SPT增大了10.3 kPa，約增大了33%。這是因為Ru=0.25時，飽和粉土試樣重固結后密度的增大不足以彌補因土結構弱化引起的強度損失，SPT略有減小，而當Ru由0.25增大到0.5的過程中，試樣重固結后的體應變逐漸增大，試樣重固結后的密度也逐漸增大，抵消了土樣的結構因土結構弱化引起的強度損失，SPT有所恢復，而當Ru由0.5增大到1時，試樣重固結后的密度顯著增大，SPT明顯提高。因此當Ru低于0.25時，循環預剪對SPT影響不大，SPT略有減小，當Ru高于0.25時，循環預剪對SPT的影響明顯增強，且隨著Ru的提高，SPT逐漸增大。

圖7(b)、(c)分別給出了飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13和3種循環加載模式作用下，液化水平為0.50時重固結后的相變強度SPT。不同CSR或循環加載模式作用下飽和粉土的SPT幾乎沒有變化，這一規律與不同CSR或循環加載模式作用下飽和粉土的應力應變關系一致，均是因為不同CSR或循環加載模式作用下飽和粉土重固結所產生的體應變一致，相對密度基本相同所致。

圖7 循環預剪對飽和粉土相變強度的影響Fig.7 Effect of cyclic preshearing on the phase transformation strength of saturated silt

2.5 相變有效內摩擦角

圖8(a)為飽和粉土在循環圓作用下Ru分別達到0、0.25、0.50、0.75和1時重固結后的相變有效內摩擦角φ′PT。在不排水剪切條件下，隨著Ru由0增大到1.0的過程中，φ′PT在33°上下波動，由此可見液化水平對重固結后粉土相變有效內摩擦角影響不大。圖8(b)為飽和粉土在CSR分別為0.05、0.10以及0.13作用下，液化水平為0.50時重固結后的相變有效內摩擦角φ′PT。隨著CSR的增大，φ′PT略有增大，但變化很小，可以認為CSR對飽和粉土重固結后的φ′PT幾乎沒有影響。圖8(c)為飽和粉土在循環扭剪、循環三軸以及循環圓3種循環加載方式作用下重固結后的相變有效內摩擦角φ′PT。與循環扭剪和循環圓相比，循環三軸作用后粉土的φ′PT略大，但相差很小，可以認為循環加載方式對飽和粉土在同一液化水平下固結后的φ′PT幾乎沒有影響。

圖8 循環預剪對相變有效內摩擦角的影響Fig.8 Effect of cyclic preshearing on the friction angle at the phase transformation state

綜上可知，液化水平對飽和粉土液化后的固結體應變，應力-應變關系以及相變特性影響顯著，而循環應力比和循環加載方式影響不大。這是由于土體的不排水剪切強度主要由土體的組構及密實狀態決定，飽和粉土在達到不同液化水平后重新固結，土體顆粒重新排列并再固結，導致土體組構和密實狀態較初始固結狀態產生較明顯的改變，從而導致固結體應變，應力-應變關系以及相變特性的差異。而循環應力比及循環加載方式僅表征了作用于土體動應力水平的差異，并沒有改變土體顆粒骨架力鏈，這是具有相同液化水平土體的固結體應變，應力-應變關系以及相變特性沒有明顯差異的主要原因。

3 結論

1)液化水平對飽和中密粉土循環加載重固結后的不排水單調剪切特性影響顯著。隨著液化水平的提高，粉土重固結所產生的體應變逐漸增大，應變硬化逐漸增強，相變強度先減小后增大，但相變有效內摩擦角變化不大。

2)循環應力比對飽和中密粉土循環加載重固結后的不排水單調剪切特性幾乎沒有影響，即在圍壓不變的前提下，體應變、應力應變關系、有效應力路徑、相變強度以及相變有效內摩擦角幾乎與前期加載的循環應力比無關。

3)循環加載方式對飽和中密粉土循環加載重固結后的不排水單調剪切特性幾乎沒有影響，即體應變、應力應變關系、有效應力路徑、相變強度以及相變有效內摩擦角幾乎與前期循環加載無關。