黃泛區粉砂土動強度與抗液化強度試驗研究

董正方, 王仁輝, 曹獻偉, 張群生

(1. 河南大學 巖土與軌道交通工程研究所, 河南 開封 475004;2. 河南大學 河南省軌道交通智能建造工程技術中心, 河南 開封 475004)

0 引言

黃河在歷史上多次改道,產生了大范圍的黃泛區。黃泛區有大量粉砂土,這類土比較松散、顆粒均勻,相互之間的咬合作用較差,黏粒含量較低,在地震和車輛振動等荷載下極易發生破壞甚至液化,對地基造成嚴重破壞,不利于城市的建設。所以對黃泛區粉砂土進行動強度和抗液化強度試驗研究是很有必要的。

目前已經有很多學者對土體的動強度和抗液化強度進行了研究。粉土方面:吳波等[1]利用動三軸儀對非飽和粉土進行動強度試驗,分析了飽和度、動應力比及固結圍壓對非飽和粉土動強度特性和液化特性的影響。張艷美等[2]利用動三軸試驗研究了有效圍壓、動荷載和粉粒含量等因素對飽和粉質土液化特性的影響。周正龍等[3]利用GDS空心圓柱儀進行了一系列循環扭剪試驗研究飽和粉土的液化特性。張煥強等[4]利用FLAC3D軟件開展了高地震烈度區粉土地基抗液化研究。

砂土方面:陳宇龍等[5]利用空心圓柱扭剪儀對含非塑性細粒的飽和砂土進行單調加載和循環扭剪試驗,研究了不同細粒含量飽和砂土液化特性。楊瑞雪等[6]研究了黏性土對細砂土抗液化性能的改善作用。韓華強等[7]通過動三軸試驗分析了砂土和水泥膠凝砂土在不同應力條件下的動力變形特性及抗液化特性。李博等[8]借助CKC循環動三軸儀,開展飽和不排水條件下摻有橡膠粉末的砂土試樣的動力學特性研究,重點評估摻入的橡膠粉末對試樣抗液化性能的影響。王忠濤等[9]通過不排水條件下的循環主應力軸旋轉試驗,分析了軸向偏差應力和剪應力的幅值及初始相位差對飽和砂土動強度的影響。Mehmet等[10]通過三軸壓縮試驗得出,當細粒土含量為0～20%且砂粒與細粒的平均粒徑很小時,干凈砂土的液化敏感性隨細粒含量的增加而增大。

粉砂土方面:趙麗敏等[11]以河南開封地區粉砂土為研究對象研究其靜力特性。來淑娜[12]通過對飽和粉砂土進行動強度試驗,分析了荷載頻率、固結比以及圍壓對粉砂土動強度的影響。孟凡麗等[13]以杭州典型粉砂土為研究對象進行固結不排水動三軸試驗,研究了不同圍壓、頻率和固結比條件下的循環荷載對杭州粉砂土動孔壓增長的影響,分析了不同頻率、不同固結比、不同圍壓作用下杭州粉砂土的孔隙水壓力變化規律。

綜上所述,土體的動強度和抗液化強度研究主要集中在砂土和粉土,對于粉砂土的研究相對較少。本文擬通過動三軸試驗,研究不同圍壓、干密度、細粒含量對黃泛區粉砂土動強度和抗液化強度的影響。

1 試驗介紹

1.1 試驗儀器

本次試驗儀器采用英國GDS公司研制的GDS5Hz/10kPa雙向振動三軸儀。該動三軸儀采用高速直流伺服馬達施加動荷載,根據水下荷載傳感器和位移傳感器的反饋對荷載和變形大小進行控制,結合GDSLAB軟件、圍壓控制器、反壓控制器以及數據采集器完成圍壓和反壓的控制以及整個試驗過程數據的采集。

GDS動三軸儀包括:制動單元、外壓力室、平衡器、圍壓控制器、反壓控制器、高速數據采集和控制系統。該儀器適用于直徑39.1、50、70、100 mm的試樣,動態加載頻率范圍是0～5 Hz,動態軸壓可加載±10 kN,精度為滿量程的0.1%。位移量程為100 mm,位移分辨率為0.208 mm,軸向位移精確度為滿量程的0.07%。以上均可滿足試驗要求。

1.2 試樣制備

試驗所用土樣為黃泛區粉砂土,采用重塑土(圖1),其基本物理指標列于表1,顆粒級配曲線見圖2。試驗采用直徑39.1 mm、高度80 mm的重塑土試樣。根據控制細粒含量20%、35%和45%,干密度1.55、1.60和1.63 g/cm3,含水率16.0%進行試樣制備。

取1 kg擾動烘干土,按目標干密度和細粒含量計算和制備一組土樣。以控制含水率16%、細粒含量35%、干密度1.6 g/cm3為例,具體數據列于表2。

圖1 擾動粉砂土Fig.1 Disturbed silty sand

表1 黃泛區粉砂土物理力學性能

圖2 土樣顆粒級配曲線Fig.2 Particle grading curve of soil sample

表2 試樣各組分重量

用天平稱取對應質量的細粒土和水,其中細粒土(粒徑小于0.075 mm)由烘干擾動土在土體篩分機上振篩20 min得到,制備試樣所需細粒土質量由總土質量乘以細粒含量計算得出;然后將土和水在容器里攪拌均勻,蓋上濕布,并靜置12 h;取靜置后的土樣進行兩個位置的含水率檢測,并與目標含水率進行比較,誤差小于2%;最后取靜置后的土樣,按試樣目標重量用天平稱取相應質量的土樣,用土樣擊實器分三層擊實,每層擊實后要刨毛。制備成型的試樣如圖3所示。

圖3 成型土樣Fig.3 Produced soil sample

本文選取開封地區黃泛區粉砂土為研究對象,主要考慮圍壓、細粒含量和干密度對粉砂土動強度和抗液化強度的影響。每個影響因素設置3個水平,具體信息列于表3。

表3 動強度和抗液化強度影響因素及其水平

進行粉砂土動強度和抗液化強度試驗時,每個影響因素的3個水平均參與試驗,共設置27個工況。試驗時,動荷載加載頻率為0.5 Hz,每個工況至少設置3個試件。

1.3 試驗方法

將制備好的試樣安裝到動三軸底座上,通過動三軸儀對試樣進行反壓飽和。當孔隙水壓力系數達到0.95以上時,認為試樣的飽和度已滿足要求。接下來進入固結階段,當試樣的反壓體積平穩變化或軸向應變保持5 min不變時,認為試樣固結完成。對固結完成的試樣施加一定動荷載幅值σ1的正弦波(圖4),當試樣振動N1周達到液化破壞標準時停止試驗并修改數據儲存的名稱,破壞后的試樣見圖5。對相同條件下的第二個試樣用另一個動荷載幅值σ2的正弦波進行試驗,得到破壞周數N2。使用同樣的方法對第三個試樣施加動荷載幅值σ3的正弦波,得到破壞周數N3。用三個試樣的數據資料可以得出動應力與破壞周數的變化曲線,即σd-Nf曲線。當破壞標準為動強度破壞標準時,σd-Nf曲線為動強度曲線;當破壞標準為抗液化強度破壞標準時,σd-Nf曲線為抗液化強度曲線。

圖4 施加的動荷載Fig.4 Applied dynamic loads

圖5 土樣破壞前后對比Fig.5 Comparison of soil samples before and after failure

1.4 破壞標準

根據文獻[14],選用試樣受循環動荷載時首次出現孔隙水壓力增值達到初始固結圍壓作為土體抗液化強度的破壞標準,選用試樣受循環動荷載時雙幅軸向應變達到5%作為土體動強度破壞標準。

2 結果分析

張艷美等[2]選用有效圍壓、動荷載和粉粒含量作為影響因素研究其對飽和粉質土液化特性的影響。來淑娜[12]選用荷載頻率、固結比以及圍壓作為影響因素研究其對粉砂土的動強度的影響。Martin[15]選用細粒含量和干密度作為影響因素?；诖?本次試驗研究圍壓、細粒含量和干密度對黃泛區粉砂土動強度和抗液化強度的影響,設置了50、100和150 kPa三個圍壓,20%、35%和45%三個細粒含量,以及1.55、1.60和1.63 g/cm3三個干密度。

2.1 圍壓對粉砂土動強度和抗液化強度的影響

保證干密度和細粒含量不變,分析圍壓對黃泛區粉砂土動強度和抗液化強度的影響。試驗結果如圖6、圖7所示。

圖6是試件在不同圍壓下的動強度曲線。從圖中可以看出,圍壓對黃泛區粉砂土動強度的影響較大,且規律很明顯,即在其他條件一定時,圍壓較大時動強度曲線始終位于上方,隨著圍壓的減小動強度曲線依次降低,但動強度并不是隨著圍壓的增減呈等間距增減的變化趨勢。圍壓是用來模擬土體的埋深,不同埋深土體的密實度不同,抗剪強度也不同,埋深越大土體的抗剪能力就越強,試驗數據結果符合該規律。這是因為隨著圍壓即埋深的增加,粉砂土顆粒之間的間隙越來越小,顆粒之間接觸越來越密實,顆粒之間的黏結力也越來越大,抗剪能力就會提高,所以圍壓越大粉砂土的動強度越大。但由于粉砂土顆粒成分等因素的影響,顆粒之間的密實度并不是隨圍壓的增減出現成比例增減,這就導致其抗剪能力并不是隨圍壓增減出現等比例增減的趨勢,通過試驗反映出來就是動強度并不是隨圍壓的增減而成比例增減。

圖6 不同圍壓下動強度曲線Fig.6 Dynamic strength curves under different confining pressure

圖7 不同圍壓下抗液化強度曲線Fig.7 Anti-liquefaction strength curves under different confining pressure

圖7是試件在不同圍壓下的抗液化強度曲線?？梢钥闯?抗液化強度曲線和動強度曲線有類似的變化規律,只是達到相應破壞標準時的動應力不同。粉砂土達到抗液化強度破壞標準時的動應力隨圍壓的增加而增大,但動應力并不隨圍壓呈現等間距增加趨勢。動三軸試驗測得粉砂土的抗液化強度隨圍壓的增加而增大,這是因為隨著圍壓的增加,土體受到擠壓增大,土體顆粒間的空隙越來越小,相應的飽和土的孔隙水壓力就越來越小,土體的抗液化能力會得到提高,故抗液化強度會增大。

2.2 干密度對粉砂土動強度和抗液化強度的影響

保證圍壓和細粒含量不變,分析干密度對黃泛區粉砂土動強度和抗液化強度的影響。實驗結果如圖8、圖9所示。

圖8 不同干密度下動強度曲線Fig.8 Dynamic strength curves under different dry density

圖9 不同干密度下抗液化強度曲線Fig.9 Anti-liquefaction strength curves under different dry density

圖8是試樣在不同干密度下的動強度曲線。從圖中可以看出,在其他條件相同時,黃泛區粉砂土的動強度隨干密度的增加而增大,隨動荷載振動次數的增加而減小。干密度模擬土體的密實度,干密度越大土體越密實,土顆粒之間的作用力就越強,達到動強度破壞標準所需的動應力就越大,故動強度隨干密度的增加而增大。

圖9是試樣在不同干密度下的抗液化強度曲線。從圖中可以看出,在其他條件相同時,黃泛區粉砂土的抗液化強度隨干密度的增加而增大,隨動荷載振動次數的增加而減小。因為隨著干密度的增加土體的密實度相應提升,土體顆粒間的空隙越來越小,孔隙水壓力也越來越小,土體顆粒間就越不容易發生相對錯動,土體的抗液化能力會得到提高,故抗液化強度隨干密度的增加而增大。

2.3 細粒含量對粉砂土動強度和抗液化強度的影響

保證干密度和圍壓不變,分析細粒含量對黃泛區粉砂土動強度和抗液化強度的影響。實驗結果如圖10、圖11所示。

圖10 不同細粒含量下動強度曲線Fig.10 Dynamic strength curves under different fines content

圖11 不同細粒含量下抗液化強度曲線Fig.11 Anti-liquefaction strength curves under different fines content

圖10是試件在不同細粒含量下的動強度曲線。從圖中可以看出,在其他條件相同時,黃泛區粉砂土的動強度并不是隨細粒含量的變化呈單調變化,而是當細粒含量達到一定量時動強度達到最低點。本次試驗中,細粒含量達到35%時粉砂土表現出動強度最低,且動強度隨動荷載振動次數的增加出現減小的趨勢。當粉砂土的細粒含量小于35%時,細粒在土體結構中起到潤滑的作用,且潤滑作用會隨細粒含量的增加而增大,此時土體的動強度隨之降低;細粒含量超過35%后,細粒土之間的連接作用慢慢變強,其潤滑作用慢慢消失,細粒土開始阻礙土體顆粒的相互錯動,粉砂土的動強度也隨之加強。

圖11是試件在不同細粒含量下的抗液化強度曲線。從圖中可以看出,黃泛區粉砂土的抗液化強度曲線和動強度曲線有相同的變化規律,即在其他條件相同時,抗液化強度并不是隨細粒含量的變化呈單調變化,而是當細粒含量達到一定量時粉砂土的抗液化強度達到最低點。在本次試驗中,細粒含量達到35%時粉砂土表現出抗液化強度最低,且抗液化強度隨動荷載振動次數的增加出現減小的趨勢。粉砂土的細粒含量小于35%時,細粒在土體結構中起到潤滑的作用,在動荷載作用下土體顆粒更容易發生相對錯動,且潤滑作用會隨細粒含量的增加而增大,此時土體的抗液化強度也隨之降低;而細粒含量超過35%后,土顆粒之間的黏結力變強,不易發生相對錯動,粉砂土的抗液化強度也隨之加強。

對于粉砂土的抗液化強度試驗,范基春[16]和楊舉朋[17]分別研究了干密度和細粒含量以及干密度和圍壓對粉砂土抗液化強度的影響,發現抗液化強度隨干密度和圍壓的增加而增大,隨細粒含量的增加先減小后增大,且當細粒含量為40%時抗液化強度最低。本次試驗得到的圍壓、干密度和細粒含量對黃泛區粉砂土抗液化強度的影響規律與之相似,但范基春發現當細粒含量為40%時粉砂土的抗液化強度最低,而本試驗得到的細粒含量為35%。初步分析是由于不同地區粉砂土的結構成分不同,比如黏粒含量不同、造成抗液化強度最小時細粒含量不一樣,具體原因還有待進一步研究。

3 結論

通過動三軸試驗,研究了圍壓、干密度、細粒含量對黃泛區粉砂土動強度和抗液化強度的影響,得出如下結論:

(1) 黃泛區粉砂土的動強度和抗液化強度均隨圍壓和干密度的增加而增大。

(2) 黃泛區粉砂土的動強度和抗液化強度均隨細粒含量的增加出現先降低后增加的變化趨勢,且細粒含量為35%時動強度和抗液化強度最小。

(3) 動荷載振動次數隨動強度和抗液化強度的減小而增加。

(4) 黃泛區粉砂土抗液化強度比動強度大說明粉砂土雙幅軸向應變達到5%后仍具有一定承載能力。