吹填場地路基抗液化性能振動臺試驗研究

嚴遠方,黃詩洪,覃子秀

(廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

飽和粉、細砂在地震、施工機械或車輛荷載等動力作用下引發的液化現象是交通建設領域較為關注的病害問題之一[1-3]?，F有研究成果表明,細粒含量、地下水位和動荷載的頻譜特性是引起飽和砂土發生液化的主要原因[4-6],同時砂土層的土層埋深、覆蓋層特性及建(構)筑物也是影響液化程度的重要因素[7-9]。由于吹填場地建設過程中的工程荷載和通車運營后的荷載發生持續性變化,導致此類場地路基抗液化性能也隨之改變,而孔隙水壓力作為衡量土體應力狀態的一項重要指標,對于研究路基的抗液化性能至關重要。目前關于粉細砂及細顆粒土的孔隙水壓力研究方向主要分為兩類:

(1)側重于根據孔隙水壓力建立相關預測模型,如張建磊等[10]根據動三軸試驗和地震波強度建立的能量孔隙水壓力模型,并結合滲透性和剪應力折減函數的影響提出的液化場地風險評估方法;蔡國軍等[11]根據不完全孔隙水壓力建立的孔壓消散改進模型,可較準確地預測土體孔隙水壓力;曹華峰等[12]根據松弛時間和荷載頻率對孔隙水壓力發展的影響,提出了孔隙水壓力極值狀態時的松弛時間和荷載頻率關系曲線。

(2)側重于孔隙水壓力發展規律的影響研究,如丁瑜等[13]認為引起路基土體細顆粒遷移的主導因素是動荷載作用下土體內部產生的超孔隙水壓梯度;牛琪瑛等[14]在碎石樁加固地基過程中發現,超孔隙水壓力變化與埋深的相關性不大,但孔壓比峰值隨埋深增加明顯減小。

由上述研究現狀可知,關于液化土層孔隙水壓力發展規律的研究多數集中在埋深、細觀結構、動荷載特性和初始應力條件等方面,而以振動臺試驗研究固結壓力對路基液化趨勢或超孔隙水壓力的發展規律鮮有報道。工程建設具有長期性、連續性和復雜性的特點,尤其是在內、外荷載作用下,路基壓實度將發生連續性變化,壓實度的變化會引起此類路基中孔隙水的壓力發生變化進而影響路基的抗液化性能。因此,本文基于目前現狀,以北部灣地區海積軟土和細沙構建的簡化吹填場地路基模型為研究對象,運用自行設計的可連續加載的疊層狀剪切箱裝置,開展豎向固結壓力改變后的吹填場地路基砂土層超孔隙水壓力發展規律的振動臺試驗研究,為類似的特殊路基進行抗液化分析時提供參考。

1 模型制作

1.1 試驗設備

試驗模型路基的長度、密度和加速度的相似比分別為10.0、1.0和1.0,振動方向為水平單向,尺寸為2.08 m(長)×1.0 m(寬)×1.7 m(高)。豎向壓力加載裝置主要由加壓鋼板、智能液壓千斤頂、反力架和壓力傳感器組成。

1.2 模型土的物理性質指標

選用的海積軟土、砂土和海水均是來自北部灣濱海地區,海積軟土層和吹填砂層厚度分別設置為1.0 m和0.5 m。由于砂土含有較多貝殼類雜質,試驗前用2 mm篩對其進行過篩處理。海積軟土和篩分后的砂土的物理性質指標如表1和表2、下頁圖1所示。

圖1 模型土粒徑累計曲線圖

表1 海積軟土基本物理指標表

表2 細砂物理指標表

1.3 傳感器布置

試驗共布設5個孔隙水壓力傳感器,平面布置在模型路基的中心,豎向距地表埋深分別為0.05 m、0.15 m、0.25 m、0.35 m、0.45 m。

2 試驗參數

2.1 輸入波

試驗以2008年汶川地震茂縣地辦臺站、新津梨花臺站和湖北恩施臺站的基巖加速度記錄為輸入波,按照時間相似原則將其持時壓縮,并濾除10 Hz以上高頻成分,如圖2、表3所示。

(a)茂縣波加速度時程

2.2 加載工況

參考北部灣地區抗震設防烈度標準,模型路基的基本加速度(中震)設定為0.10 g,小震加速度為0.05 g,大震加速度為0.20 g。地下水位面固定在距離地表0.3 m處。固結壓力設置4組,分別為0.0 kPa、10.0 kPa、20.0 kPa、30.0 kPa,其中0.0 kPa和10.0 kPa固結壓力各6組試驗,20.0 kPa、30.0 kPa各9組試驗,總共30組地震波激振試驗。振動試驗均在模型路基固結穩定后進行。

2.3 停止工況

每級固結壓力的試驗停止標準為路基地表出現開裂或冒水現象,停止時輸入波類型和幅值如表4所示。

表4 振動停止時工況表

3 試驗結果

限于篇幅,本文僅探討試驗停止工況下的模型路基砂土層超孔隙水壓力的時程特征。在固結壓力0.0 kPa時,輸入幅值0.10 g的恩施波后,模型路基地表開裂,未有冒水現象;固結壓力增加至10.0 kPa時,輸入幅值0.10 g的恩施波后,模型路基地表未開裂,局部區域有冒水且表層細砂呈流體狀,砂土層出現了液化趨勢;固結壓力增加至20.0 kPa時,輸入幅值0.20 g的恩施波后,模型路基地表未開裂,大部分區域有冒水且表層細砂也呈現流體狀,砂土層液化趨勢加劇;固結壓力增加至30.0 kPa時,輸入幅值0.20 g的恩施波后,模型路基地表未開裂,中心區域有冒水,少部分表層細砂呈現流體狀,砂土層液化趨勢減弱。

對比4組固結壓力試驗后的模型地表反應可以發現:隨著固結壓力增加,模型路基的破壞形式由地層開裂逐漸演化為砂土液化,液化程度呈現先增強后減弱趨勢,并且增加固結壓力后,模型路基發生震害時所需要的輸入地震動強度也隨之增強。

各級荷載作用下的砂土層超孔隙水壓力時程曲線如圖3～6所示。

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

(a)埋深0.45 m

由圖3～6可知:

(1)超孔隙水壓力在4組固結壓力作用后的增長規律呈現出兩類特征:①在固結壓力0.0 kPa、10.0 kPa、30 kPa作用后呈現的“單峰”特征,即輸入波峰值作用后,超孔隙水壓力急劇上升,達到峰值后的維持時間較短,并隨輸入波的幅值減弱逐漸減小至振動停止;②在固結壓力20.0 kPa作用后呈現的“平臺”特征,即輸入波峰值作用后,超孔隙水壓力呈現急劇上升趨勢,并且在振動過程中維持最大超孔隙水壓力相對穩定,在振動停止一段時間后才逐漸消減。結合前述試驗停止時模型場地地表狀況可知,“平臺型”的超孔隙水壓力增長模式引起的砂土層液化現象較“單峰型”更為顯著。

(2)固結壓力對模型路基超孔隙水壓力的增長趨勢有抑制作用。以埋深0.45 m的砂土層超孔隙水壓力為例,在輸入波為0.01 g幅值時,0.0 kPa固結壓力(即原始狀態)后,模型路基的最大超孔隙水壓力為2.85 kPa,出現時間為16.44 s;10.0 kPa固結壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力為0.56 kPa,出現時間為14.48 s,超孔隙水壓力減小至原場地的0.195倍。在輸入波為0.02 g幅值時,20.0 kPa固結壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力為6.57 kPa,出現時間為21.05 s;30.0 kPa固結壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力為4.20 kPa,出現時間為16.13 s,超孔隙水壓力減小至20.0 kPa固結壓力作用后場地的0.639倍。

(3)振動停止后,“平臺型”超孔隙水壓力的數值和維持穩定的時長均與埋深相關。埋深0.45 m時,超孔隙水壓力穩定時長為0.65 s,穩定超靜孔隙水壓為5.82 kPa;埋深0.35 m時,超孔隙水壓力穩定時長為1.27 s,穩定超靜孔隙水壓為5.49 kPa;埋深0.25 m時,超孔隙水壓力穩定時長為3.96 s,穩定超靜孔隙水壓為4.40 kPa;埋深0.15 m時,超孔隙水壓力穩定時長為6.48 s,穩定超靜孔隙水壓為3.07 kPa;埋深0.05 m時,超孔隙水壓力穩定時長為7.61 s,穩定超靜孔隙水壓為2.23 kPa。

4 結語

本文利用自行設計的可施加固結壓力的試驗裝置,開展了吹填場地的軟土細砂路基模型在不同固結壓力作用后,砂土層超孔隙水壓力在地震荷載作用時的響應規律研究,主要得出以下結論:

(1)增加固結壓力可以有效地提高模型路基的抗液化性能。小震時,10.0 kPa固結壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力相對于原始狀態可減少至0.195倍;中震時,30.0 kPa固結壓力作用后,模型路基的最大超孔隙水壓力相對于20.0 kPa固結壓力可減少至0.639倍。因此,在工程建設過程中,應考慮固結壓力變化對此類特殊路基抗液化性能的影響。

(2)隨著固結壓力的增大,吹填場地路基的超孔隙水壓力有“單峰型”和“平臺型”兩類增長模式?！捌脚_型”增長模式對砂土場地路基液化趨勢的影響較“單峰型”顯著,在工程建設中應重點考慮“平臺型”超孔隙水壓力引發的砂土液化問題。

(3)振動停止后,模型路基中的“平臺型”超孔隙水壓力的大小與埋深呈正相關,持續時長與埋深呈負相關。埋深越大,超孔隙水壓力越大,持續時間越短;埋深越淺,超孔隙水壓力越小,但持續時間越長。