南黄海辐射沙脊群粉质砂土液化后大变形特性试验研究＊

张振东，曹 培，宗钟凌

（1.淮海工学院 土木工程学院，江苏 连云港 222005；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

南黄海辐射状沙脊群位于现代长江三角洲以北、旧黄河三角洲以南的苏北岸外浅海区，向海洋呈辐射状分布，规模巨大，形态特殊，沙脊群间形成了多条深水潮流通道，是天然的港口资源。因此，在辐射沙脊群上进行外海人工岛的开发与建设对于港口资源的保护与利用具有十分重要的意义。然而，由于该区域地基土体主要为粉质砂土，易在地震等荷载作用下发生液化。而与单纯的液化相比，砂土液化后引起的大变形所导致的破坏往往更为严重，而且它的发生极为普遍，几乎每次地震导致的砂土液化都会伴随有大变形的发生，产生灾难性的后果。因此对地震液化后砂土应力和变形特性的研究就显得尤为重要。

Seed［1］较早就注意到地震作用不仅会导致饱和砂土的液化，同时砂土的液化会诱发地基产生较大的水平向永久变形，对各种堤坝及与其相邻的结构产生巨大的破坏。1986年日本学者Hamada等［2］利用航空照片对1964年的新泻地震及1983年的日本海中部地震震害进行了广泛的调查。调查显示，由于地表倾斜以及靠近河岸海岸的场地中有驱动剪应力的存在，地震荷载作用下的砂土地基发生液化后，会进一步产生较大的水平向永久变形，造成工程结构的失稳与破坏。

针对饱和砂土液化后大变形的相关问题很多学者都做了深入的研究［3－9］，但由于问题的复杂性和变异性，关于液化大变形机理的认识仍然不够确切，特别是针对粉质砂土的研究较少，尚有诸多理论上的问题需要深入研究。因此，本文拟针对南黄海辐射沙脊群地区的特殊粉质砂土，通过室内循环三轴试验，在砂土试样液化后进行静力加载，以探讨该粉质砂土液化后的应力与变形特性。

1 试验条件

1.1 试验土样与试验方法

本文所用土样取自江苏如东洋口港太阳岛上的吹填粉砂，该粉质砂土主要来源于南黄海辐射沙脊群中的砂土。其土粒比重为Gs＝2.71，最大与最小干密 度 分 别 为ρd，max＝ 1.51g／cm3，ρd，min＝ 1.25 g／cm3。试验中控制土料的相对密实度分别为Dr＝90%和Dr＝75%，控制干密度分别为ρd＝1.479 g／cm3和ρd＝1.435g／cm3。由颗粒分析实验得到其粒径分布如表1所示。

表1 粒径分布Table 1 Particle size distribution

试件采用多层湿捣法制作。本次试验采用分3层击实的方法，先计算每层土的质量，分3次装入制样模具中，并击实到相应的高度，每层击实完后将接触面拉毛，以保证层与层之间接触良好，直至击完第3层。击实成型后将成型试件放入饱和容器内，采用反压饱和的方法抽真空饱和24h，使试件充分饱和。最后将饱和后的试件取出，装入三轴室内进行动三轴试验。根据循环三轴试验的条件，在试样达到控制液化标准后即停止动力加载，并打开排水阀排出试样内多余的孔隙水。在试样内超孔隙水压力完全消散后继续进行不排水单调剪切试验。其试验过程如图1所示。

1.2 试验设备及液化控制标准

本研究采用英国GDS公司研制生产的动三轴试验设备。试验均采用实心圆柱试样，其直径D＝39.1mm，高H＝80mm。

图1 砂土液化后强度变形特性试验的加载过程Fig.1 Loading process of deformation characteristic test of sand after liquefaction

由于试验主要在非均等固结条件下进行，在振动过程中孔隙水压力一般达不到初始固结有效平均应力，因此无法按照通常的初始液化定义作为破坏标准。虽然在振动过程中孔隙水压力达不到有效平均固结压力，而是稳定在某一水平附近，但是试验变形的发展仍然很迅速，因此，在非均等固结条件下本文选取应变达到5%（取残余应变和弹性应变之和达5%）作为试验破坏标准。

2 试验结果与分析

2.1 周围压力对饱和粉质砂土液化后大变形特性的影响

如图2所示为振动频率f＝1Hz，Dr＝90%，Kc＝2.0条件下，砂土试验达到液化控制标准并固结排水稳定后再次施加轴向应力作用时的固结不排水单调剪切试验结果，其中周围压力σ3分别取100，200和300kPa。由图2可见，不同周围压力对饱和粉砂应力—应变关系曲线影响较大，周围压力越大，其所达到的峰值应力越大。而由偏应力比与应变关系曲线可知，周围压力对峰值偏应力比的影响较小，3种条件下，试样所达到的峰值偏应力比基本相同。

图2 f＝1Hz，Dr＝90%，Kc＝2.0条件下饱和粉砂液化后大变形试验曲线Fig.2 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for f＝1Hz，Dr＝90%and Kc＝2.0

2.2 振动频率对饱和粉质砂土液化后大变形特性的影响

如图3所示为考虑不同振动频率影响的饱和粉质砂土液化后单调剪切试验曲线。由图3可见，振动频率对达到液化控制标准后饱和粉质砂土固结不排水单调剪切特性影响很小。

2.3 密实度与固结比对饱和粉质砂土液化后大变形特性的影响

如图4所示为考虑不同相对密实度与固结比影响的饱和粉质砂土液化后单调剪切试验曲线。由图4可见，粉砂试验前的相对密实度及固结比均对其液化后大变形特性有一定影响。然而，由于在动三轴液化试验过程中，其动力试验结束时的试样状态难以控制达到统一标准，因此该试验结果并不能准确反映实际土体相关因素的影响，但是该试验结果所反映的趋势是合理的。

另外，由图2、图3以及图4可以看出，无论是在哪一种试验条件下，试样在动力三轴试验过程中达到液化控制标准后，其对后期的固结不排水单调剪切特性都将会产生非常显著的影响。在整个单调剪切试验过程中，试样一直呈现出硬化变形的特性，在产生很小的正孔隙水压力后，孔隙水压力就向负的方向发展，试样始终处于剪胀状态，并最终达到稳定状态。

图3 不同振动频率条件下饱和粉砂液化后大变形试验曲线Fig.3 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for different vibration frequency

图4 不同相对密实度与固结比条件下饱和粉砂液化后大变形试验曲线Fig.4 Large post－liquefaction deformation test curve of saturated sand for different relative density and consolidation ratio

3 结论

通过对试验数据的分析与整理，得出如下结论：

（1）不同周围压力对饱和粉质砂土的应力—应变关系曲线影响较大，周围压力越大，其所达到的峰值应力越大。而由偏应力比—应变关系曲线可知，周围压力对峰值偏应力比的影响较小，3种条件下，试样所达到的峰值偏应力比基本相同。

（2）振动频率对达到液化控制标准后饱和粉质砂土固结不排水单调剪切特性影响很小。粉质砂土试验前的相对密实度以及固结应力比均对其液化后大变形特性有一定影响，试验结果所反映的趋势是合理的。

（3）无论是哪种试验条件，试样在动力三轴试验过程中达到液化控制标准后，其对后期的单调剪切特性都将会产生非常显著的影响。在整个单调剪切过程中，试样一直呈现出应变硬化的特性，产生很小的正孔隙水压力后，孔隙水压力就向负的方向发展，试样始终处于剪胀状态，并最终达到稳定。

［1］ SEED H B.Landslides during earthquakes due to soil liquefaction［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundation Engineering，1968，94（5）：1055－1122.

［2］ HAMADA M，TOWHATA I，YASUDA S，et al.Study on permanent ground displacement induced by seismic liquefaction［J］.Computers and Geotechnics，1987，4（4）：197－220.

［3］ 张建民，时松孝次，田屋裕司.饱和砂土液化后的剪切吸水效应［J］.岩土工程学报，1999，21（4）：398－402.

［4］ 鲁晓兵.饱和砂土液化引起的变形研究［J］.中国造船，2002（1）：345－348.

［5］ 刘汉龙，周云东，高玉峰.砂土地震液化后大变形特性试验研究［J］.岩土工程学报，2002，24（2）：142－146.

［6］ 周云东，刘汉龙，高玉峰，等.砂土地震液化后大位移室内试验研究探讨［J］.地震工程与工程振动，2002，22（1）：152－157.

［7］ 张建民，王刚.砂土液化后大变形的机理［J］.岩土工程学报，2006，28（7）：835－840.

［8］ 刘汉龙，陈育民.动扭剪试验中砂土液化后流动特性分析［J］.岩土力学，2009（6）：1537－1541.

［9］ 陈育民，刘汉龙，邵国建，等.砂土液化及液化后流动特性试验研究［J］.岩土工程学报，2009，31（9）：1408－1413.

［10］ 张振东.江苏近海辐射沙脊群人工岛建设工程问题初探［J］.淮海工学院学报：自然科学版，2010，19（3）：89－92.