钱塘江河口浅层粉土吹填后的动力特性试验

陈式华，栾姗姗，沈水进，方华建，马庆宏

（1．浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2．浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；3．桐庐县水利局，浙江 桐庐 315000）

1 问题的提出

浙江省钱塘江河口两岸地区多为粉土，在治江围垦的工程建设、围区开发过程中，常采用粉土作为填筑料。粉土是一种塑性较低的土层，其性质与粉砂相近，但同时又兼有黏性土的性质，虽然具有一定的可塑性但同时韧性又很低，强度也很低，相关工作者一般视其为过渡性土来考虑［1］。由于粉土颗粒组成的特殊性，水力吹填后结构不均匀，工程特性较差，在车辆、波浪或地震等动荷载作用下，循环剪切而造成液化的现象，直接影响海堤工程稳定与安全［2］。因此探讨粉土吹填后的动力特性，对堤坝运行管理具有重要的现实意义。

2 试验方案

试验用土取自钱塘江河口堤坝经水力冲填方法填筑的浅层粉土，通过钻孔取得原状土样。

试验所用仪器为国外引进的先进GDS计算机控制动三轴仪 （见图1～2），试验过程可实时监视，并记录储存试验过程中的土样孔隙水压力、轴向应力、应变等数据。

图1 GDS计算机控制动三轴仪图

图2 GDS高级压力控制器图

试样制备及试验方法参照SL 237—1999《土工试验规程》［3］。考虑粉土的排水固结比黏性土要快，试验固结时间定为72h左右。

具体试验方案见表1［4］。

表1 动三轴试验方案表

3 试验结果与分析

3．1 粉土的基本物理性质

经过对钻孔取得的原状土样进行基本物理性试验，试验结果如下：土样的比重为2．68；颗粒组成中粉粒 （0．075～0．005mm）含量占绝大部分为92．8%，而黏粒 （＜0．005 mm）含量为7．2%；液限含水率为34．3%，塑限含水率为24．5%，塑性指数为9．8，土的定名为粉土［3］。试验成果见表2。

表2 土的基本物理性质成果表

3．2 粉土的动力变形特性

在振动荷载作用下，粉土孔压的上升导致有效应力和抗剪强度降低，土体的变形增大，图3为试样1的轴应变时程曲线图。由图3可见，饱和粉土轴应变的发展是非线性的，呈现出3级阶梯型发展的趋势，即初始固结阶段、平衡固结阶段和剪切破坏阶段。第1阶段属于初始固结阶段，轴应变幅度较小；接着进入平衡固结阶段，变化幅度小，应变值趋于稳定；而在剪切破坏阶段，试样的轴应变幅度加大，很快达到破坏。这主要由于在第3阶段，饱和粉土中的孔隙水压力上升很快达到初始围压，有效应力减小，试样破坏。

图3 试样1的轴应变时程曲线图

3．3 粉土的动强度

由于粉土的变形不是瞬间产生并完成的，而是以一定的速度增长，故其应力—应变关系受时间的影响比较明显。根据应力状态的不同，吹填土的变形有时是极其缓慢的，最后趋于停止；有时又逐渐增长，直到最终破坏。图4为饱和粉土在不同振动频率下应力—应变本构关系曲线图。从图4中可以看出，轴向应力随轴应变的发展过程尽管有相似之处，但随着频率的增大，试样的动应力适当提高，说明试样达到破坏所需的振动次数也增多。

3．4 粉土的动力响应特性

图5为粉土在不同振动频率下振动次数与轴向应变之间的关系曲线图。由图5可见，随着振动频率的增大，土体的变形增大，在较少的振次下轴应变就达到了5%的破坏标准，也就是说频率越大，土体越容易发生液化或破坏。

图4 不同振动频率下轴向应变与应力的关系曲线图

图5 不同振动频率下振动次数与轴向应变的关系曲线图

3．5 孔隙水压力发展规律

图6为试样2的孔隙水压力的发展过程曲线图。可以看出，孔隙水压力的发展与图3中轴应变的发展过程有相似之处，试验开始后在前1／5时间内，孔隙水压力上升较快，很快达到102kPa，随后保持很长一段时间，直到在动荷载作用下，经历9～10次循环，孔隙水压力迅速上升到围压值 （即288kPa），达到剪切破坏的标准。

图6 试样2孔隙水压力发展时间过程曲线图

当用孔压比与振次比的关系表示孔隙水压力的发展规律时，试验结果见图7。从图7可见，在振动的前一段时间内孔压上升速度迅速，当振次比达到0．2以后，孔隙水压力增长渐趋缓和。在较高频率振动荷载作用下，且只需要几个振次试样的动应变就达到破坏标准，而此时孔压有一定的滞后性，尚未达到初始围压值，还需要几个振次时间后才能达到围压值。其孔隙水压力的增长规律可用3次多项式拟合，拟合曲线见图8虚线，拟合表达式为［5］：

式中：ud为孔隙水压力，kPa；σ3c为有效围压值，kPa；N为振动次数；Nf为破坏时振动次数；a、b、c、d为拟合参数。

图7 土样1的孔隙水压力随振次关系曲线图

当振动频率为0．5Hz时，各参数值如下：a＝2．003，b＝－4．466，c＝3．252，d＝0．073，通过拟合相关分析，得到相关系数R2＝0．979。

从图8可以看出，模拟的3次多项式曲线与实测曲线吻合良好，因此，粉土在低频率振动荷载作用下变形破坏过程中的孔隙水压力的发展规律可以用式 （1）来描述。

图8 土样1孔隙水压力发展规律图

以上试验中孔隙水压力发展规律表明，粉土在循环动荷载的作用下，其孔压经历了产生、发展、部分消散和累积的过程。在最初的振次内，饱和粉土的孔隙水压力急剧上升到最终孔压的50%～60%，然后逐渐稳定发展直至试样破坏。这主要是因为粉土的渗透系数较小，所以在动荷载施加初期，孔压不容易消散；而土体的孔隙率变小，会产生较大的体变，导致振动开始孔压急剧上升。另一方面，由于粉土中含有一定量的黏粒成分，使得其具有一定的结构强度和黏聚力，减缓了孔压的发展，致使振动后期孔压增长较缓慢直至趋于稳定。

4 结 语

通过动三轴试验分析了粉土的变形、强度、动力响应特性及孔隙水压力发展规律。从试验成果可知，粉土的轴应变随时间的发展是非线性的，呈现出3级阶梯型发展的趋势。频率是影响粉土应力—应变关系的重要因素，随着频率的增大，试样的动应力适当提高，说明粉土达到破坏所需的振动次数也增多。在动荷载的作用下，其孔压的发展在最初的振次内，会急剧上升到最终孔压的50%～60%，然后逐渐稳定发展直至试样破坏。

［1］吴波，孙德安 ．非饱和粉土的液化特性研究 ［J］．岩土力学，2013，34 （2）：411－416．

［2］刘瑞民，叶银灿，陈小玲．杭州湾浅层粉土动力特性研究［J］．海洋学研究，2013，31 （3）：49－54．

［3］南京水利科学研究院．SL 237—1999土工试验规程 ［S］．北京：中国水利水电出版社，1999．

［4］朱小可，胡敏云，朱烨．循环荷载作用下近海粉土工作性状的试验研究 ［J］．浙江工业大学学报，2008，36（2）：214－220．

［5］曾长女，刘汉龙，丰土根，等．饱和粉土孔隙水压力性状试验研究．岩土力学，2005，26（12）：1963－1967．