粘粒含量对砂土静动力液化影响的试验

唐小微, 李涛, 张西文, 马玲

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116023；2.济南大学 土木建筑学院， 山东 济南 250022)



粘粒含量对砂土静动力液化影响的试验

唐小微1, 李涛1, 张西文2, 马玲1

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116023；2.济南大学 土木建筑学院， 山东 济南 250022)

摘要：含一定粘土颗粒的砂土在一定条件下易发生静态和动力液化的现象，且粘土对砂土的抗液化影响规律较为复杂。为了研究粘粒含量对砂土液化的影响规律，通过静力三轴仪和动力三轴仪试验系统，对粘粒含量分别为0%、5%、10%和15%的砂土进行试验。静力与动力的试验结果表明：粘粒含量对砂土抗液化性能的影响并不是单调的，存在一个粘粒含量值(5%～10%)使得砂土的抗液化性能最差。当粘粒含量小于5%时，粘粒会促进孔压的发展；当粘粒含量大于10%时，粘粒会抑制孔压的发展。不同含量的粘粒在砂土颗粒间分别起到润滑与粘结砂粒的作用。

关键词：粘粒含量；抗液化；液化试验；抗剪强度；孔压

1978年美国岩土工程学会将液化定义为“任何物质转化为液体的过程”[1]。根据土体承受荷载的不同，液化又可细分为静态液化与动力液化。关于静态液化，戴福初等[2]指出在饱和砂土的不排水三轴剪切试验中，砂土的抗剪强度迅速达到峰值，此时发生的应变很小(<1%)，之后又快速下降到一个很小的稳态值。在液化评价标准上主要分为2种,即Seed等[3]从应力状态角度出发提出的循环活动性准则，以及Roberston等[4]从位移角度出发提出的临界孔隙比准则。实际工程中的砂土里含有一定量的细粒，包括粉粒和粘粒。从细粒含量影响砂土抗液化性能的角度考虑时，因粉粒和砂粒性质比较接近，可以认为土的抗液化性能主要受粘粒含量的影响。关于细粒含量对砂土液化特性的影响，有学者提出随着细粒含量的增加，饱和砂土的抗液化能力会降低，这主要以Lade等[5]为代表。而Chang等[6]研究却发现随着细粒含量的增加，饱和砂土的抗液化能力会提高。衡朝阳等[7]研究指出，含粘粒砂土的动剪应力比与粘粒含量的关系呈下凹抛物线型。杨永香等[8]则对饱和砂土液化特性进行了可视化试验研究。为了更好的模拟实际场地中土体的侧限边界条件，许成顺等[9-10]利用动态土工真三轴仪对侧限条件下砂土的液化机理进行了研究。目前关于细粒含量对砂土液化特性的影响规律有很多结论，但普遍认为存在一个临界细粒含量使砂土抗液化能力最低，而关于临界细粒含量所处的范围有一些较大分歧。

本文先通过静力三轴试验，从影响砂土有效抗剪强度指标c′、φ′出发来探究临界粘粒含量的大小，再通过动力三轴试验对所得到的结果进行讨论与相互验证。最后同时从静力和动力角度对粘粒含量影响砂土的抗液化规律进行探讨。

1试验概况

1.1试验设备

静力部分采用应变控制式静力三轴仪[11]进行固结不排水试验(CU试验)，动力部分采用CKC全数字闭环控制气动式三轴仪(简称CKC动三轴仪)进行试验。用该仪器可进行等向与非等向固结试验、三轴压缩和拉伸试验、K0线性固结试验、动力三轴试验和任意应力路径试验等。

1.2 土样制备

试样的尺寸均为39.1 mm ×80 mm(直径×高度)，且都为重塑样。掺入砂中的粘粒为含Na基的商用膨润土，粘粒含量Pc分别为0%(纯砂)、5%、10%和15%。制样所用砂为经过粒径筛选(dmax<0.5 mm)的福建标准砂，该砂的级配曲线如图1。

图1　试验用砂的颗粒级配曲线Fig. 1　The curve of grain composition for the test sand

从图1可以看出，经过0.5 mm粒径筛选的福建标准砂的颗粒主要集中在0.1～0.4 mm的粒径范围内，土体的不均匀系数Cu与曲率系数Cc分别等于1.912和0.803，其级配不良。此外通过试验可以得到土体的比重Gs=2.627，最大干密度ρdmax=1.662 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.351g/cm3。

试验中所用全部试样均先通过湿装法进行制样，随后利用真空饱和法对其进行饱和。饱和完成后，需测孔隙水压力系数B，若达到95%以上，认为试样饱和。试样的制备、装样、饱和、固结等具体步骤参照《SL 237-1999土工试验规程》[12]。

1.3试验安排

试验中所有试样均采用20%的初始相对密实度，静力试验依次在50、100和200 kPa的围压下进行CU试验。试验采用静力三轴仪进行剪切，以应变控制的方式进行加载，剪切过程中加载速率为0.6 mm/min，直至试样的轴向应变达到25%时停止试验；动力试验采用应力控制的方式施加等幅半正弦形式的动荷载，荷载频率f=0.5 Hz，周期T=2 s，当达到1 000个应力循环后停止试验。

1.4破坏标准

土样破坏的标准包括：初始液化标准、应变标准以及极限平衡标准等。经验表明，土样中粘粒含量较少或粗颗粒较大时，易达到完全液化；而当粘粒含量较大或粗颗粒较小时，尽管土样已产生足够的变形，但测得的动孔隙水压力并不高。针对以上情形并结合试验设计方案，静力三轴试验中可以从偏应力与轴向应变的曲线中观察试样是否出现静态液化的现象，当试样轴向应变达到25%时停止试验；动力三轴试验采用应变标准：选取试样全幅应变达εf=5%为破坏标准。

2试验结果与分析

2.1静力试验结果

图2(a)、(b)、(c)分别为相同初始相对密实度情况下，4种不同粘粒含量的试样分别在50、100和200 kPa固结围压下的CU试验结果。

从图2(a)中的σ1-σ3～εa曲线可以看出，纯砂试样的应力-应变曲线呈现出先软化后硬化的特点，整体上表现为软化的特征，发生了静态液化；Pc=5%试样的偏应力在加载后迅速上升至峰值，之后又快速降至一个非常小的稳定值，发生静态液化的现象比纯砂更剧烈；Pc=10%试样的应力-应变曲线同样呈现出软化-硬化特征，但软化现象较弱，试样总体上表现为硬化，与Pc=5%试样相比，静态液化现象极大地减弱。当粘粒含量增至15%时，这种减弱现象变得更为明显。从图2(a)中u-εa曲线可以发现，加载初期Pc=5%试样的孔压迅速上升并接近围压，之后保持平稳，纯砂试样大约在轴向应变为15%左右孔压才慢慢达到峰值，且峰值低于5%粘粒含量的，之后孔压呈下降趋势；Pc=10%、15%试样的孔压曲线在整体走势上和纯砂类似，但峰值低于纯砂，峰值之后孔压的下降也比纯砂明显。

从图2(b)中σ1-σ3～εa曲线可以看出，各个粘粒含量试样的液化现象较图2(a)有所加剧。如图中纯砂试样的应力-应变关系曲线前期软化现象加剧，而后期的硬化现象较图2(a)有所减弱。由此可以看到100 kPa围压作用下纯砂试样的液化现象比50 kPa围压作用下纯砂的液化更为剧烈。而u-εa曲线中Pc=5%试样的孔压在加载初期依然上升很快并接近围压，之后一直保持平稳，而纯砂试样在加载初期的孔压增长速率小于Pc=5%试样的，加载后期当试样的轴向应变达到约17%左右时，纯砂试样的孔压上升到和Pc=5%试样的孔压几乎相同的水平，但仍低于Pc=5%试样的。随着应变的发展，孔压也出现了下降的趋势。因此纯砂试样对于孔压的积聚效应没有Pc=5%试样的显著。所以从以上试验结果可以看出，Pc=5%试样的液化现象比纯砂剧烈。

(a)50 kPa围压

(b)100 kPa围压

(c)200 kPa围压图2　不同围压作用下试样的CU试验曲线Fig. 2　Curves of CU tri-axial tests for specimens with different confining pressures

从图2(c)中的σ1-σ3～εa曲线可以看出，随着围压的增加，不同粘粒含量试样的液化现象进一步加剧，Pc=5%的试样在加载初期偏应力达到峰值后迅速降至接近为零的水平，静态液化现象最为明显。纯砂试样的应变软化-硬化特征更加显著，另外还可以发现Pc=10%、15%试样的应变软化-硬化趋势较图2(a)、(b)的都有所加剧。

从图2(a)～(c)中的u-εa曲线可以发现，各围压作用下的孔压线分布情况自下而上依次为5%、0%、10%、15%，而且各粘粒含量试样的孔压曲线初始斜率也按此规律依次减小。上述这些都说明粘粒含量对砂土静态液化的影响并不是单调的，而是存在一个界限值。小于界限值时，粘粒的存在会加剧静态液化；大于此值时，粘粒的存在会抑制静态液化。通过试验结果，利用摩尔-库伦强度包线可以求得各个粘粒含量砂土的有效抗剪强度指标c′、φ′，图3是c′、φ′随粘粒含量Pc的变化曲线。

图3　有效抗剪强度指标随粘粒含量变化的关系曲线Fig. 3　Curves of effective shear strength parameters versus clay content

从图3中可以看出，随着粘粒含量的增加，有效粘聚力c′一直在增大，而有效内摩擦角φ′先减小后增加，呈现出开口向上的近似抛物线型，存在一个最低值。由图可知，当粘粒含量大于10%时，c′和φ′均呈上升趋势，相应的有效抗剪强度是增大的；当粘粒含量小于5%时，φ′的值一直在下降，但c′几乎不变，因此相应的有效抗剪强度是减小的。据此，可以推断粘粒含量对砂土的有效抗剪强度的影响也近似呈开口向上的抛物线型，即存在一个界限粘粒含量，使得含粘粒砂土的有效抗剪强度最低，并且该值处于5%～10%。

图4为3种围压作用下各粘粒含量试样的有效抗剪强度。从图中可以看出，各围压作用下4种粘粒含量试样的强度曲线均呈开口向上的近似抛物线型，本次试验中各个粘粒含量的试样中有效抗剪强度的最低值出现在粘粒含量Pc=5%。因此可以揭示出粘粒含量对于砂土静态液化的非单调影响规律。

图4　土体有效抗剪强度随粘粒含量变化的关系曲线Fig. 4　Curves of effective shear strength versus clay content

2.2动力试验结果

为了探究粘粒含量对砂土动力液化的影响以及验证静力试验所得到的粘粒含量对砂土静态液化的影响规律，以下采用CKC动三轴仪对4种粘粒含量的砂土进行试验。图5～8给出了Pc=0%、5%、10%和15%的砂土在循环动荷载作用下的εa-N曲线以及u/σ3-N曲线，其中N为循环振次。

(a)不同荷载幅值下的εa-N曲线

(b)不同荷载幅值下的u/σ3-N曲线图5　不同荷载幅值下Pc=0%的试验结果Fig. 5　Results of tests under different loading (Pc=0%)

从图5(a)可以看到，纯砂试样在达到破坏时(εa=5%)，各个荷载幅值作用下试样破坏的循环振次差别较大，当荷载幅值为160.15 kPa时，试样几乎瞬间就破坏；当荷载幅值为159.28 kPa时，虽然该值与160.15 kPa相差甚小，但破坏时的循环振次差值已超过10次。当荷载幅值为156.92 kPa时，试样破坏时的循环振次与159.28 kPa时试样的破坏振次相差大约也为10次。当荷载幅值等于147.36 kPa时，试样破坏时所需的循环振次明显增加，将近100次。而从图5(b)中可以看到纯砂试样在破坏时，动孔压比平均都维持在0.7左右，荷载幅值为160.15 kPa时的动孔压比瞬间增大，而当荷载幅值为147.36 kPa时，动孔压比在将近80次的循环振次时上升到与荷载幅值为160.15 kPa的动孔压比相同水平。

(a)不同荷载幅值下的εa-N曲线

(b)不同荷载幅值下的u/σ3-N曲线图6　不同荷载幅值下Pc=5%的试验结果Fig. 6　Results of tests under different loading (Pc=5%)

从图6(a)可以看到，Pc=5%的试样在达到动态液化破坏标准时，动荷载幅值普遍低于纯砂，Pc=5%试样破坏时的最大动荷载幅值小于纯砂试样破坏时的最小动荷载幅值，并且试样破坏时的循环振次也较纯砂试样有所减少，纯砂试样破坏时的振次最多可达到接近100次，而Pc=5%试样破坏时的振次最多也只有60多次。从图6(b)可以发现，Pc=5%试样破坏时的动孔压比大多数都达到0.9，普遍高于纯砂破坏时的动孔压比，加之试样破坏时循环振次的减少，可以看出Pc=5%试样的u/σ3-N曲线斜率大于纯砂试样。由此可以说明，Pc=5%的试样在动荷载作用下液化现象比纯砂更为剧烈。

从图7(a)与图8(a)可以观察到，Pc=10%和Pc=15%的试样在破坏时的动荷载幅值又普遍高于Pc=5%试样的，且在某些情况下也高于纯砂试样破坏时的动荷载幅值，而从图7(b)与图8(b)中可以明显发现，试样破坏时的动孔压比都相当低，最高时也只有0.15左右，远低于Pc=5%试样与纯砂试样的动孔压比。这些都说明Pc=10%和Pc=15%试样的抗液化性能比Pc=5%试样的高。由此可以看出，粘粒随着其含量的不同，既能促使孔压的发展，也能抑制其发展。最后可以总结出粘粒含量对砂土动力液化性能的影响不是单调的。为了将粘粒含量对砂土动力液化的影响更加直观的表现出来，图9为4种粘粒含量试样发生液化时所需的循环应力比CSR和相应的循环振次N，并用线性拟合的方法对相同粘粒含量的试验点进行拟合，得到CSR-N曲线。其中循环应力比CSR的定义如下：

(1)

式中：σd为循环动应力，σ3为试样的固结围压。

从图9中可以看出，纯砂的拟合直线位于5%和10%粘粒含量的拟合直线之间，而最上端的直线则代表15%粘粒含量的试样。

(a)不同荷载幅值下的εa-N曲线

(b)不同荷载幅值下的u/σ3-N曲线图7　不同荷载幅值下Pc=10%的试验结果Fig. 7　Results of tests under different loading (Pc=10%)

(a)不同荷载幅值下的εa-N曲线

(b)不同荷载幅值下的u/σ3-N曲线图8　不同荷载幅值下Pc=15%的试验结果Fig. 8　Results of tests under different loading (Pc=15%)

图9　粘粒含量对砂土循环抗液化的影响Fig. 9　Influence of clay content on the cyclic liquefaction resistance of sand

通过以上静力和动力试验的结果可以看出，粘粒含量对砂土抗液化的影响并非是单调的，而是存在某个界限粘粒含量使得砂土的抗液化性能最差，而且该界限粘粒含量的范围处于5%～10%。小于5%时，随着粘粒含量的增加，粘粒的存在将促使孔压的发展，导致砂土的抗液化性能下降；大于10%时，随着粘粒含量的增加，粘粒的存在将抑制孔压的发展，砂土的抗液化性能随之增强。该结论可结合图10中试样的初始孔隙比随粘粒含量的变化曲线对砂土的液化机理进行解释。砂土中的粘粒是以点接触的形式分布在砂粒周围。当粘粒含量较低时，粘粒对砂粒主要起润滑作用，这种润滑作用使得砂粒在受外力时将沿粘粒发生滑动，这将导致粒间空隙减小，孔隙水压力上升，抗剪强度下降，最终发生液化。在低粘粒含量下，随粘粒含量的增加，试样的初始孔隙比呈现出下降的趋势，且在Pc=10%左右，试样的初始孔隙比达到最低。当发生剪切时，低粘粒含量试样的孔压积聚效应非常明显，所以液化现象比纯砂更剧烈。当粘粒含量增加至某一值时，粘粒对砂粒主要起稳固作用，这是由于随着粘粒含量的增大，粘粒包裹在砂粒周围。粘粒一方面胶结砂粒，另一方面调整自身结构，在整体上则表现出稳固砂粒的作用。此时随着粘粒含量的增加，砂性土逐渐向粘性土过渡。相同质量的粘土和砂土，前者孔隙比较后者更大，所以此时试样的初始孔隙比呈现出回升趋势，孔压的积聚效应减弱，试样抗剪强度增强，液化受到抑制。

图10　试样的初始孔隙比随粘粒含量变化的关系曲线Fig. 10　Curve of initial void ratio of specimen versus clay content

3结论

本文以含一定量粘粒的砂土为研究对象，进行了室内静三轴和动三轴试验，研究了粘粒含量对砂土抗液化的影响规律，可得出以下结论：

1)粘粒含量对砂土抗液化性能的影响并非是单调的。粘粒含量较小时，粘粒的存在将促使孔压的发展，使得砂土的抗液化性能下降，此时含粘粒砂土比纯砂更易发生静态或动力液化；粘粒含量较大时，粘粒的存在会抑制孔压的发展，使得砂土的抗液化能力提高。因此可以得出，静力或动力作用下，粘粒含量对砂土抗液化的影响规律都呈开口向上的近似抛物线型，即存在一个界限粘粒含量使砂土的抗液化能力最低，并且该值位于5%～10%。

2)粘粒含量对砂土抗液化的影响规律可以从粘粒与砂粒的接触情况进行解释：当粘粒含量较小时，粘粒主要起润滑作用，粘粒的存在使得砂土的抗液化能力降低；当粘粒含量较大时，粘粒主要起胶结砂粒的作用，这时土体表现出粘性土的性质，粘粒的存在使得砂土的抗液化能力增强。

3)围压对砂土的静态液化行为有较大的影响。在低围压下，粘粒含量为10%与15%的试样不会发生静态液化；随着围压的增加，各个粘粒含量试样的液化趋势由弱到强，不断加剧，因此砂土更易在高围压下发生静态液化。

4)确定界限粘粒含量的值无论是对于理论研究还是解决实际工程中有关土体的静态液化或者是动力液化的问题都有着非常重要的意义。由于本次试验只配制了四种粘粒含量的砂土试样，以上试验结果并没有确定出界限粘粒含量的具体值，而只给出了界限粘粒含量所处的范围，还有待于通过大量的含不同粘粒含量砂土的试验来验证。

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Experiment of effect of clay content on static and dynamic liquefactionof sand

TANG Xiaowei1, LI Tao1, ZHANG Xiwen2, MA Ling1

(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China; 2.School of Civil Engineering and Architecture, University of Ji’nan, Ji’nan 250022, China)

Abstract：Sand with a certain percent of clay is easily liquefied under static and dynamic loading. Clay has a complicated effect on the liquefaction resistance of sand. In order to study the influence of clay content on the liquefaction of sand, sand samples with different clay contents, 0%, 5%, 10% and 15% were investigated with static triaxial and dynamic triaxial test systems. Static and dynamic test results show that the clay content has a non-monotonic impact on the liquefaction resistance of sand. The liquefaction resistance of the mixture is poorest when the clay content is about 5%～10%. When the clay content is less than 5%, the clay promotes pore pressure development. When the clay content is more than 10%, the clay suppresses pore pressure development. Different contents of clay play roles of lubrication and cementation between sand particles.

Keywords：clay content; liquefaction resistance; liquefaction test; shear strength; pore pressure

中图分类号：TU441

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)03-332-07

doi:10.11990/jheu.201407073

作者简介：唐小微(1968-)，男,副教授,博士生导师;李涛(1989-)，男,博士研究生.通信作者：李涛，E-mail: 476693724@qq.com.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078062); 国家973计划资助项目(2011CB013605-2).

收稿日期：2014-07-29.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20150928.1009.006.html

网络出版日期： 2015-09-28.