初始剪应力对汶川震区饱和砂土动力特性影响分析

黄思杰,曹久亭

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456；3.江苏中设集团股份有限公司，无锡 214072）

初始剪应力对汶川震区饱和砂土动力特性影响分析

黄思杰1,2,曹久亭3

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456；3.江苏中设集团股份有限公司，无锡 214072）

文章以汶川震区中密饱和砂土为研究对象，利用DDS-70动力试验系统，进行振动频率f=1Hz时，固结比分别为Kc=1.0、Kc=1.5和K′c=2.0条件下的固结不排水动三轴试验，分析了初始剪应力对汶川震区中密饱和砂土动力特性的影响，得出了如下结论：随着初始剪应力的增大，饱和砂土动孔压极值随之降低；在相同的围压和动应力作用下，随着初始剪应力的增大，饱和砂土动应变达到转折点所需的振次增大。在循环振次一定时，初始剪应力越大，其动强度越高；试样动强度均随着循环振次增加而降低的趋势，初始剪应力越大，降低的趋势越明显。

汶川震区；饱和砂土；初始剪应力；动力特性

我国是一个多地震国家，汶川地震给人类带来了巨大的灾难，也给工程界带来了新的问题和挑战，其液化震害是建国以来涉及范围最广、液化现象最为丰富的一次，具有喷水高、持时短、喷砂量少但喷砂类型多等特点，Ⅵ度区内场地深层土液化也是本次地震液化一个重要特征。汶川震区也存在大量高层建筑液化破坏现象，由于上部建筑物的存在，地基受到初始剪应力作用，目前初始剪应力对粘土动力特性影响研究较多，针对饱和砂土的相对较少，本文以汶川震区中密饱和细砂为研究对象，通过室内动三轴试验，分析初始剪应力对其动力特性的影响。

1 研究现状

蔡袁强[1]等研究认为初始剪应力对软粘土的动强度有一定的影响，其动强度随着初始剪应力的增大而减小；试样在等压固结时，动强度随破坏循环次数的增加而衰减缓慢；当初始剪应力较大时，其衰减缓慢。Tan[2]等研究认为初始剪应力大小对土体的动强度具有重要影响，初始剪应力较小时，具有预压作用，提高土体抗剪强度；当初始剪应力超过一定值时，会对土体颗粒间的相互粘结产生破坏作用，导致土体的强度降低。郭中华[3]研究认为循环荷载振次相同时，初始剪应力愈小，土体的动强度愈高；对不同的初始剪应力，土的动强度比随着循环振次的对数以近似相同的速率线性下降。而刘闻欣[4]等对重塑粉土试验得到其动强度随着固结比的增大而增大，固结比有1.0增加到2.0时，粉土的动强度增加45%。

马梅英[5]等研究认为初始剪应力使砂土存在剪胀的趋势，减小试样动孔隙水压力，从而提高土体的强度。张茹[6]研究认为任何材料都存在一个转折点固结比K'c，当Kc＞K'c时，由于初始剪应力较高导致剩余强度较低，动强度随着Kc的增大而降低；当Kc＜K'c时，该剪应力使土粒骨架趋于更稳定状态，动强度随着Kc的增大而增大，转折点与材料的性质和受力状态有关。

综合上述文献可知，初始剪应力对土体的动力特性具有一定影响，对不同土体动力特性影响并不一致。本文以汶川震区中密饱和砂土为研究对象，利用DDS-70动力试验系统，进行振动频率f=1 Hz时，固结比分别为Kc=1.0、Kc=1.5和K'c=2.0条件下的固结不排水动三轴试验，分析了初始剪应力对汶川震区中密饱和砂土动力特性的影响。

2 试验内容

2.1 汶川震区砂土基本物理指标

试验所用砂土取自汶川液化震区，依据《土工试验规程》（SL237—1999）对汶川震区砂土比重、最大、最小干密度及颗粒组成进行测试，该砂土定名为细砂，颗分曲线见图1，其基本物理指标见下表1。可见该砂土级配不良，易液化。

图1 颗粒分析试验曲线Fig.1 Experimental curves of particle analysis

表1 砂土基本物理指标Tab.1 Basic physical parameters of sand

2.2 试验仪器简介

试验所用仪器为北京宾达英创科技有限公司开发的DDS-70动三轴试验系统，能够测量出振动作用下试样的应力、应变和动孔压发展时程曲线。该试验系统可用于测试粘性土、砂土、黄土、粉土等的动强度、液化、动静模量、阻尼比等;根据排水条件，可进行不固结不排水、固结不排水剪和固结排水剪三类试验。可加载正弦波、三角波、方波等规则波。实验仪器见图2，主要技术指标见表2。

图2 DDS-70动三轴试验系统Fig.2 The DDS-70 dynamic triaxial test system

表2 DDS-70型三轴仪主要技术参数Tab.2 Main technology parameters of the DDS-70 triaxial apparatus

2.3 试验方案

（1）试样制备。本文采用试样规格为39.1×80 mm，相对密实度Dr= 0.45，即试样的干密度ρd=1.56 g/cm3。采用湿装成型法，试样含水率为20%，搅拌均匀，密封存放一夜。根据土样的干密度和预先设计的含水量确定每层土样的重量，分五层击实，各层接触面刮毛以保证上下接触良好，击实到相应高度。

（2）试样饱和。本文试验采用联合抽真空、通无气水方法饱和，饱和前使围压保持20 kPa，保持负孔压60 kPa左右，通入无气水进行循环饱和，当B值大于等于0.96时，认为试样饱和。在不排水条件下受到各向相等压力增量Δσ3时，产生的孔隙应力增量Δu1，其比值定义为孔隙应力系数B，B值越大，饱和度越大）

（3）围压。王维铭[7-8]汶川震区场地中调查发现，汶川地震饱和土层埋深主要分布在0.6～10 m，变化较大，平均3.6 m，4 m以下液化场地占54%，非液化场地占32%，平均埋深5.3 m，同时调查发现场地内存在埋深超过15 m的液化土层存在。液化场地下水位在主要在0.8～7 m，平均2.4 m，不超过3 m约占75%，且在2～3 m范围内最为集中。因此，本文取5 m、10 m和15 m三个埋深的土体作为研究对象，固结围压σ3=γh，即分别取50 kPa、100 kPa和150 kPa作为有效固结围压。

（4）初始剪应力。在本文中对不存在初始剪应力作用的土样采取等压固结，即固结比Kc=1；存在初始剪应力作用的土样，初始剪应力取围压的0.5倍和1倍，即固结比Kc=1.5和Kc=2。

（5）振动频率和循环动荷载振幅。现有室内地震模拟试验加载的频率大多在1 Hz左右，这与实际S波的卓越频率比较接近。Seed等效方法提出等效频率为1～2 Hz，结合本文试验仪器，振动频率f=1 Hz。

动荷载振幅应以能使试样的破坏振次分布在场地可能动荷载的等效破坏振次范围内。为了便于表示，本文用循环应力比r表示，即循环荷载幅值与2倍围压的比值。本文试验中循环应力比分别取0.5、0.4和0.3。

（6）试样的破坏标准。目前试样破坏标准以动孔压和动应变两个作为判别条件。本试验中选取当动孔压发展到围压或双幅应变达到5%作为破坏标标准，达到其中一个条件即认为砂土试样破坏。

3 初始剪应力对饱和砂土动孔压、动应变及动强度影响分析

3.1 初始剪应力对饱和砂土动孔压影响分析

图3为振动频率f=1 Hz时，围压σ3c分别为50 kPa、100 kPa和150 kPa条件下，不同初始剪应力下饱和砂土动孔压ud与循环振次N关系曲线。

图3中可以看出，汶川震区饱和砂土动孔压发展均随着循环振动次数呈单调增长的趋势，从发展来看，在循环加载初期，动孔压均是线性急速增长，随着循环振次的增加，动孔压持续上升，但增长速率明显减慢，最后试样发展到破坏。

图3 不同初始剪应力下试样孔压曲线Fig.3 Pore pressure curves under different initial shear stress

在相同的振动频率及围压作用下，当试样不存在初始剪应力时，动孔压发展曲线存在三阶段，第一阶段孔压发展较快，达到围压的0.4倍左右；第二阶段孔压发展变缓，达到围压的0.8倍左右，第三阶段发展比较迅速，孔压发展到围压，试样发生破坏；当存在初始剪应力作用时，动孔压的发展存在两个阶段，第一阶段发展较快，孔压达到一定程度后，发展开始变缓，直至试样发生破坏；相同循环振次N下，试样孔压随着初始剪应力增加而降低。可见初始剪应力对动孔压发展形态也有着一定的影响，且随着初始剪应力的增大，孔压发展速率随之减慢。从图3中可以看出，在围压为100 kPa时，固结比Kc=1时，动孔压的极限值接近100 kPa，在固结比Kc=1.5时，动孔压的极值则小于围压，达到85 kPa左右，固结比Kc=2时，则更低，只达到围压的60 kPa左右。可见看出随着固结比的增大，即初始剪应力的增加，汶川震区饱和砂土达到破坏时的动孔压极值越小。这是由于初始剪应力的存在导致砂土试样处于剪胀的状态，在动孔压发展过程中抵消了一部分的超孔隙水压力，初始剪应力越大，土样的剪胀作用就越大，对超孔隙水压力的抵消作用越大，因此在相同的围压下，固结比越大，动孔压发展到试样破坏时的极限值越小。

初始剪应力对汶川震区饱和砂土动孔压发展形态具有一定的影响，随着初始剪应力增大，孔压发展速率随之减慢，动孔压极值随之降低。

3.2 初始剪应力对饱和砂土动应变影响分析

图4给出了在振动频率f=1 Hz条件下，围压分别为50 kPa、100 kPa和150 kPa下，饱和砂土在不同固结比条件下轴向动应变εd与循环振次N关系曲线。

从图4汶川震区饱和砂土动应变发展曲线可以看出，在相同的振动频率、围压及动荷载作用下，其动应变发展趋势相似，在一定的循环振次范围内，试样应变发展越慢，当循环振次达到一定的振次N时，动应变出现急剧转折，轴向动应变开始大幅增加，很快达到破坏。对比不同固结比下动应变发展曲线可以看出，在相同的循环振次下，试样达到的应变随着初始剪应力的增加而降低；试样动应变出现转折点NP所需要的振次随着初始剪应力的增加而增加。分析认为由于初始剪应力存在使砂粒间接触更紧密，使试样存在剪胀趋势，会在一定程度降低动孔压的发展，使有效应力减小缓慢，因而随着初始剪应力的增大，土样的动应变增长越慢。

可以看出在相同振动频率、围压及动荷载作用下，其动应变发展速率随着初始剪应力的增加而降低；饱和砂土动应变转折点所需振次随着初始剪应力的增大而增大。

3.3 初始剪应力对砂土动强度的影响分析

图5在振动频率f=1 Hz时，不同围压下初始剪应力对饱和砂土动强度曲线。

由图5给出的饱和砂土动强度曲线可以看出，在循环振次一定时，初始剪应力越大，汶川震区砂土达到破坏所需要的动应力越高,即初始剪应力越大，汶川震区饱和砂土的动强度越高;试样在不同的固结比下动强度均表现随着循环振次增加而降低的趋势，初始剪应力越大，降低的趋势越明显。

图4 不同初始剪应力下动应变发展曲线Fig.4 Developmental curve of dynamic strain under different initial shear stress

图5 不同初始剪应力下饱和砂土动强度曲线Fig.5 Dynamic strength of saturated sand under different initial shear stress

4 结论

本文采用DDS-70室内动三轴试验系统，对汶川震区饱和砂土在振动频率f=1Hz条件下，进行了围压分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa，固结比Kc=1.0、Kc=1.5和Kc=2.0的固结不排水动三轴试验。分析了在相同振动频率、围压及动荷载作用下初始剪应力对其动力特性的影响，得到以下结论：

（1）初始剪应力对汶川震区饱和砂土动孔压发展形态具有一定的影响，随着初始剪应力增大，孔压发展速率随之减慢，动孔压极值随之降低。

（2）动应变发展速率随着初始剪应力的增加而降低；饱和砂土动应变转折点所需振次随着初始剪应力的增大而增大。

（3）在循环振次一定时，初始剪应力越大，汶川震区砂土达到破坏所需要的动应力越高,即初始剪应力越大，汶川震区饱和砂土的动强度越高；试样动强度均随着循环振次增加而降低的趋势，初始剪应力越大，降低的趋势越明显。

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Experimental study on effects of initial shear stress on dynamic characteristics of saturated sand of Wenchuan earthquake area

HUANG Si-jie1,2,CAO Jiu-ting3
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China;2. Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering, Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering, Tianjin 300456, China; 3. Jangsu Zhongshe Group Co., Ltd., Wuxi 214072, China)

Taking the saturated medium dense sand in Wenchuan earthquake area as the research object, the undrained dynamic triaxial tests were conducted on the sand with Kc=1.0, 1.5 and 2.0 using DDS-70 Dynamic Experiment System when the vibration frequency was 1 Hz. The effects of initial shear stress on the dynamic properties of the saturated medium dense sand in the Wenchuan earthquake area were analyzed. The results are as follows: the critical dynamic pore pressure of the saturated sand decreases with the increase of the initial shear stress. Under the same confining pressure and dynamic stress, it will need more vibration times for saturated sand to reach the turning point of the dynamic strain if the initial shear stress grows. The initial shear stress has a positive effect on the dynamic strength if the cyclic vibration times keep constant. The dynamic strength decreases with the increase of cyclic time, and this trend is more obvious when the initial shear strength is higher.

Wenchuan earthquake area; saturated sand; initial shear stress; dynamic characteristics

TU 435

A

1005-8443(2017)03-0299-05

2016-12-16；

2017-02-16

黄思杰（1987-），男，河南商丘人，助理工程师，主要从事土动力学方向研究。Biography:HUANG Si-jie(1987-),male,assistant engineer.