钙质珊瑚砂液化特性的动三轴试验研究

纪文栋，张宇亭，裴文斌，王 欢

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456)

我国倡导的一带一路战略，在国际上产生了重要的影响，随着21世纪海上丝绸之路建设的深入，沿线海洋开发亟待加速，其中人工岛礁的建设也进入了新的发展时期。现阶段珊瑚岛礁的建设主要采用人工吹填的方式，珊瑚砂作为人工岛礁建设的唯一原材料，其作为地基材料的力学性质是关注的重点，为此许多学者开展了一系列的研究[1-4]。

图1 珊瑚砂颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of coral sand

珊瑚岛礁位于大洋深处，其中的风浪条件复杂，每年经历多次的台风、风暴潮等极端天气影响，珊瑚砂的液化性质是其重要研究方向之一。孟庆山[5-6]开展了珊瑚礁钙质沉积物液化特性及其机理研究，运用现场扁铲侧胀试验和室内竖向一扭转循环耦合试验研究了珊瑚砂的液化特性。唐国艺[7]研究了东帝汶帝力市珊瑚砂地基的工程性质，指出相对一般石英砂的性质而言，珊瑚砂的标贯击数较低而相应的剪切波速相对较大，珊瑚砂在地震作用下液化的可能性较大。

本文应用英国GDS公司生产的振动三轴试验系统，对珊瑚砂进行不同振幅下的动三轴试验，研究珊瑚砂的液化特性，分析了珊瑚砂液化过程中孔压、滞回圈、偏应力等的变化规律，研究结果对支持一带一路人工岛礁的建设有重要意义。

1 试样及试验方案

1.1 珊瑚砂的基本性质

珊瑚砂主要由珊瑚骨骼、生物骨骼、贝类壳体等组成，它的组成成分不同于陆地上常见的砂。陆地上常见的砂是由二氧化硅组成，所以也常称为硅质砂或石英砂，而珊瑚砂的主要成分为碳酸钙，其钙质含量达90%以上。由于钙质材料本身具有硬脆的特性，所以珊瑚砂有易破碎的性质。同时珊瑚砂颗粒的内部微孔隙丰富，导致其整体孔隙率较高。

本试验的试样取自我国海南省三沙市，该珊瑚砂颗粒较细，其中2 mm以下的颗粒含量占到总质量的92%以上，偶有不均匀的大块珊瑚骨骼或贝壳。图1为试验试样的颗粒级配曲线，从颗粒级配曲线上看，该珊瑚砂试样颗粒分布较为均匀，不存在明显的缺失粒径。控制试样的密实度为30%。

1.2 试验方案

试验的荷载通过等幅应变方式施加，共进行了4个不同振幅的试验，振幅分别为0.2 mm、0.8 mm、1.6 mm、3.2 mm，分别对应于轴向应变为0.25%，1%，2%，4%。通过观察孔隙水压力变化和偏应力变化情况来判断试样是否进入液化状态。试验采用的振动频率都为0.5 Hz(图2)。

表1 试验方案Tab.1 Experiment scheme

图2 加载过程 图3 试样饱和示意图 Fig.2 Loading procedure Fig.3 Diagrammatic sketch of specimen saturation

试样饱和是动三轴试验的重要一环，本研究中采用如下的方法保证试样饱和度(图3)。首先将试样在抽真空状态下浸泡24 h，尽量使颗粒内部的空气排出。将试样装入动三轴试验仪器内，将上排水管口和下排水管口分别接入两个独立的压力体积控制器进行反压饱和。先关闭上部排水管阀门，用底部排水管连接的压力体积控制器进行反压饱和，待珊瑚砂内部的空气溶解于试样内的水中时，将上部排水管连通的压力控制器设置为低于反压值5 kPa的压力并将阀门打开，利用上下之间的压力差进行水循环，用无气水将溶解了较多气体的水替换排出。再重复反压饱和的过程，进行多次循环之后，可以实现B值达到0.99以上。

2 试验结果分析

在所进行的四种不同应变振幅的动三轴试验中，除0.2 mm没有出现液化现象，其余三个振幅的试验都出现了液化，下面分别对试验获取的偏应力、孔隙水压力、滞回圈的变化情况进行分析。

2.1 偏应力-时间变化

图4为四种不同振幅下的偏应力时程曲线。在0.2 mm振动幅值作用下，试样在经历1 000 s，共500个周期的循环后依然没有出现液化现象，为了显示效果，文章中只取了前550 s的数据。偏应力在经历了最初100 s的降低之后就一直保持在一个稳定值。随着振动幅值的变大，珊瑚砂到达液化状态所需要的振动周期越来越少，在振幅为3.2 mm下，只需要10个周期的振动，珊瑚砂就已经进入了明显的液化状态。在振幅0.2 mm和振幅0.8 mm的试验中，最大的偏应力都处于90 kPa左右，随着振幅的增大，最大偏应力也出现了明显的增长。

4-a 振幅0.2 mm 4-b 振幅0.8 mm 4-c 振幅1.6 mm 4-d 振幅3.2 mm图4 偏应力-时间关系Fig.4 Relationship between deviator stress and time

通过分析试验数据发现，珊瑚砂的偏应力和循环振次lnNf之间是线性相关，四种不同振幅下的拟合结果如图5所示。试验振幅由0.2 mm至3.2 mm所对应的Ks分别为-14.01、-57.54、-124.03、-207.77，所有拟合数据的决定系数都在97.5%以上。Ks的物理意义是某应变振幅下偏应力随循环振次降低速率，进一步分析Ks和应变振幅γ之间关系如图6所示，两者之间可以用式(2)的线性关系进行表达，可以看到随着应变振幅的增大，偏应力随振次循环次数降低的速率在明显增大，即表明随着振幅的增大珊瑚砂达到液化的振动周期数将会迅速减少。

σd=KslnNf+b

(1)

Ks=-51.66γ-7.20

(2)

2.2 孔隙水压力变化

图5 偏应力和振次之间的关系曲线 图6 Ks和γ之间关系 Fig.5 Relationship between deviator Fig.6 Relationship between stress and vibration number Ks and γ

在图7-a中可以看到，在较小的振幅下，珊瑚砂试样内孔隙水压力依然有明显的累积，在试验的前100 s内，孔隙水压力由0逐渐增长到6 kPa左右，随后孔隙水压力的增长速率明显下降，曲线趋于平缓，到后期基本稳定并不再增长，说明在此振幅作用下，珊瑚砂试样将不会进入液化状态。其余三个振幅下，孔隙水压力经历了一段时间的增长之后都接近了围压值，表明试样进入了液化状态，孔隙水压力的波动随着振幅的增大而变大。

7-a 振幅0.2 mm 7-b 振幅0.8 mm 7-c 振幅1.6 mm 7-d 振幅3.2 mm图7 孔隙水压力-时间关系Fig.7 Relationship between pore water pressure and time

8-a 振幅0.2 mm 8-b 振幅0.8 mm 8-c 振幅1.6 mm 8-d 振幅3.2 mm图8 偏应力和孔隙水压力的对应关系Fig.8 Corresponding relationship of deviator stress and pore water pressure

9-a 循环活动强度示意图 9-b 循环活动强度对比图图9 循环活动强度定量计算Fig.9 Quantitative calculation of cyclic mobility

分别将各试验中第10～11个周期的偏应力和孔隙水压力的变化情况展示为图8，可以看到在发生液化的试样中都出现孔压时程曲线在一个周期内波峰位置显现凹槽的情况，即在偏应力达到峰值时，孔压出现第一个波峰，随着偏应力的降低，孔压出现短暂的下降之后又重新升高，并在偏应力达到平衡位置时达到第二个峰值，此峰值孔压还会大于第一个峰值孔压。王艳丽[8]将此现象描述为一个振动循环中砂土剪缩一剪胀一卸荷体缩交替出现的现象，汪闻韶将这种前期累积体缩和后期加载剪胀与卸荷体缩的交替作用定义为饱和砂土在循环切作用下的循环活动性[9]。

循环活动性的明显特性为在一次加载-卸载的过程中孔隙水压力出现了两个峰值，因此通过两个峰值之间的面积来定量表征循环活动强度，如图9-a所示，应用此方法计算了各试验第10个周期中的循环剪切强度，其结果如图9-b所示。可以看到随着应变振幅的增加，珊瑚砂的循环剪切活动性在明显的增强。

2.3 应力应变关系分析

10-a 振幅0.2 mm 10-b 振幅0.8 mm 10-c 振幅1.6 mm 10-d 振幅3.2 mm图10 应力-应变关系Fig.10 The curves of stress-strain

图10所示为四种不同振幅下的应力-应变关系曲线，可以看到发生液化和未发生液化的应力-应变关系曲线形状具有明显差别。振幅为0.2 mm的试样未发生液化，在初始几个循环的荷载作用下，其应力应变滞回圈产生了明显缩小，说明试样在这个阶段产生了塑形变形，这正是珊瑚砂试样在振动作用下密实的过程，随着振动周期的增多，应力应变曲线滞回圈的变化越来越小，最后基本趋于固定形状，初始和最终的应力应变曲线形状有相似性。试样的塑形变形显著的存在于压应力加载和拉应力卸载阶段，压应力卸载和拉应力加载阶段应力应变曲线并无明显变化。在发生液化的试样中，初始阶段的应力应变关系曲线和未发生液化的试样较为类似，随着液化的逐渐发生，应力的变化幅值在显著减小，并逐渐逼近围压值附近，说明珊瑚砂逐渐丧失承载能力，有效应力明显降低，微小的应力变化即可以引起显著的应变变化。液化试样的应力应变关系曲线形状发生了根本性的改变，初始和最终的应力应变曲线形状差异巨大。

2.4 液化试样滞回圈的变化

以振幅3.2 mm为例，分析典型液化情况下应力应变滞回圈的变化情况如图11所示。发生液化的试样应力应变滞回圈具有明显的阶段性发展特性。在试验的前5个周期内，滞回圈的形状呈现出类三角形，在达到应力峰值后，随着试样转变为拉伸状态，试样的应力迅速衰减至轴向应变3.6%处，随后应力呈线性减小至应力最低值。滞回圈的面积随着振动次数的增加迅速减小，说明珊瑚砂试样内部结构发生破坏，产生大量不可恢复的塑形变形。随后滞回圈进入到第二个阶段，滞回圈的形状发生明显改变，由三角形逐渐转变为S形。压应力卸载阶段的应力应变曲线逐渐转变为直角状态，即压应力从峰值迅速衰减至零，然后在达到应变零点位置之前呈水平变化趋势。第三个阶段中，滞回圈中拉应力和压应力卸载阶段的形状不再发生变化，逐渐趋于统一的形态。但是在压应力和拉应力加载阶段，各滞回圈之间还有显著的差异，说明此时试样本身的强度还在逐渐衰减中。在最后的阶段，滞回圈已经趋于固定的形状，各滞回圈之间已无明显差异，说明试样本身强度和承载能力已经基本丧失，试样进入完全的液化状态。滞回圈呈现对称的S形，这也体现了试验设备中其它因素的影响，如橡皮膜、摩擦力等因素，由于这些影响因素在拉伸和压缩阶段的作用是相同的，所以滞回圈体现出较为对称的形态。

11-a 第1～5个周期 11-b 第6～10个周期 11-c 第11～15个周期 11-d 第16～20个周期图11 滞回圈的变化Fig.11 Changing processes of hysteresis loop

3 结论

本文开展了珊瑚砂振动三轴的试验研究，分析珊瑚砂发生液化情况下的偏应力、孔隙水压力、应力应变关系的发展规律，得出以下结论：

(1)轴向应变振幅为0.25%，1%，2%，4%的四组珊瑚砂动三轴试验中，只有应变振幅0.25%没有发生液化；偏应力降低速率Ks(随循环振次)与试验应变振幅γ之间符合线性关系，随着振幅的增大珊瑚砂达到液化的振动周期数将会迅速减少。

(2)试验中发生液化珊瑚砂都存在循环荷载作用下的循环活动性，通过两个峰值之间的面积来定量表征了循环活动强度，随着应变振幅的增加，这种活动性在明显增强。

(3)发生液化和未发生液化的应力应变曲线有显著的差异。未发生液化试样的应力应变滞回圈整体形态保持相似性，在经历初始阶段的减小后逐渐趋于稳定的形状。发生液化的珊瑚砂试样滞回圈具有明显的阶段性发展特性，由类三角形状态逐渐转变为对称的S形。

(4)珊瑚砂动三轴试验得到的应力应变滞回圈的变化可以反映出珊瑚砂试样的内部结构破坏、塑性变形、卸荷体缩、系统误差等信息。

致谢：感谢康永水副研究员对本文写作过程中的帮助。

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