饱和掺砾砂土的动强度试验研究

张志昊

(漳州城投建工集团有限公司，福建 漳州 350600)

0 引 言

传统观念认为砂砾土颗粒较粗,砾石含量多,在地震中不会出现液化[1],而在近二十年来的多次大地震中均发现砂砾土的液化现象,如1999年台湾集集地震[2]、2008年中国汶川地震[3]等,因此砂砾土的动强度问题近年来成为国内外学者的研究焦点。此前国内外学者对饱和砂土的动强度问题开展了大量而广泛的研究,取得了丰富的研究成果[4-6]。而对砂砾土的动强度研究相对较少,Wong等[7]进行了饱和掺砾砂土的动强度三轴试验,证实了砂砾土的液化现象。Evans等[8]研究了掺砾量对砂砾土的动强度的影响,发现砂砾土的动强度随着掺砾量的增多而增大。王艳丽等[9]研究了含砾量对饱和掺砾砂土液化特性的影响,结果表明砂砾土的动强度随含砾量的增加呈单调递增趋势。王炳辉等[1]进行了砂砾土液化强度的振动台试验,发现饱和砂砾土的动强度随着含砾量和相对密度的增加而显著增大的现象。孙田等[11]研究了砾石形状对砂砾土动剪切模量的影响,发现圆砾砂砾土比角砾砂砾土具有更大的动剪切模量,且砂砾土动剪切模量最大值存在砾石含量的一个阀值。

1 试验方案

1.1 试样制备

试验所用材料为筛选江河砂砾石料,制备试样前需对砂砾石料进行筛分,分选出亚圆形、棱角形、片状3中不同形状的砾石,砾石粒径控制在2～5 mm,砂砾土物理力学性质见表1。试验所用的砂砾土均为重塑土样,由砾粒与沙粒分别按照不同配比重新配制而成,试验设计掺入的砾粒含量P5分别为15%,30%,45%和6%的4种级配的砂砾土,该级配曲线与中国唐山、台湾集集和日本阪神等国内外地震多发的液化砂砾土级配类似,相对具有一定的代表性。3种形状砾粒的砂砾土具有相同的级配曲线,如图1所示。

表1 砂砾土粒物理力学性质

图1 掺砾砂土级配曲线

1.2 试验原理

利用动三轴试验研究砂砾土的动强度特性,充分饱和砂砾土,等压固结后进行不排水剪切试验,振动周次设置为600次,循环动应力比CSR根据试验的动应力与有效围压来确定,CSR的公式为:

(1)

试验时需反复调整动应力比值,若试样刚振动便发生破坏,则须降低动应力比值,若试样振动周次达到600次未破坏,则须提高动应力比值。当试验加载的轴向应变达到εd=5%时,则试样破坏,试样的动强度从循环动应力σd与破坏振次Nf的关系中体现,即σd～lgNf曲线。

1.3 试验过程

本试验采用的仪器为GDS动三轴仪,如图2所示。该GDS动三轴仪主要由三轴压力室和平衡器、电控系统、制动系统、压力控制系统和微机系统组成,如图2所示。动强度试验为固结不排水动三轴试验,固结压力分别为100 kPa、200 kPa和400 kPa,对试样施加正弦波荷载,采用轴向应变控制,振动频率为1 Hz。试验过程中,试验数据由微机系统自动采集,记录下固结过程、动荷载、动应变的时程数据,最后需对数据进行后期处理。动三轴试验设计了8组动强度试验,共25个有效试样。

图2 GDS动三轴仪

2 试验结果及分析

2.1 掺砾量的影响

以棱角形掺砾砂土为例,不同围压下掺砾量对砂砾土动强度的影响CSR～lgNf曲线如图3所示。

图3 掺砾量对砂砾土CSR～lgNf的影响曲线

CSR与lgNf呈现较明显的线性关系,CSR值随振动次数逐渐降低,掺砾量越多,CSR值越大,表明掺砾砂土动强度随着掺砾量的增多而增大,并且随围压的升高这种趋势越来越明显,这是因为高围压使得颗粒间接触点增多,法向应力变大,砾粒之间咬合力增大,从而使得试样抵抗剪切破坏的能力提高。

2.2 动强度CRR

将试验在循环次数为15周次时试样发生液化所需CSR定义为土体CRR(土的动强度概念),绘制Pg与CRR关系曲线,如图4所示,可见围压对砂砾土CRR值影响较小,而掺砾量对CRR值影响较为明显,掺砾量越多,砂砾土的CRR值越大。

图4 掺砾砂土CRR-Pg的关系曲线

2.3 掺砾形状的影响

选取掺砾量为45%时,3种掺砾形状对砂砾土动强度的影响CSR～lgNf曲线如图5所示。

图5 掺砾形状对砂砾土CSR～lgNf的影响曲线

相对掺砾量而言,砾粒形状的影响相对较小,不同围压下,片状掺砾砂土显示出CSR值最大,而亚圆形掺砾砂土的CSR值最小,棱角形掺砾砂土介于两者之间,表明砾粒形状越不规则,砂砾土的动强度越大。

3 结束语

(1)CSR值随振动次数逐渐降低,掺砾量越多,CSR值越大,表明掺砾砂土动强度随着掺砾量的增多而增大,并且随围压的升高这种趋势越来越明显。

(2)围压对砂砾土CRR值影响较小，而掺砾量对CRR值影响较为明显，掺砾量越多，砂砾土的CRR值越大。

(3)亚圆形掺砾砂土动强度比片状的掺砾砂土强度低，掺棱角状砾砂土则比亚圆略高，比掺片状砾砂土略低。