黄泛区粉砂土动强度与抗液化强度试验研究

董正方, 王仁辉, 曹献伟, 张群生

(1. 河南大学 岩土与轨道交通工程研究所, 河南 开封 475004;2. 河南大学 河南省轨道交通智能建造工程技术中心, 河南 开封 475004)

0 引言

黄河在历史上多次改道,产生了大范围的黄泛区。黄泛区有大量粉砂土,这类土比较松散、颗粒均匀,相互之间的咬合作用较差,黏粒含量较低,在地震和车辆振动等荷载下极易发生破坏甚至液化,对地基造成严重破坏,不利于城市的建设。所以对黄泛区粉砂土进行动强度和抗液化强度试验研究是很有必要的。

目前已经有很多学者对土体的动强度和抗液化强度进行了研究。粉土方面:吴波等[1]利用动三轴仪对非饱和粉土进行动强度试验,分析了饱和度、动应力比及固结围压对非饱和粉土动强度特性和液化特性的影响。张艳美等[2]利用动三轴试验研究了有效围压、动荷载和粉粒含量等因素对饱和粉质土液化特性的影响。周正龙等[3]利用GDS空心圆柱仪进行了一系列循环扭剪试验研究饱和粉土的液化特性。张焕强等[4]利用FLAC3D软件开展了高地震烈度区粉土地基抗液化研究。

砂土方面:陈宇龙等[5]利用空心圆柱扭剪仪对含非塑性细粒的饱和砂土进行单调加载和循环扭剪试验,研究了不同细粒含量饱和砂土液化特性。杨瑞雪等[6]研究了黏性土对细砂土抗液化性能的改善作用。韩华强等[7]通过动三轴试验分析了砂土和水泥胶凝砂土在不同应力条件下的动力变形特性及抗液化特性。李博等[8]借助CKC循环动三轴仪,开展饱和不排水条件下掺有橡胶粉末的砂土试样的动力学特性研究,重点评估掺入的橡胶粉末对试样抗液化性能的影响。王忠涛等[9]通过不排水条件下的循环主应力轴旋转试验,分析了轴向偏差应力和剪应力的幅值及初始相位差对饱和砂土动强度的影响。Mehmet等[10]通过三轴压缩试验得出,当细粒土含量为0～20%且砂粒与细粒的平均粒径很小时,干净砂土的液化敏感性随细粒含量的增加而增大。

粉砂土方面:赵丽敏等[11]以河南开封地区粉砂土为研究对象研究其静力特性。来淑娜[12]通过对饱和粉砂土进行动强度试验,分析了荷载频率、固结比以及围压对粉砂土动强度的影响。孟凡丽等[13]以杭州典型粉砂土为研究对象进行固结不排水动三轴试验,研究了不同围压、频率和固结比条件下的循环荷载对杭州粉砂土动孔压增长的影响,分析了不同频率、不同固结比、不同围压作用下杭州粉砂土的孔隙水压力变化规律。

综上所述,土体的动强度和抗液化强度研究主要集中在砂土和粉土,对于粉砂土的研究相对较少。本文拟通过动三轴试验,研究不同围压、干密度、细粒含量对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响。

1 试验介绍

1.1 试验仪器

本次试验仪器采用英国GDS公司研制的GDS5Hz/10kPa双向振动三轴仪。该动三轴仪采用高速直流伺服马达施加动荷载,根据水下荷载传感器和位移传感器的反馈对荷载和变形大小进行控制,结合GDSLAB软件、围压控制器、反压控制器以及数据采集器完成围压和反压的控制以及整个试验过程数据的采集。

GDS动三轴仪包括:制动单元、外压力室、平衡器、围压控制器、反压控制器、高速数据采集和控制系统。该仪器适用于直径39.1、50、70、100 mm的试样,动态加载频率范围是0～5 Hz,动态轴压可加载±10 kN,精度为满量程的0.1%。位移量程为100 mm,位移分辨率为0.208 mm,轴向位移精确度为满量程的0.07%。以上均可满足试验要求。

1.2 试样制备

试验所用土样为黄泛区粉砂土,采用重塑土(图1),其基本物理指标列于表1,颗粒级配曲线见图2。试验采用直径39.1 mm、高度80 mm的重塑土试样。根据控制细粒含量20%、35%和45%,干密度1.55、1.60和1.63 g/cm3,含水率16.0%进行试样制备。

取1 kg扰动烘干土,按目标干密度和细粒含量计算和制备一组土样。以控制含水率16%、细粒含量35%、干密度1.6 g/cm3为例,具体数据列于表2。

图1 扰动粉砂土Fig.1 Disturbed silty sand

表1 黄泛区粉砂土物理力学性能

图2 土样颗粒级配曲线Fig.2 Particle grading curve of soil sample

表2 试样各组分重量

用天平称取对应质量的细粒土和水,其中细粒土(粒径小于0.075 mm)由烘干扰动土在土体筛分机上振筛20 min得到,制备试样所需细粒土质量由总土质量乘以细粒含量计算得出;然后将土和水在容器里搅拌均匀,盖上湿布,并静置12 h;取静置后的土样进行两个位置的含水率检测,并与目标含水率进行比较,误差小于2%;最后取静置后的土样,按试样目标重量用天平称取相应质量的土样,用土样击实器分三层击实,每层击实后要刨毛。制备成型的试样如图3所示。

图3 成型土样Fig.3 Produced soil sample

本文选取开封地区黄泛区粉砂土为研究对象,主要考虑围压、细粒含量和干密度对粉砂土动强度和抗液化强度的影响。每个影响因素设置3个水平,具体信息列于表3。

表3 动强度和抗液化强度影响因素及其水平

进行粉砂土动强度和抗液化强度试验时,每个影响因素的3个水平均参与试验,共设置27个工况。试验时,动荷载加载频率为0.5 Hz,每个工况至少设置3个试件。

1.3 试验方法

将制备好的试样安装到动三轴底座上,通过动三轴仪对试样进行反压饱和。当孔隙水压力系数达到0.95以上时,认为试样的饱和度已满足要求。接下来进入固结阶段,当试样的反压体积平稳变化或轴向应变保持5 min不变时,认为试样固结完成。对固结完成的试样施加一定动荷载幅值σ1的正弦波(图4),当试样振动N1周达到液化破坏标准时停止试验并修改数据储存的名称,破坏后的试样见图5。对相同条件下的第二个试样用另一个动荷载幅值σ2的正弦波进行试验,得到破坏周数N2。使用同样的方法对第三个试样施加动荷载幅值σ3的正弦波,得到破坏周数N3。用三个试样的数据资料可以得出动应力与破坏周数的变化曲线,即σd-Nf曲线。当破坏标准为动强度破坏标准时,σd-Nf曲线为动强度曲线;当破坏标准为抗液化强度破坏标准时,σd-Nf曲线为抗液化强度曲线。

图4 施加的动荷载Fig.4 Applied dynamic loads

图5 土样破坏前后对比Fig.5 Comparison of soil samples before and after failure

1.4 破坏标准

根据文献[14],选用试样受循环动荷载时首次出现孔隙水压力增值达到初始固结围压作为土体抗液化强度的破坏标准,选用试样受循环动荷载时双幅轴向应变达到5%作为土体动强度破坏标准。

2 结果分析

张艳美等[2]选用有效围压、动荷载和粉粒含量作为影响因素研究其对饱和粉质土液化特性的影响。来淑娜[12]选用荷载频率、固结比以及围压作为影响因素研究其对粉砂土的动强度的影响。Martin[15]选用细粒含量和干密度作为影响因素。基于此,本次试验研究围压、细粒含量和干密度对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响,设置了50、100和150 kPa三个围压,20%、35%和45%三个细粒含量,以及1.55、1.60和1.63 g/cm3三个干密度。

2.1 围压对粉砂土动强度和抗液化强度的影响

保证干密度和细粒含量不变,分析围压对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响。试验结果如图6、图7所示。

图6是试件在不同围压下的动强度曲线。从图中可以看出,围压对黄泛区粉砂土动强度的影响较大,且规律很明显,即在其他条件一定时,围压较大时动强度曲线始终位于上方,随着围压的减小动强度曲线依次降低,但动强度并不是随着围压的增减呈等间距增减的变化趋势。围压是用来模拟土体的埋深,不同埋深土体的密实度不同,抗剪强度也不同,埋深越大土体的抗剪能力就越强,试验数据结果符合该规律。这是因为随着围压即埋深的增加,粉砂土颗粒之间的间隙越来越小,颗粒之间接触越来越密实,颗粒之间的黏结力也越来越大,抗剪能力就会提高,所以围压越大粉砂土的动强度越大。但由于粉砂土颗粒成分等因素的影响,颗粒之间的密实度并不是随围压的增减出现成比例增减,这就导致其抗剪能力并不是随围压增减出现等比例增减的趋势,通过试验反映出来就是动强度并不是随围压的增减而成比例增减。

图6 不同围压下动强度曲线Fig.6 Dynamic strength curves under different confining pressure

图7 不同围压下抗液化强度曲线Fig.7 Anti-liquefaction strength curves under different confining pressure

图7是试件在不同围压下的抗液化强度曲线。可以看出,抗液化强度曲线和动强度曲线有类似的变化规律,只是达到相应破坏标准时的动应力不同。粉砂土达到抗液化强度破坏标准时的动应力随围压的增加而增大,但动应力并不随围压呈现等间距增加趋势。动三轴试验测得粉砂土的抗液化强度随围压的增加而增大,这是因为随着围压的增加,土体受到挤压增大,土体颗粒间的空隙越来越小,相应的饱和土的孔隙水压力就越来越小,土体的抗液化能力会得到提高,故抗液化强度会增大。

2.2 干密度对粉砂土动强度和抗液化强度的影响

保证围压和细粒含量不变,分析干密度对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响。实验结果如图8、图9所示。

图8 不同干密度下动强度曲线Fig.8 Dynamic strength curves under different dry density

图9 不同干密度下抗液化强度曲线Fig.9 Anti-liquefaction strength curves under different dry density

图8是试样在不同干密度下的动强度曲线。从图中可以看出,在其他条件相同时,黄泛区粉砂土的动强度随干密度的增加而增大,随动荷载振动次数的增加而减小。干密度模拟土体的密实度,干密度越大土体越密实,土颗粒之间的作用力就越强,达到动强度破坏标准所需的动应力就越大,故动强度随干密度的增加而增大。

图9是试样在不同干密度下的抗液化强度曲线。从图中可以看出,在其他条件相同时,黄泛区粉砂土的抗液化强度随干密度的增加而增大,随动荷载振动次数的增加而减小。因为随着干密度的增加土体的密实度相应提升,土体颗粒间的空隙越来越小,孔隙水压力也越来越小,土体颗粒间就越不容易发生相对错动,土体的抗液化能力会得到提高,故抗液化强度随干密度的增加而增大。

2.3 细粒含量对粉砂土动强度和抗液化强度的影响

保证干密度和围压不变,分析细粒含量对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响。实验结果如图10、图11所示。

图10 不同细粒含量下动强度曲线Fig.10 Dynamic strength curves under different fines content

图11 不同细粒含量下抗液化强度曲线Fig.11 Anti-liquefaction strength curves under different fines content

图10是试件在不同细粒含量下的动强度曲线。从图中可以看出,在其他条件相同时,黄泛区粉砂土的动强度并不是随细粒含量的变化呈单调变化,而是当细粒含量达到一定量时动强度达到最低点。本次试验中,细粒含量达到35%时粉砂土表现出动强度最低,且动强度随动荷载振动次数的增加出现减小的趋势。当粉砂土的细粒含量小于35%时,细粒在土体结构中起到润滑的作用,且润滑作用会随细粒含量的增加而增大,此时土体的动强度随之降低;细粒含量超过35%后,细粒土之间的连接作用慢慢变强,其润滑作用慢慢消失,细粒土开始阻碍土体颗粒的相互错动,粉砂土的动强度也随之加强。

图11是试件在不同细粒含量下的抗液化强度曲线。从图中可以看出,黄泛区粉砂土的抗液化强度曲线和动强度曲线有相同的变化规律,即在其他条件相同时,抗液化强度并不是随细粒含量的变化呈单调变化,而是当细粒含量达到一定量时粉砂土的抗液化强度达到最低点。在本次试验中,细粒含量达到35%时粉砂土表现出抗液化强度最低,且抗液化强度随动荷载振动次数的增加出现减小的趋势。粉砂土的细粒含量小于35%时,细粒在土体结构中起到润滑的作用,在动荷载作用下土体颗粒更容易发生相对错动,且润滑作用会随细粒含量的增加而增大,此时土体的抗液化强度也随之降低;而细粒含量超过35%后,土颗粒之间的黏结力变强,不易发生相对错动,粉砂土的抗液化强度也随之加强。

对于粉砂土的抗液化强度试验,范基春[16]和杨举朋[17]分别研究了干密度和细粒含量以及干密度和围压对粉砂土抗液化强度的影响,发现抗液化强度随干密度和围压的增加而增大,随细粒含量的增加先减小后增大,且当细粒含量为40%时抗液化强度最低。本次试验得到的围压、干密度和细粒含量对黄泛区粉砂土抗液化强度的影响规律与之相似,但范基春发现当细粒含量为40%时粉砂土的抗液化强度最低,而本试验得到的细粒含量为35%。初步分析是由于不同地区粉砂土的结构成分不同,比如黏粒含量不同、造成抗液化强度最小时细粒含量不一样,具体原因还有待进一步研究。

3 结论

通过动三轴试验,研究了围压、干密度、细粒含量对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响,得出如下结论:

(1) 黄泛区粉砂土的动强度和抗液化强度均随围压和干密度的增加而增大。

(2) 黄泛区粉砂土的动强度和抗液化强度均随细粒含量的增加出现先降低后增加的变化趋势,且细粒含量为35%时动强度和抗液化强度最小。

(3) 动荷载振动次数随动强度和抗液化强度的减小而增加。

(4) 黄泛区粉砂土抗液化强度比动强度大说明粉砂土双幅轴向应变达到5%后仍具有一定承载能力。