等应变循环加载下饱和含砾砂土的液化特性

邢明源，赵少飞

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

砾性土是指由卵石、砾、砂、粉粒、黏粒等部分或全部组成的砾粒含量从 0～100%的宽级配土，是砾质土、砾砂、粉砾土、砂砾土和砾类土的统称[1]。我国疆域辽阔，砾性土地理分布广泛。同时砾性土作为重要工程建设材料，由于它易于取材、工程造价低且具有抗剪强度高、剪切模量高及压缩性低的工程特性，常作为建筑物或构筑物或天然地基的土工填充材料。砾性土由于粒径较大、孔隙水压力消散较快，通常认为不会发生地震液化现象。然而，越来越多的国内外地震灾害实测资料证明砾性土在自然和人工场地都曾发生过地震液化现象。例如，1995年日本阪神地震[2]、1999年台湾集集地震[3]、2008年汶川地震[4]、2016年新西兰凯库拉地震[5,6]等震后现场勘测中均发现大规模砾性土液化现象，给人类生命安全和社会经济带来了巨大危害。

由于砾性土定义包含范围较广，因此，越来越多的国内外学者通过室内动三轴试验、离心机模型试验、振动台试验等对含砾砂土的振动液化特性进行研究。关于含砾砂土的液化机理，陈国兴等[7]指出含砾砂土在等向固结和非等向固结两种试验条件下对应着两类破坏机理，即含砾砂土有效应力下降至零的循环液化和发生较大累积轴向应变的循环失效。对于含砾量对液化特性的影响，饱和含砾砂土随着含砾量的增加含砾砂土抗液化强度呈现显著的非线性递增趋势[8]。王炳辉等[9]通过室内小型土箱振动台试验，分析了含砾量、土的相对密度对含砾砂土抗液化特性的影响，结果表明随着含砾量和相对密度增大，其抗液化性能而增加。Yamamoto等[10]对含砾砂土进行部分排水条件下的三轴循环试验，结果表明，在部分排水条件下的最小抗液化能力，可作为改良砂土的抗液化参数。Ghodrati等[11]利用动三轴仪研究了含砾砂土的动力特性，指出围压和含砾量是决定含砾砂土剪切模量和阻尼比的关键因素。Pender等[12]研究了渗透性对含砾砂土循环荷载下孔压积累与消散的影响。姜印熙[13]通过循环动三试验分析了含砾量对饱和砂土的液化特性影响，但采用了应力控制，当含砾量增加时液化所需循环次数过高，容易产生试样破坏。关于循环动三轴分析饱和砂土的液化特性问题，现有资料大多采用等应力控制，等应变控制下饱和含砾砂土的液化特性研究尚缺乏。

由于含砾砂土液化机理较为复杂，现场实测较为困难，室内试验成为了研究其机理的主要方法。就控制砂土中孔压的变化而言，应变比应力作用更为显著，而且孔压比与剪应变之间的关系比较稳定[14]。因此，本文在动三轴仪上采用等应变幅控制加载，进行固结不排水试验，分析不同含砾量、初始有效围压和轴向应变幅值对饱和含砾砂土液化特性的影响。

1 动三轴仪

试验采用张家港晟泰克智能仪器有限公司的动三轴实验仪，设备的围压采用气压提供，一定程度上缓解了循环荷载下围压的波动，气压的施加和卸载较快可以减少试验所需时间。同时，由于含砾砂土试样的砾粒直径最大达到5 mm，该设备可容许直径为61.8 mm的较大试样，更好的考虑含砾量的影响。设备主要技术指标见表1。

图1 动三轴仪

表1 动三轴仪的基本性能指标

2 试验方案

2.1 试验材料

选取粒径范围0.075～2 mm的福建标准砂作为基础骨架料，如图2(a)所示。筛选2～5 mm的三门峡黄河砂作为砾粒掺和料，如图2(b)所示。

图2 试验所用材料

将筛选出的2～5 mm的砾粒掺和料与0.075～2 mm的标准砂基础骨架料，采用质量配比法，按照表2的含砾量进行配比，得到含砾量分别为0%、10%、20%和30%共四种不同颗粒级配的含砾砂土料，并绘制级配曲线如图3所示。

表2 试验重塑含砾砂土料物理指标

图3 含砾砂土料级配曲线

所有试样的相对密实度Dr控制为0.5，分别采用土工试验方法标准[15]的振动锤击法和漏斗量筒法测定四种试样组的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin。根据式(1)，计算出控制干密度ρd。

(1)

2.2 试样制备

砂土重塑试样的三种主要制样方法[16]包括湿捣法、空中砂雨法、水中砂雨法。水中砂雨法是在容器内提前加入水，然后倒入干砂，得到的试样更容易饱和且较为松散。由于实验目的是为了研究饱和含砾砂土的液化特性问题，同时控制相对密实度Dr为0.5，所以本文选取水中砂雨法制备出直径为61.8 mm、高度为120 mm的试样。具体制备步骤为：

(1) 根据表2中的含砾量，配制出四种待用材料组。

(2) 根据试样尺寸和控制干密度，计算出含砾砂土试样所需的总质量，然后称取一个圆柱试样所需的含砾砂土料总质量，将其等分成4份。

(3) 在压力室内套好的橡皮膜中加入1/4高度的纯净水，加入1份含砾砂土料，轻微敲击对开模，依次加入另外3份，直至装样完成。

2.3 试验方案

利用动三轴仪对饱和含砾砂土进行了等应变控制下的动力特性研究。分析了含砾量、初始有效围压、轴向应变幅值对饱和含砾砂土的动力特性影响，得到含砾砂土试样的超静孔隙水压力比Ru的发展曲线和有效应力路径。设计了10种试验工况，见表3，在初始有效围压下采用等向固结，制备试样。

表3 试验方案

3 结果与分析

3.1 含砾量影响

对于掺入量分别为0%、10%、20%和30%四种工况，在初始有效围压为100 kPa的条件下，采用轴向等应变幅值为1.67%的循环加载，分析含砾量变化对含砾砂土液化特性的影响。试验结果如图4所示。

图4 含砾量对超静孔隙水压力比影响

在液化发生之前的几次循环加载过程中，每次循环加载后的超静孔隙水压力值都明显高于本次循环加载之前的值。这表明，含砾砂土试样的超静孔隙水压力没有及时消散，造成了含砾砂土试样的超静孔隙水压力累积，最后超静孔隙水压力比达到1.0，试样发生液化。对于不含砾的纯砂试样，如图4(a)所示，在第9次循环加载过程，当试样正向加载时超静孔隙水压力急剧上升，正向卸载时超静孔隙水压力开始小幅回落；当反向加载开始时超静孔隙水压力比开始重新上升，超静孔隙水压力比达到1.0发生液化，当开始反向卸载时超静孔隙水压力大幅下降。

图4表明，由于掺砾料的加入使得试样的超静孔隙水压力比上升趋于缓慢，表明砾粒的加入改变了砂土的渗透性。随着含砾量的增加，重塑含砾砂土试样液化所需振次也在增加，抗液化能力在增强。当含砾量为0%、10%、20%和30%时，试样发生液化所需振次分别为9次、14次、27次和51次，如图5所示。这表明液化所需振次随着含砾量的增加，呈显著非线性增加。

图5 含砾量与液化振次的关系

3.2 初始有效围压的影响

为了反映初始有效围压对含砾砂土液化特性的影响，对于含砾量为10%、轴向应变幅值为1.67%的条件，进行了含砾砂土试样在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四种围压下三轴试验。液化振动次数和有效应力路径试验结果，分别如图6、图7所示。

图6 围压与液化振次的关系

图7 不同围压下的应力路径

图6表明，随着有效围压的增大，液化所需的振次呈非线性增长，这说明试样的抗液化能力在增强。这是由于围压的增大使得试样更加密实，开始循环加载时相应的试样孔隙比变小。

根据图7可以得出，第一次加载时平均有效应力路径偏向右侧，试样出现剪胀。同时随着围压的增加，偏应力q的峰值越来越大了。这是由于两个方面原因，其一是制备土样的相对密实度为0.5，所制试样比较密实；其二是因为有效围压提高了试样密实度，所以发生1.67%轴向应变，产生剪胀，出现负的孔隙压力，平均有效应力p′随着偏应力q的增大而增大，相应的应力路径偏向右侧。

3.3 轴向应变幅值影响

为了反映轴向动应变幅值对液化的影响，在含砾量10%、初始有效围压为100 kPa的条件下，进行了幅值为0.83%、1.25%、1.67%和2.08%共四种工况的三轴循环试验，试验结果如图8所示。

图8 轴向应变幅值对超静孔隙水压力比影响

随着轴向应变幅值的增大，液化所需振次呈现非线性减少，当轴向应变幅值大于1.67%时趋于稳定，如图9所示。

图9 轴向应变幅值与液化振次的关系

4 结论

采用动三轴仪，进行了等应变幅控制循环加载下饱和含砾砂土的固结不排水试验，得到如下结论：

(1) 当重塑含砾砂土试样的含砾量在0～30%范围内，试样的液化振次随含砾量的增加呈现非线性增长趋势，表明其抗液化能力在增强。

(2) 随着等应变幅值的增加，重塑含砾砂土试样的超静孔隙水压力累积加快，试样发生液化所需的次数减少，并逐渐趋于稳定。

(3) 当初始有效围压增大时，试样的液化所需振次显著增加，表明试样的抗液化能力也在提高。

本文只考虑了含砾量为0～30%的饱和含砾砂土的液化特性问题，对较高含砾量时饱和含砾砂土液化特性缺少研究。后续研究将补充，同时考虑砾粒形状和制样方法对饱和含砾砂土液化特性的影响。