[转贴]：饱和砂砾料液化特性的试验研究

触电

饱和砂砾料液化特性的试验研究

王昆耀1 常亚屏1 陈 宁1
(1.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所)
http://www.chinawater.net.cn/journal/slxb/200002/07.html

摘 要：本文通过大型动三轴往返加荷试验(试样尺寸30×75cm)，研究了不同含砾量35%、50%、65%、80%和不同排水条件对饱和砂砾料液化特性的影响。研究结果表明，在不排水条件下，以初始液化作为破坏标准，含砾量不同对饱和砂砾料的抗液化强度影响不大；而在排水条件下，饱和砂砾料的抗液化能力则随着含砾量的增大而提高。排水条件下饱和砂砾料的动强度比不排水条件下的要高得多，而变形则明显小于不排水条件下的变形。

关键词：饱和砂砾料；液化；含砾量；排水条件

本文于1999年2月23日收到。

　　我国已建的土石坝中，有不少是用砂砾料或部分用砂砾料填筑的。另外，土石坝坝基中也常含有相当厚的砂砾石层或砂砾石夹砂层。在实际地震时，由于饱和砂砾料的液化导致土石坝砂砾料坝坡发生滑动破坏的情况并不少见，如1975年海城地震时石门水库心墙土石坝上游砂砾料坝壳水下部分和1976年唐山地震时密云水库白河主坝粘土斜墙上游砂砾料保护层都发生了大规模液化流滑现象，促使人们对饱和砂砾料振动液化问题研究的重视。八十年代初，刘令瑶等(1982)[1]和汪闻韶等(1986)[2]曾通过室内圆筒振动试验和中型振动三轴仪试验(试样尺寸10×23cm)对饱和砂砾料的振动液化特性进行了研究，得出一些有工程实用意义的结论。本文通过大型往返加荷三轴试验(试样尺寸30×75cm)，进一步研究了不同含砾量(P5=35%、50%、65%、80%)和不同排水条件对饱和砂砾料振动液化特性的影响，所得结果对土石坝的抗震设计有重要的参考价值。

1 试验土料与试验仪器

　　试验土料采用瀑布沟坝基覆盖层砂砾料，其颗粒级配如图1和表1所示。用P5(>5mm的颗粒含量)或P2(>2mm的颗粒含量)来表示含砾量。这些级配曲线的一些特征粒径值、不均匀系数Cu、曲率系数Cc和土的分类如表2所示。根据《土的分类标准》[3]级配②③④均定名为级配不良砾(GP)，级配①定名为级配不良砂(SP)，且都缺乏1～5mm的中间粒径。下文中，将级配②③④称为砾类砂砾料，级配①称为砂类砂砾料。
图1 试验土料颗粒级配曲线


　　试验时，采用相同的相对密度Dr(为0.51～0.54)和最大粒径dmax＝60mm，制样干密度ρd如表3所示，表中的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin系根据文献[4]规定的方法确定的。有效围压力σ′3采用200kPa，固结比Kc采用1.0。

   表1 试验土料的级配(土粒直径以mm计)
   

--------------------------------------------------------------------------------

级配?编号  含砾量P5(%)  含砾量
P2(%)  颗粒组成(%)


--------------------------------------------------------------------------------

<60  <40 <20 <10 <5 <2 <1 <0.5 <0.1

--------------------------------------------------------------------------------

①
②
③
④  35
50
65
80 38.2
52.5
66.7  81.0  100
  100  
100
100   93.1   90.2
  87.2  84.2  84.2  77.4 70.6
63.8    73.9    62.8 51.6
40.4  65.0  50.0 35.0 20.0  61.8  47.5
33.3
19.0     56.7    43.6
30.5
17.5 45.4
34.9
24.4
14.0 3.2
2.5
1.7
1.0

--------------------------------------------------------------------------------


  表2 试验级配的特征粒径值及土的分类
   

--------------------------------------------------------------------------------

级配编? 含砾量
P5(%) 含砾量
?P2(%)  d50/mm  d60/mm
d30/mm  d10/mm  Cu Cc  土样分类

--------------------------------------------------------------------------------

①
②
③
④  35
50
65
80    38.2  
  52.5  
66.7
81.0 0.66
5.0
9.4  
13.3  1.61
8.7
13.7
18.0 0.28   
0.40
0.95
7.0  0.13
0.15
0.18
0.32 12.4   
58.0
  76.1  
  56.2    0.37  
0.12
0.37
8.51  SP
GP
GP
GP

--------------------------------------------------------------------------------


表3 试样控制干密度
  

--------------------------------------------------------------------------------

级配编号 含砾量 P5(%) ρdmax/(g·cm-3)  ρdmin/(g·cm-3) ρd/(g·cm-3) Dr

--------------------------------------------------------------------------------

①
②
③
④ 35
50
65
80  2.155
2.225
2.315
2.147 1.850
1.955
2.001
1.965  2.00
  2.09
2.15
2.06 0.53
0.53
   0.51
0.54

--------------------------------------------------------------------------------


　　本文试验均是在大型动三轴试验机上进行的，试样直径为30cm，高为75cm.试验方法为：干法制样，采用抽气饱和法使试样饱和，然后施加初始应力使其固结稳定，再在不排水条件或排水条件下施加动应力σd，通过适当的传感器和数据采集系统测记动应力、动孔压和动变形过程线。

2 试验结果与分析

2.1 含砾量对试样密度的影响 根据表3中的数据，可得到试验土料的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin与含砾量P5之间的关系，如图2所示。可以看出，最大干密度和最小干密度在含砾量约为65%时达到最大值，说明砾石颗粒在这个砾石含量下可能形成稳定的骨架，细颗粒基本上充填了砾石骨架的空隙；当含砾量小于65%左右时，最大和最小干密度随着含砾量的增多而增大，说明含砾量大约在0～65%之间，砾石颗粒随含砾量的增多，由漂浮在细颗粒中到逐步形成稳定的骨架；当含砾量大于65%左右时，随着含砾量的增加，最大和最小干密度值减小，说明砾石颗粒虽然形成了骨架，但细颗粒并未完全充填砾石颗粒之间的空隙。从孔隙比的角度来看，图2也表明在同样的相对密度情况下，孔隙比在含砾量约为65%时最小。

2.2 含砾量对饱和砂砾料液化特性的影响 对于4种不同含砾量的砂砾料试样在同一相对密度(约0.52)情况下进行了饱和固结不排水往返加荷三轴试验。以试验得到的动孔压过程线上动孔压首次瞬间达到有效围压力σ′3(称为初始液化)作为破坏标准来整理试验结果，可得到试样45°剪切面上的动剪应力比Δτ/σ′0(也称动强度比)与破坏振次Nf的关系曲线，如图3所示，σ′0、Δτ分别为试样45°剪切面上的初始有效法向应力和动剪应力。从试验中可观察到，在不同动应力和往返加荷次数下，不同含砾量的饱和砂砾料试样都可以达到初始液化。但含砾量不同，试样达到初始液化后，在往返荷载继续作用下的变形性状是不同的。含砾量为35%和50%的试样，初始液化后变形快速发展至破坏；含砾量为65%和80%的试样，初始液化后变形速率虽加快，但表现为有限变形的循环活动性。




图2 最大和最小干密度与含砾量的关系



图3 动剪应力比与破坏振次的关系

图4 动强度比与含砾量的关系


　　从图3可以看出，对于含砾量P5分别为50%、65%和80%的砾类砂砾料而言，当破坏振次Nf小于40次左右时，含砾量P5不同，其Δτ/σ′0表现出一定差别，这种差别随着破坏振次的增大而减少，Nf大于40次左右时则Δτ/σ′0几乎没有差别；与含砾量P5为35%的砂类砂砾料比较，砾类砂砾料的Δτ/σ′0要大一些。总的来看，在不排水条件下饱和砂砾料的动强度比随着含砾量的增大而有所增大，但增大的程度有限。图4和表4给出了4种含砾量的砂砾料在N?f分别为5、10、20、30次时的动强度比。可以看出，含砾量P?5=80%的动强度比值较P5=35%的高5%～10%，较P5=50%的高1%～6%.可以认为，在不排水条件下，饱和砂砾料的含砾量对其动强度比影响不大。

表4 不同含砾量的动强度比Δτ/σ′0值
  

--------------------------------------------------------------------------------

含砾量P5(%)
（Δτ/σ′0）80%
  （Δτ/σ′0）80%

破坏振次Nf
  
--------------------------------------------------------------------------------
  
--------------------------------------------------------------------------------

  (Δτ/σ′0)35%?
  (Δτ/σ′0)50%?

80 65  50  35   

--------------------------------------------------------------------------------

5
10
20
30  0.409
0.381
0.365
0.357  0.395
0.373
0.360
0.355 0.385
0.366
0.357 0.353 0.370
  0.358   0.347
0.341 1.105
1.064
1.052
1.047  1.062
1.041
1.022
1.011

--------------------------------------------------------------------------------


　　图5给出了4种含砾量的饱和砂砾料试样在不排水条件下振次N=5时的动孔压比Δu/σ′3与动剪应力比Δτ/σ′0的关系曲线。可以看出，在相同动剪应力比Δτ/σ′0作用下，含砾量较大者，其动孔压比Δu／σ′3较小，这也说明了饱和砂砾料动强度比随含砾量增加而增大的原因。图6给出了四种含砾量的饱和砂砾料试样在不排水条件下振次N＝5时的往返轴向应变εa与动剪应力比Δτ/σ′0的关系曲线，从趋势来看，当动剪应力比Δτ/σ′0小于0.25左右时，含砾量不同对往返变形的影响不大，而当Δτ/σ′0大于0.25左右时，在相同Δτ/σ′0作用下，含砾量较大者，往返变形较小，含砾量65%与含砾量80%的往返变形相当接近。

　　刘令瑶等(1982)[1]和汪闻韶等(1986)[2]曾对饱和砂砾料试样进行了圆筒排水振动液化试验研究，表明边界自由排水条件下液化度随含砾量P5的增大而减小，渗透系数则随P5的增大而增大，尤其是含砾量P5大于60%左右时，渗透系数随着P5的增大而显著增大，液化度则随含砾量P5的增大而显著降低。考虑由于渗透系数的增大，从而减少了孔隙水压力的增长量，并结合上述含砾量对饱和砂砾料不排水条件下液化强度影响的研究结果，可以认为在边界自由排水条件下含砾量对饱和砂砾料的液化特性有明显影响，含砾量越高，饱和砂砾料抗液化能力越强。

2.3 排水条件对饱和砂砾料液化特性的影响 对含砾量P5为80%的饱和砂砾料试样还进行了固结排水条件下的往返加荷三轴试验，以探讨排水条件不同对饱和砂砾料液化特性的影响。试验时，先让饱和砂砾料试样在固结应力作用下排水稳定，然后再在允许试样顶部和低部充分排水条件下施加往返荷载，同时测记试样的动应力、动孔压和轴向变形。由于试样的含砾量较高，往返加荷频率较慢(0.1Hz)，试验中可以看出，试样仅在往返加荷开始后的前二次有动孔压Δu产生，其Δu/σ′3的最大值为0.05，随后迅速消散，在第四次消散为零。制样时相对密度采用0.54。



图5 动孔压比与动剪应力比的关系

图6 轴向应变与动剪应力比的关系



图7 不同排水条件对动剪应力比与轴向应变关系的影响


　　图7分别给出了不同排水条件下振次N=5、20时的动剪应力比Δτ/σ′0与往返轴向应变εa的关系曲线。可以看出，当初始应力条件(σ′3、Kc)相同时，在某一振次下，动剪应力比Δτ/σ′0小于某一值(σ′3为200kPa、500kPa，此值分别约为0.25和0.15)，排水条件不同对Δτ/σ′0～εa的关系影响不大；当Δτ/σ′0大于此值时，随Δτ/σ′0的增大，排水条件不同产生的影响越来越明显，如在某一Δτ/σ′0作用下，不排水条件时产生5%的往返轴应变，而在排水条件时仅产生0.5～0.8%的往返轴应变。从另一角度看，图7可视为动应力应变关系，从该曲线的发展趋势来看，在往返荷载作用下，饱和砂砾料试样排水条件下的动强度要比不排水条件下的动强度高得多。

3 结 语

　　(1) 砂砾料的含砾量对其密实性有比较明显的影响。对本文试验来说，含砾量(d>5mm的颗粒含量)约65%时，砂砾料能得到最大程度的密实。(2)在不排水往返加荷条件下，不同含砾量的饱和砂砾料都可能发生初始液化，但含砾量不同，初始液化后的变形性状是不同的，含砾量较低者(≤50%)很快发生了液化破坏，含砾量较高者(≥65%)则类似于有限变形的循环活动性。以初始液化作为破坏标准，含砾量不同对饱和砂砾料的抗液化强度影响不大。而在边界自由排水条件下，含砾量不同则对饱和砂砾料的液化特性有明显影响，含砾量越高，饱和砂砾料抗液化能力越强。(3)排水条件不同对饱和砂砾料的液化特性影响显著。在往返荷载作用下，饱和砂砾料排水条件下的动强度比不排水条件下的要高得多，排水条件下的变形则比不排水条件下的要小得多。说明对实际工程中处于饱和状态的砂砾料填筑体，设置良好的边界排水条件和体内排水通道，对提高饱和砂砾料的抗震性能是非常有利的。

参 考 文 献：

［1］ 刘令瑶，李桂芬，丙东屏。密云水库白河主坝保护层地震破坏及砂砾料振动液化特性［C］。水利水电科学研究院科学研究论文集。北京：水利出版社，1982.

［2］ 汪闻韶，常亚屏，左秀泓。饱和砂砾料在振动和往返加荷下的液化特性［C］。水利水电科学研究院科学研究论文集。北京：水利电力出版社，1986.

［3］ 中华人民共和国水利部主编。中华人民共和国国家标准，土的分类标准GBJ14 90［S］。北京：中国计划出版社，1991.

［4］ 中华人民共和国水利电力部。土工试验规程SD128 87［S］。第三分册(第二版)，北京：水利电力出版社，1989