基于動三軸試驗(yàn)和標(biāo)貫法的不同密實(shí)度砂土液化研究

張少騰，余 娟，劉 飛，周 璇，賀成麗，高明智

（1. 徐州市數(shù)字地震臺網(wǎng)中心，江蘇 徐州 221000；2. 徐州市第五地質(zhì)隊(duì)，江蘇 徐州 221000；3. 徐州地震臺，江蘇 徐州 221000）

0 引言

砂土液化是地震引發(fā)的次生災(zāi)害，對人民生命和財產(chǎn)安全有重大威脅[1-3]。英國愛丁堡大學(xué)Lorenzo Conti[4]整理了20世紀(jì)至21世紀(jì)初全球范圍重大砂土液化災(zāi)害17次，每次災(zāi)害平均造成人員傷亡幾百到幾萬人不等，經(jīng)濟(jì)損失幾千萬到幾億元不等。2010年新西蘭7.1級地震，是第一次砂土液化做震害主因的地震[5]，1999年土耳其7.4級地震引發(fā)的砂土液化造成儲油罐發(fā)生傾斜[6]，2011年日本9.0級地震造成核泄漏，砂土液化是造成核反應(yīng)堆受損的重要原因[7]。對砂土液化形成機(jī)理、判別方法等進(jìn)行研究，可為砂土液化災(zāi)害預(yù)防和治理提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)于砂土液化的研究已經(jīng)取得很多成果，并且解決了很多實(shí)際工程問題[8]。關(guān)于砂土液化的物理機(jī)制，20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)外學(xué)者已采用不同結(jié)構(gòu)振動臺模擬地震進(jìn)行分析[9]，并將液化原因分為外因、內(nèi)因2部分[10]?；谶@些基礎(chǔ)研究，在過去幾十年間，砂土液化判別問題的研究取得長足進(jìn)步，產(chǎn)生了很多新的砂土液化判別方法[11-13]?，F(xiàn)今，判別砂土液化的方法有很多種，大體分為室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)以及震害調(diào)查三大類。3類液化判別方法各有其優(yōu)劣，可從不同角度分析研究砂土液化[14-15]。其中室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法常用動三軸儀進(jìn)行砂土液化試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)可得出砂土的動強(qiáng)度、液化振次等數(shù)據(jù)[16]，再采用Seed等[17]推薦的簡化公式分析砂土的周期應(yīng)力比。根據(jù)前人研究[18]，影響砂土液化的因素可分為三大類：第一為物理因素，主要有土體種類、粒徑、密實(shí)度、含水率、飽和度等；第二為環(huán)境因素，主要有上覆土層厚度、地下水位深度等；第三為地震因素，主要有地震烈度，震源深度等。前人往往只對液化因素進(jìn)行定性，然后運(yùn)用不同方法對液化結(jié)果進(jìn)行判定。

本文擬將徐州市廢黃河水域周邊砂土地層作為研究對象，對其工程和力學(xué)特性進(jìn)行總結(jié)分析。在此基礎(chǔ)上，選取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別的液化樣進(jìn)行動三軸試驗(yàn)。通過動三軸試驗(yàn)，研究砂土液化過程中小變形和孔隙壓力特征，分析其液化機(jī)理；對動三軸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，判斷使用2種方法進(jìn)行液化判別結(jié)果的區(qū)別。

1 現(xiàn)場土樣樣物理性質(zhì)指標(biāo)

1.1 工程特性概述

對徐州地區(qū)廢黃河區(qū)域及周邊土層進(jìn)行篩選統(tǒng)計，易引起液化作用的土層共有6層，由上至下分別為灰黃色、灰色粉土，灰黃色、棕黃色粉砂，灰色、灰黑色粉土，灰色、棕灰色粉土，灰色、棕灰色粉砂以及深灰色粉砂。濕度等級均為濕-很濕，干強(qiáng)度低，多數(shù)土層具備水平紋層或斜層理構(gòu)造，呈條帶狀分布于廢黃河沿線。

根據(jù)液化土層判別分析，徐州液化土層具有明顯的分區(qū)性，黃河沖擊壟狀高地及其周邊是砂土液化主要區(qū)域。公元1194—1494年黃河改道[19]，區(qū)內(nèi)黃河泛濫，導(dǎo)致大量泥沙搬運(yùn)至古河道一帶，地形變緩，黃河流速降低，大量粉土沉積，形成5～10 m厚地層，為主要的砂土液化層。

1.2 土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

對該區(qū)主要液化層第一、第三以及第四層進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，各土層均在地下水位以下，含水率較高、密實(shí)度較差、黏粒含量較高、標(biāo)貫擊數(shù)變化較大，液化點(diǎn)占比較大（表1）。

表 1 研究區(qū)可液化土層力學(xué)性質(zhì)

2 樣本選取原則與動三軸實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2.1 標(biāo)貫樣本的選取原則

為實(shí)現(xiàn)不同密實(shí)度下，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與動三軸試驗(yàn)結(jié)果的區(qū)別與比較，從樣本（表1）集中選取密實(shí)度分別為50%、52%、54%、56%、58%的粉土樣本各5個。為研究密實(shí)度對動三軸試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

兩者結(jié)果的影響，需要克服其他干擾因素。在采樣過程中，除了選取原狀樣本基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮含水率、飽和度、上覆土層厚度以及地下水位等因素。所以，選取埋深、地下水位狀態(tài)基本一致的樣本，盡量減弱環(huán)境因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。選取的樣本要進(jìn)行含水率、密實(shí)度測定，以方便室內(nèi)動三軸試驗(yàn)的樣本還原。同時，要選取飽和或近飽和樣品，室內(nèi)還原時所有樣品即可均按飽和試樣制備。

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2016）的相關(guān)規(guī)定對各孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值進(jìn)行計算，計算公式：

表 2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0

本例中，地震加速度均取0.10 cm/s2，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值取7次。通過上式結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，判斷液化結(jié)果。詳細(xì)標(biāo)貫樣本參數(shù)見表3。

2.2 動三軸試驗(yàn)設(shè)計

本文試驗(yàn)使用由中國西安力創(chuàng)計量儀器有限公司研發(fā)并生產(chǎn)的動三軸儀，型號為W3ZB-20型土動三軸試驗(yàn)機(jī)。對所取各樣本進(jìn)行烘干、降至室溫后噴灑蒸餾，調(diào)配含水率為現(xiàn)場取樣時樣品的含水率，靜置12 h后采用烘干稱重法進(jìn)行不少于2個測點(diǎn)的含水率測量，使制作樣本含水率與現(xiàn)場樣品含水率相差1%以內(nèi)。采用壓樣法對樣品進(jìn)行制備，確保樣本密實(shí)度與原狀土相符。

表 3 標(biāo)貫樣本參數(shù)表

本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水試驗(yàn)：設(shè)定試驗(yàn)固結(jié)比Kc=1.0，這樣可保證砂土是在均等固結(jié)壓力下進(jìn)行的，可以準(zhǔn)確地模擬自由場地下飽和砂土液化的發(fā)生。固結(jié)時間為120 min，振動方式在應(yīng)力控制下選擇豎向正弦波振動，試驗(yàn)圍壓σ3=50 kPa。本試驗(yàn)取密實(shí)度為50%、52%、54%、56%以及58%的砂土試樣5組，每組5個樣品，對每組樣品取不同動應(yīng)力做砂土液化試驗(yàn)。為防止人為或儀器造成誤差，同一應(yīng)力條件準(zhǔn)備同等固結(jié)條件的3個砂土試樣，取3個結(jié)果的均值作為對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，以保證其準(zhǔn)確性。若其中2個結(jié)果循環(huán)振次差值大于10%，則重新進(jìn)行試驗(yàn)。

對液化的判別標(biāo)準(zhǔn)較多，其中應(yīng)用較多的是循環(huán)荷載作用下飽和砂土的軸向應(yīng)變值達(dá)到某一特定的極限值時所對應(yīng)的初始循環(huán)動應(yīng)力值和循環(huán)振動次數(shù)[13]。結(jié)合試驗(yàn)情況，本文將采用剪應(yīng)變幅為±7%作為砂土的破壞標(biāo)準(zhǔn)。

3 物性變化與液化結(jié)果一致性分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

軸向動荷載、小變形、以及孔隙水壓的時間變化曲線（圖1）大致可分為3個階段：初期變化階段、中期穩(wěn)定階段和末期加速階段。動三軸試驗(yàn)初期，施加等幅正弦波，振動頻率為1 Hz 時，孔隙水壓出現(xiàn)明顯變化，但是小變形不明顯。在施加動荷載1 min后達(dá)到中期穩(wěn)定階段，表現(xiàn)為孔隙水壓緩慢上升，試樣小變形出現(xiàn)微小變化，此過程持續(xù)6～8 min。最后加速階段，開始于試樣變形突然加快，隨循環(huán)載荷周期性變化且波幅成倍增加，與此同時孔隙水壓波幅也明顯增大。除此之外，施加的循環(huán)應(yīng)力在周期及振幅上表現(xiàn)不對稱，表明試樣固結(jié)等壓環(huán)境失衡，試樣趨于液化。

圖 1 砂土試樣時程曲線（以Dr為50%與58%為例）

小變形及孔隙水壓變化趨勢的3個階段反映在砂土液化的內(nèi)部機(jī)理：在初始施加振動載荷時，砂土顆粒之間固結(jié)力逐漸被破壞，顆粒有向內(nèi)聚積的趨勢；向中心聚積的過程中，孔隙水壓顆粒擠壓逐漸增高，而顆粒聚積趨勢只發(fā)生微小變化，甚至不發(fā)生變化?？紫端畨涸陔S循環(huán)載荷穩(wěn)定周期性上升中達(dá)到一臨界值，該臨界值取決于砂土本身的物性特征。該臨界值的主要內(nèi)部特點(diǎn)不再是顆粒聚積發(fā)生微小變化，而是隨著循環(huán)載荷的周期變化顆粒以某一中點(diǎn)來回做大振幅運(yùn)動，同時孔隙水壓也開始加快上升。初始固結(jié)應(yīng)力是約束土體保持穩(wěn)定性的約束力，一旦孔隙水壓大于等于初始固結(jié)應(yīng)力，土體將失去承載力。隨著動載荷的持續(xù)，加快上升的孔隙水壓達(dá)到初始固結(jié)應(yīng)力等效值時，判定為砂土發(fā)生液化。砂土液化的宏觀表現(xiàn)為不再具備承受外部載荷的能力，呈近流體狀隨外部壓力發(fā)生變形、流動；微觀表現(xiàn)為砂土顆粒在高孔隙水壓中處于游離狀態(tài)，懸浮于孔隙水之中。該內(nèi)部機(jī)理在等效應(yīng)力原理解釋的砂土液化中也有印證[20]。

對不同密實(shí)度的時程曲線比較中發(fā)現(xiàn)，密實(shí)度是導(dǎo)致砂土液化關(guān)鍵性因素。隨著密實(shí)度的降低，砂土抗液化性明顯降低，臨界振動次數(shù)也越小。再者，通過小變形以及孔隙壓力振幅對比，密實(shí)度越低，小變形以及孔隙壓力振幅越大。這種振幅的差異應(yīng)該與樣品之間存在粘結(jié)力區(qū)別有關(guān)。

圖2以密實(shí)度50%、54%、58%三組試樣進(jìn)行對比，分析其軸向應(yīng)變、孔壓比與循環(huán)振動次數(shù)關(guān)系。隨著循環(huán)次數(shù)增加，軸向應(yīng)變與孔壓比基本處于同步上升趨勢。但是兩者上升過程略有差別：砂土試樣變幅隨著振次的增大，增度越來越快；而孔壓比在振次的逐漸增加的過程中，分為3個階段，即急速增加階段、緩慢上升階段以及加速增長階段。這與孔隙壓力的時程曲線吻合。在0～3振次，孔壓比均經(jīng)歷了一、二2個階段，密實(shí)度對這兩階段影響不顯著。振次超過3次后，孔壓比開始進(jìn)入第三階段。此時，密實(shí)度對孔壓比的影響開始顯著，Dr越小，孔壓比上升越快。但在Dr≥55%之后，密實(shí)度對孔壓比的影響又開始減弱。

圖 2 軸向應(yīng)變、孔壓比與循環(huán)振次關(guān)系曲線

3.2 液化結(jié)果一致性分析

運(yùn)用動三軸試驗(yàn)判別砂土液化的主要原理是比較試驗(yàn)計算得出的抗液化剪應(yīng)力與地震剪應(yīng)力的大小，當(dāng)＜時，判定砂土液化[21]。

判別砂土液化的地震剪應(yīng)力采用的是等效循環(huán)均勻地震剪應(yīng)力，可用公式表示為:

對同一密實(shí)度試樣施加不同動載荷，試樣達(dá)到液化條件時有唯一對應(yīng)循環(huán)振次。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可形成關(guān)系曲線，再由震級對應(yīng)的等效循環(huán)振次找出對應(yīng)的抗液化應(yīng)力比，使用公式（3）求得抗液化剪應(yīng)力：

表 4 深度修正系數(shù)

表 5 動三軸試驗(yàn)液化判別結(jié)果

為對比2種試驗(yàn)方法液化邊界的差異性，將各液化樣品的實(shí)測標(biāo)貫（抗液化剪應(yīng)力）值與臨界標(biāo)貫（地震剪應(yīng)力）值進(jìn)行歸一化處理，計算出安全系數(shù)（圖3）。總體上動三軸試驗(yàn)相較于標(biāo)貫試驗(yàn)具有較低的液化比，反映動三軸試驗(yàn)具有較窄的液化邊界。

為進(jìn)一步確定二者液化邊界范圍，在該區(qū)再選取20個樣品進(jìn)行分析。這些樣品明確其密實(shí)度、含水率、標(biāo)貫擊數(shù)等參數(shù)，以便樣品參數(shù)還原和比較。所選樣品均屬于標(biāo)貫試驗(yàn)非液化樣品，且樣品實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)稍微略高于臨界液化值。通過進(jìn)一步試驗(yàn)比對，所選的15個樣品中最終液化結(jié)果有5個樣品為液化（表6）。

表 6 標(biāo)貫試驗(yàn)與動三軸試驗(yàn)結(jié)果對比

試驗(yàn)結(jié)果中，標(biāo)貫試驗(yàn)非液化樣品在動三軸試驗(yàn)中判別為液化的比例為33.3%。通過比較實(shí)測擊數(shù)和臨界擊數(shù)發(fā)現(xiàn)，并不是二者越接近動三軸試驗(yàn)的判別結(jié)果越趨近于液化。所以，有其他因素影響動三軸試驗(yàn)的判別結(jié)果。

4 結(jié)語

通過對廢黃河區(qū)域某段砂土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)以及樣本采集分析，同時運(yùn)用動三軸室內(nèi)試驗(yàn)法分析不同密實(shí)度下砂土液化結(jié)果，并對二者實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和比較。

圖 3 液化結(jié)果安全系數(shù)對比

1）根據(jù)小變形、孔隙水壓在軸向循環(huán)動荷載作用下的變化，可將砂土液化過程分為3個階段：初期變化階段、中期穩(wěn)定階段和末期加速階段。進(jìn)一步分析顯示，砂土液化內(nèi)部機(jī)理的動態(tài)變化與試驗(yàn)現(xiàn)象的3個階段一一對應(yīng)。

2）密實(shí)度對砂土液化有關(guān)鍵性作用。密實(shí)度不僅與砂土的抗液化性呈正相關(guān)，而且在動三軸試驗(yàn)過程對小變形和孔隙水壓同樣有影響；通過小變形以及孔隙壓力振幅對比，密實(shí)度越低，小變形以及孔隙壓力振幅越大，這種振幅的差異應(yīng)該與樣品之間存在粘結(jié)力區(qū)別有關(guān)。

3）通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，動三軸試驗(yàn)相較于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)有更窄的液化邊界。對液化樣本的實(shí)測貫入值和實(shí)測循環(huán)振次值進(jìn)行歸一化處理以及對標(biāo)貫試驗(yàn)非液化樣本的動三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動三軸液化試驗(yàn)液化標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。