考虑静偏应力影响的含粉粒砂土循环与循环后特性研究

◎吕斌 潘坤 潘晓东 浙江工业大学土木工程学院

在近浅海的大河三角洲、残积平原和水下浅滩地区，由于河流和海洋等水动力因素的分选沉积作用，大量以砂粒含量为优势并掺杂粉粒或黏粒等细粒的砂性土广泛分布。在复杂的动荷载（风浪、潮汐、海流）作用下，土体易发生强度衰减、动力液化和流动失稳等灾变现象，因此关于含细粒砂土的力学特性研究一直以来备受广大研究者的关注[1-3]。

现实中地基土体包括天然海床土体常处于非等向应力状态，存在着初始偏应力作用[4-6]。大量试验研究表明初始静偏应力对土体的动力响应有很大的影响。最早Lee和Seed[7]在室内三轴试验中，通过施加非等向竖向固结应力和水平固结应力来实现对静偏应力的模拟。Hyodo等[8]和谷川等[9-10]通过开展大量的循环三轴试验，综合考虑砂土的密实度、围压和静偏应力的影响，发现静偏应力作用呈现明显的状态相关性，其不排水循环剪切响应可概括为三类模式：流动液化、循环活动性和残余变形累积。陈国兴等[11]通过对循环荷载下片状细砂不排水动力性态的研究，发现是否静偏应力反向决定着振动孔压的发展，同时还影响着循环荷载下的破坏模式。另一方面，对于考虑细粒含量对土体性质和剪切特性的影响，结合以往学者的研究发现结论不一。Thevanayagam和Martin[12]研究发现当细粒含量达到30%的时候抗液化现象会表现出明显的减少。Carraro等[13]通过研究发现，饱和砂土随着细粒含量增多，峰值应力与临界状态摩擦角也随之增大。朱建群等[14]在进行不排水单调剪切试验时发现细粒含量的增减会影响砂土的抗剪强度和刚度。参考实际工程中波浪荷载的时间间隔性，结合Wang等[15-16]仅考虑了等向固结情况下粉细砂后循环单调剪切强度变化和孔压特性，因此对静偏应力作用下的含细粒砂土循环后特性的研究有待开展。

本文通过一系列室内静、动三轴试验，在获得各细粒含量下粉砂的临界状态线后，控制相同的状态参数下，研究了不同静偏应力和不同细粒含量对饱和砂土循环与循环后特性的影响。

1.试样制备及试验方案

1.1 试验设备与试样制备

试验采用GDS标准型动态三轴试验系统，该系统由ELDCS数字控制系统和电机控制的电液伺服加载系统等组成，可以精确地在动态试验中控制轴向力和轴向位移，在GDSLAB控制和数据采集软件中设置好循环加载正弦波的基准（偏应力值）、幅值和加载频率后开始动三轴试验。

试验用砂为福建标准砂，对原始砂通过研磨制备细粒（粒径分布为2-75μm），控制原始砂和细粒相对含量获得不同细粒含量的（fc=5,10,20%）砂样，测得各细粒含量土样物性指标和颗粒级配曲线分别如表1和图1所示。

图1 测试土样颗分级配曲线

表1 测试土样基本物性指标

试样直径50mm，高度100mm，采用湿捣法分层制样。将特定质量的烘干砂样配和指定比例的细粒还有5%的无气水，经搅拌均匀后分层加入并击实到指定高度，施加微小负压以检查气密性和加持试样，再依次缓慢通入二氧化碳和无气水[18-19]，经施加420kpa反压进行反压饱和后，当测得的B值大于0.96时基本认为试样达到饱和状态。

1.2 试验方案

Roscoe等[20]通过试验发现，无论土样的密实度和围压如何，随着剪切的进行，土样所受的有效应力和体应变趋于稳定，只有剪应变持续发展的状态称为土的临界状态。Li和Wang[21]曾提过在e-p'平面内，可通过一定的形式进行线性表示。以相同的有效围压p0'=100kpa和单调剪切速率0.1mm/min，对细粒含量为0、5%、10%和20%的四类砂土，进行系列不同孔隙比的不排水单调压缩试验。根据单调试验，得到如图2所示四类砂土的e-p'/pa临界状态线。

图2 土样e-p'/pa临界状态线

由图2可以看出，由于各细粒含量砂土基本物理性质近似，各细粒含量砂土的e-p'/pa临界状态线近似平行，这与Yang[22]的研究相符，且随着细粒含量的增加，土样临界状态线下移。

在控制相同的状态参数条件下，对各细粒含量砂土进行不同初始偏应力qs条件下，特定循环偏应力幅值qcyc的一系列等幅循环加载试验，包括循环后单调剪切试验和循环后再循环剪切试验。

参考Ishihara和Vaid等[23-24]研究，循环加载阶段的破坏标准采用应变标准，即轴向应变达到5%的单幅（Single-amplitude，SA）或双幅（Double-amplitude，DA）时可认为试样发生破坏。试样在先期循环加载下发生破坏后，再进行固结让试样回到循环加载之前时的应力状态，即回到循环加载之前时的初始有效正应力p0'和偏应力qs，并稳定30分钟。为了更符合实际生活中的波浪荷载，循环加载应力路径采用正弦波形式，周期为120s。具体试验方案参见表2。

表2 不排水循环三轴试验系列

2.试验结果

循环与循环后试验。通过循环加载试验得到了如图3所示，四类砂土在状态参数条件下，破坏振次Nf1与静剪应力比SSR的关系。从图中可看出，10%粉砂位于最上方，其次是5%粉砂，最底部的是纯砂，可见粉粒含量对砂土抗循环剪切强度的影响是随着粉粒含量的增加，抗剪强度呈现先增大后减小。此外，四类砂土破坏振次Nf1随静剪应力比SSR的变化趋势具有相似性，个别SSR值较大试样未发生破坏的情况下除外，一般在静剪应力比SSR=0.1处动强度达到最大值。

图3 破坏振次和静剪应力比SSR关系

其次，通过循环后再单调试验发现，试样单调剪切强度受先期循环加载模式和初始偏应力大小影响。文中给出了图4～图6，纯砂在三种循环加载模式下循环后再单调响应。

图4和图5分别为循环活动性和流动液化响应模式，共同点是在循环加载后期轴向应变突增，试样发生了破坏。根据应力路径曲线，该两种模式下循环后单调剪切强度有所降低。与此相比，图6为残余变形累积响应模式，在加载后期轴向应变缓慢发展，孔压在达到峰值后逐渐降低，有效应力逐渐增大，试样发生应变硬化。在该种循环响应模式下，试样在后期单调剪切过程中剪切强度得到了提高。

图4 纯砂在作用下单调响应及kpa作用下循环和循环后再单调响应

图5 纯砂在作用下单调响应及kpa作用下循环和循环后再单调响应

图6 纯砂在kpa作用下单调响应及kpa作用下循环和循环后再单调响应

此外，尽管试样在先期循环加载过程中发生了流动破坏，但当初始偏应力较大时，其在后续单调剪切阶段响应类似于残余变形累积模式下情况，其单调剪切强度也有所提高。如下图7所示纯砂在qs=60 kpa及kpa作用下循环后再单调响应。

图7 纯砂在qs=60 kpa作用下单调响应及kpa作用下循环和循环后再单调响应

与循环后再单调试验类似的是，通过比较循环后再循环试验先、后破坏振次Nf1、Nf2与静偏应力比的关系，发现在初始偏应力比较大的情况下，试样在再循环阶段的动强度较其先期动强度有所增大。如图8四类砂土先后、破坏振次Nf1、Nf2与静偏应力比的关系所示。

图8 先后破坏振次、与静剪应力比SSR关系

3.结论

本文针对不同细粒含量砂土在相同状态参数下，开展了一系列饱和不排水动三轴试验。探讨了细粒含量和初始偏应力对砂土剪切特性及循环后特性的影响。主要得出以下结论：

（1）对于纯砂和细粒含量5%、10%及20%的粉砂，其e-p'/pa临界状态线近似平行且随着细粒含量的增加逐渐下移。

（2）在相同的状态参数下，掺杂些许细粒含量既可能提高土体抗剪强度，也可能降低土体抗剪强度，随着细粒含量的增加，土体强度呈现先增大后减小的趋势。对于本文采用的福建标准砂，一般在静剪应力比SSR=0.1处动强度达到最大值。

（3）对于循环后再单调试验，砂土单调剪切强度的变化受先期循环加载响应模式和初始偏应力大小的影响。在发生以流动破坏为主的循环响应下，土样后期单调剪切强度将会有所降低甚至发生液化；若发生以残余变形累积为主的循环响应下，土样后期单调剪切强度将得到显著地提高。此外，在较大压缩偏应力作用下，先期循环加载响应模式对土样后期单调剪切强度的影响较小，土样的抗剪强度同样得到了增大。

（4）对于循环后再循环试验，砂土的先期循环剪切强度除与细粒含量有关外，还与静剪应力比大小有关，特别地，在静剪应力比绝对值（）较大时，先期循环加载试验将有助于后续砂土循环剪切强度的提高。