黄河口不同强度粉土液化特性的试验研究

常方强 ，贾永刚

（1. 华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021；2. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266110）

1 引 言

黄河携带大量泥砂快速堆积在河口附近形成黄河三角洲，新近沉积物经常处于欠固结状态，强度较低，而某些沉积物长期受波浪荷载作用，处于超固结状态[1]。对于欠固结沉积物，容易在春冬两季强风浪作用下发生液化，强度丧失，严重威胁到石油工程设施的安全性。

黄河口粉土是介于砂土与黏土之间的一种土，它既有砂土的某些性质，又有类似黏土的黏塑性[2]。其在循环荷载下的某些液化特性，已有学者基于动三轴试验建立了孔压增长模型[2－3]、液化临界孔压比[3]、动剪切模量、阻尼比和动强度[4－5]特性等，文献[3]比较了黄河口粉土、粉质黏土和粉砂3种土体的抗液化性能，文献[6－7]基于现场振动试验得到黄河口粉土在循环荷载下强度丧失和孔压增长情况。

黄河口土体的强度在空间上存在着较强的非均匀性[8]，欠固结、正常固结和超固结土体均存在，不同固结程度和不同强度的土体，其液化性能差异也较大。先前研究均是基于少量试样进行的测试，并未与土的强度结合起来。因此，本文通过自制的真空压缩系统制备不同强度的粉土试样，进行动三轴试验，测试不同强度粉土的抗液化性能，建立土的强度与动剪应力比的关系、孔压增长模型及其参数，最后探讨土的强度和动应力对液化性能的影响。

2 仪器设计与试验准备

2.1 真空压缩系统研制

利用动三轴测试黄河口粉土的液化特性时，需要首先准备试样，其准备过程有别于砂土的，通常利用原状样或重塑样。原状样难以保障土体的均匀性，不易获取大量不同强度的土样；室内制备的重塑样，难以保证其强度，测试的液化特性与原状样有较大差别[9]。此外，为了制备不同强度且均匀的试样，需首先研制试样制备系统。

试样制备系统原理为：采用真空泵不断从土槽和水桶中抽气形成真空，土槽上部用土工膜压密土体，加速固结过程，使得重塑土在较短时间内具有较高的固结度。整套系统主要有4大构件，即和面机、土槽、水桶和真空泵，连接组成如图1所示，下面分别介绍各构件的构造和作用。

（1）和面机。将现场取回的土体搅拌均匀。（2）土槽。长×宽×高=150 cm×50 cm×70 cm，底部铺设土工布和PVC管网。PVC管连接成管网，中间互通，管壁钻取若干直径几毫米的小洞，使得管内与外部贯通，管网的一端连接真空管。将管网平放在土槽内，网中放置直径3～6 cm的角砾，上部铺设一层土工布，土工布宽度和长度略大于土槽。土工布上部倒入搅拌均匀的土体，平整后上面铺设一层土工膜，膜与土槽周边采用胶带密封。（3）水桶。上部密封，留有3个孔，分别连接源自土槽、真空泵的真空管和真空表。水桶主要起到气压缓冲的作用，防止从土体抽出的水进入真空泵中。真空表显示水桶中的真空度。（4）真空泵。抽出土体中的水分和空气，使得密封土体形成一定真空度。

2.2 土样制备过程

土样取自黄河口埕岛海域刁口浅滩。土工试验分析表明，土体为粉土，粉粒含量占68%，黏粒含量占17%，砂粒含量为15%，重度为19.0 kN/m3，土体天然含水率为25%，液限为28%，塑限为20%。

图1 土样真空压缩制备系统构件示意图Fig.1 Component diagram of vacuum compression system for soil sample preparation

将一定量的粉土倒入和面机，添加适量海水素配置的自来水，经充分搅拌后土体呈流塑状态。将搅拌均匀的土体倒入土槽，深度为53 cm，用土工膜密封。连接试验装置，抽气压缩固结。抽气过程中，真空达到-0.08至-0.1 MPa。

将土槽平分为3个区，分别用于测试土的强度增长、超孔压消散和取样。在土槽 15、30 cm 和45 cm 3个深度处埋设孔压探头，实时监测超孔压。连续抽气一段时间后，采用普氏贯入仪和小型十字板分别测试贯入阻力和不排水抗剪强度。

经测试，土体在28 d内强度增长较快，28 d后增长趋缓，28 d贯入阻力达300～400 N，不排水抗剪强度达8 kPa，已达到黄河口原状土强度。超孔压在抽真空24 h内基本消散完毕，如图2所示。

图2 土体固结过程中的超孔压消散曲线Fig.2 Dissipation curves of excess pore pressure during consolidation

采用内径与试样直径相同的薄壁取样器从土槽中取土，每次取土长度控制在12 cm左右。由于固结1 d和3 d时强度较低，无法取样，故取固结7、14、28 d和60 d时的土样，每次取5～7个试样。样品从土槽中取出后，将其缓慢推出，然后两端略微加工成动三轴试验样品。

2.3 试验方法与原理

仪器采用西安力创材料检测技术有限公司生产的土体动三轴试验机。由于黄河口东北向强浪平均周期为 4.2～5.6 s[10]，因此，本次试验循环荷载周期均设定为 5 s。考虑到液化土体的埋深为 1.0～10.0 m，围压均取100 kPa，固结比K0取1.0。以孔压比达到1.0或者轴向应变10%作为判断液化的标准。

将土槽中取出的土样按《土工试验规范》规定的方法，采用抽真空-循环脱气水并施加反压的方法使试样饱和，所有试样保证孔隙水压力系数达到98%以上。试样饱和后，在规定的固结压力状态下固结（100 kPa），固结稳定后，在不排水条件下对试样施加竖向动应力σd，侧向应力保持不变，这样在45°平面上产生动应力τd=σd/2，用τd模拟波浪发生时在海床内产生的剪应力。每一试样施加不同的动应力，据此测试不同动应力比作用下粉土的动应变γd和孔隙水压力u上升规律。

3 试验结果

3.1 动剪应力比

根据每个试样施加的动应力，除以2倍围压得到该土样施加的动剪应力比，对照循环破坏次数Nf，将试验测得的两者关系绘制于图3中。

图3 不同强度土体动剪应力比与循环破坏次数的关系Fig.3 Relationships between dynamic shear stress ratio and cyclic number

可以看出，动剪应力比与循环破坏次数的常对数基本呈线性关系。回归线性关系式，求出Nf=100时所对应的动剪应力比 (τd/σc)100，可作为判别波致液化时土体具有的动剪应力比[11－12]。

将一种固结时间试样测得的 (τd/σc)100与其不排水抗剪强度和贯入阻力进行线性回归，得到土的抗剪强度与动剪应力比的经验关系式为

值得指出的是，在判别波致液化时，应取循环破坏次数多大时为土体具有的动剪应力比。目前主要有两种观点，一是文献[11－12]采用等效作用次数N eq =Nf=100所对应的动剪应力比；二是欧洲系统采用Nf=1 000对应的动剪应力比。本文取Nf=100所对应的动剪应力比 (τd/σc)100。

3.2 孔隙水压力发展规律

为了研究不同强度的粉土在循环荷载作用下的孔压增长规律，而忽略瞬时孔压，只考虑累积孔压，将试验测得的孔压增长情况绘制于图 4，图中（1-1,1-2，…，为试样编号）。可以看出，随着循环荷载次数的增加，孔压比增大，动荷载越大，液化破坏时所达到的最大孔压比ru（实测孔压与围压的比值）越小。动应力大小对孔压比的发展有影响，随着动应力增大孔压比曲线向下移动，说明土体在较大动剪应力作用下，更容易因轴向应变过大而发生液化破坏。

4 结果分析与讨论

4.1 孔压模型及参数确定

目前基于室内动三轴试验建立起来的孔压模型已有不少，较早建立的是砂土孔压模型，后来粉土和黄土孔压模型也相继建立。主要的孔压模型可分为5类，即反正弦、双曲线、指数、幂函数和两种函数的组合形式。从函数形式上看，幂函数最为简单；从参数数量上看，反正弦和幂函数参数仅为 1个，最多地是文献[3]建立的双曲线＋幂函数形式，参数为3个。在建立孔压增长模型时，应基于2个原则：一是选用模型应能够较好地适应实测孔压增长规律，即拟合性较好；二是形式简单，参数少，这样方便于在其他计算分析中应用。

对于黄河口粉土，多数试样孔压比尚未达到1.0就因轴向应变过大而破坏，反正弦和幂函数在孔压增长后期拟合效果不好；双曲线＋幂函数的组合形式，参数过多。因此，本文采用指数模型模拟黄河口粉土孔压增长。

图4 循环荷载作用下4种强度粉土的孔压增长规律Fig.4 Pore pressure growth of silt with four kinds of strengths under cyclic stress

经拟合，整个孔压增长规律拟合效果较好，参数a位于0.77～5.63之间，参数b位于0.17～4.65之间。指数模型参数仅为2个，且能够较好模拟黄河口粉土孔压增长模型，较3个参数的孔压模型简单，1个参数的拟合性好。将所有试样的孔压比增长曲线绘制在同一图形中，见图5所示，可以得到孔压比增长上限和下限，对于孔压比上限，参数a、b分别为0.92和4.65；对于孔压比下限，参数a、b分别为1.25和0.89。

图5 黄河口粉土孔压比增长上限和下限Fig.5 Upper and lower limits of pore pressure of silt at Yellow River estuary

4.2 液化影响因素

（1）土的强度影响

试验中，随着土体固结时间的增长，土的强度逐渐升高。试样1-1、2-5和3-4（见图4）所施加的循环荷载大小接近，为0.20左右，3个试样的强度依次增大，测得的孔压增长曲线越呈现上凸趋势，破坏时的孔压比也最大；相反，当土的强度较低时，孔压比越接近直线。这是因为当土的强度较低时，动应力循环次数较少时，就因轴向应变过大而出现破坏，此时孔压累积较小，接近直线型。

（2）动应力的影响

在相同的围压和相同的土的强度下，动应力越大，土体越易液化破坏。这是因为动应力越大，土颗粒之间的黏结摩擦强度越易破坏，孔压越易累积，越容易液化。动应力较大时，土体在较少的作用次数下就达到液化，对于龄期60 d的试样，当动应力为92 kPa时，仅需振动4次土体达到液化破坏，随着动应力的减小，当动应力减小为46 kPa时，振动337次才达到液化。

5 结 论

（1）真空压缩系统制备土样过程中，土体超孔压在24 h内基本消散完毕，28 d内强度增长较快，28 d后增长趋缓，28 d贯入阻力达300～400 N，不排水抗剪强度达8 kPa。

（2）土的强度与动剪应力比基本呈线性关系，文中给出了两者的经验关系式。

（3）土的强度越高，孔压增长曲线越呈现上凸趋势，破坏时的孔压比也最大；动应力越大，破坏时的孔压比也越小，孔压比曲线越接近直线。

（4）指数模型能够较好地模拟黄河口粉土孔压增长情况，其中参数a位于0.77～5.63之间，参数b位于0.17～4.65之间；孔压比上限，参数a、b分别为0.92和4.65；孔压比下限，参数a、b分别为1.25和0.89。

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