循环荷载下饱和砂砾土动力特性研究

循环荷载下饱和砂砾土动力特性研究

韩善庆徐炜霆康金洋王志鹏倪紫萱

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127）

摘要：由于砂砾土具有抗剪强度高、压实性能好、地震荷载作用下不易液化等优良特性，在工程界得到广泛应用。通过一系列室内动三轴试验对饱和砂砾土进行了动力特性研究，主要分析了不同颗粒形状，围压、固结比对砂砾土动力特性的影响，以及动力特性对其液化特性的影响。研究表明，不同试验条件下砂砾土存在两类破坏机理，即均等固结条件下表现为达到零有效应力状态的循环液化，非均等固结条件下表现为过大累积轴向变形的循环失效；动弹性模量Ed随着动应变εd增大而减小，最后趋于平缓，不同的振动频率对饱和砂砾土的Ed－εd关系曲线影响较小，试验数值基本上都落在同一区域内，固结压力与固结应力比对E－εd关系曲线的影响较大。

关键词：动三轴试验；饱和砂砾土；动强度

1.实验材料

试验材料取自于土埋深为2～5m，砂砾土中最大粒径范围为40～60mm，最小粒径小于0.075mm，粒径分布不均匀．通过对初始土料进行颗粒筛分及密度试验的联合测定，并对试料进行了剔除法和等量代换法的缩尺处理，该原试验材料的级配良好。土样晒干后过20mm、10mm、5mm、2mm和1mm筛选取粒径在2~20mm范围内的颗粒为砾粒，粒径在2mm以下的颗粒为砂粒和细粒。试验所用的重塑样由砾粒、砂粒与细粒分别按照不同比例重新配制而成，掺入的砾粒含量，首先用筛分法把砂砾按粒径大小分级开来，按照55%的含砾量，细沙和大颗粒2:1掺在一起。

1.1试验参数选择

不同颗粒形状(圆形，亚圆形，棱角形砾石)，含砾量（55%），砾粒直径范围（2-5mm），砂为普通中砂。试样的动荷载按等幅的正弦波形式加载。根据建筑物中砂砾土垫层所处的一般埋置深度，同时也使试验的结果具有一定的代表性，故围压采用100,200,300kPa。试样在施加规定的围压后，按设定的固结比施加轴向荷载。试验中所取的固结应力比为固结比，1.0，1.5，2.0。（对应200kPa围压）。

1.2不同固结比条件下砂砾土的动循环应力比

考虑到不排水循环三轴试验条件下土单元的剪切模式与应力条件与经历强地震动作用时现场土体的剪切模式与应力条件的差异，提出了最大往返剪切作用面的概念，且定义试样最大往返剪切作用上的循环剪应力幅值dτ与法向静有效正应力σs′之比值为循环应力CSR。对于往返三轴试

验的轴对称应力状态，土样在最大往返剪切作用面上的动循环应力比CSR的计算式为

在本文的不排水循环三轴试验中，以最大往返剪切作用面为土样的破坏面，所需施加的循环应力比比记为CSR。

1.3砂砾土的破坏标准

土体在循环荷载作用下发生破坏的标准可分为两种，一种是孔压标准，另一种是应变标准。在均等固结条件下，砂土的破坏标准目前有2类：一是以超静孔压比100%为标准；二是以单幅轴应变2%～2.5%或双幅轴应变5%为标准。但目前关于饱和砂砾土破坏的应变标准尚无共识，对于不排水均等固结三轴试验，如双幅轴向应变2%，2.5%，5%或7%，轴应变4%，超静孔压比100%或90%。在非均等固结条件下，美国NRC（NationalResearchCouncil）则采用累积轴向应变2.5%为土样失效标准。而在固结条件下，循环荷载使砂砾土的超静孔压比上升较小，而波动的轴应变呈近似线性地快速累积，最终产生过大的累积轴应变，且5%以上的累积轴应变不会引起土样任何不稳定的大变形，有的土样累积轴应变甚至可达12%以上。因此，5%的累积轴应变定义非均等固结条件下土样的失效标准是适宜的。这样，土样的失效现象可以视为过大的累积轴应变，但此时的超静孔压仍然远小于初始侧向围压。为简单起见，本文称砂砾土试样的这种破坏模式为“循环失效”

2.砂砾土的动强度及影响因素

动弹性模量Ed与动应变εd的关系曲线。根据试验结果，Ed－εd曲线可以分为3个阶段:①水平阶段，该阶段动应变很小，土体处于弹性阶段，动弹性模量为常数，即为最大动弹性模量;②快速减小阶段，在这阶段中，随着动应变的增大，塑性变形逐步增大，动弹性模量迅速减小，土体由弹性阶段逐步转向塑性阶段;③平缓阶段，在该阶段中，随着动应变的增大，动弹性模量减小的趋势趋于平缓．不同的振动频率对饱和砂砾土的Ed－εd关系曲线影响较小，试验数值基本上都落在一区域内，动弹性模量随动应变的变化规律具有良好的归一性，在不同的振动频率作用下，动弹性模量随着动应变的增大不断减小，表现出应变软化的趋势。在同一动应变条件下，动弹性模量随着固结压力的增大而增大，在小应变阶段，动弹性模量随固结压力的不同其值相差较大，随着动应变的逐步增大，曲线趋于平缓，不同固结压力对动弹性模量的影响逐步减小。在同一动应变时，固结应力比越大，土体动弹性模量越大;在应变较小时，相同的应变下动弹性模量差别较大;随着动应变的增大，固结比应力大的曲线下降较为明显，不同固结应力比对动弹性模量的影响也逐步减小

3结论与讨论

通过对饱和砂砾土进行室内动三轴试验，分析了不同影响因素对饱和砂砾土的动力参数的影响规律，可得以下结论:

1.不排水饱和砂砾土的循环三轴试验中发现两种破坏机理：均等固结条件下的破坏模式表现为达到零有效应力状态的循环液化；非均等固结条件下的破坏模式表现为过大累积轴向变形的循环失效。

2.根据试验结果，Ed－εd曲线可以分为3个阶段:水平阶段，快速减小阶段，平缓阶段。振动频率对饱和砂砾土的Ed－εd关系曲线影响较小，动弹性模量随动应变的变化规律具有良好的归一性．动弹性模量随着固结压力与固结应力比的增大而增大;在小应变阶段，动弹性模量随固结压力增大的不同，其值相差较大;随着动应变的逐步发展，曲线趋于平缓。

参考文献

[1]CAOZZ,YOUDTL,YUANXM.Gravellysoilsthatliquefiedduring2008Wenchuan,Chinaearthquake,Ms¼8.0[J].SoilDynamicsandEarthquakeEngineering,2011(31):1132–1143.

[2]张誉，王文一，孙方，等．砂卵石土动本构关系的试验研究[J]．四川建筑科学研究，2008，34(5):155－157．ZHANGYu，WANGWenyi，SUNFang，etal.Testingstudyonthestress－strainrelationofsandpebblesoil[J]．Sichuanbuildingscience，2008，34(5):155－157.(inChinese)

[3]张茹．土石坝心墙料及坝基细砂砾料动力特性试验研究[D].成都:四川大学，2002:30－36．

[4]贾革续.粗粒土工程特性的试验研究[D].大连:大连理工大学，2003:49－52