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| 砂土液化问题研究 | |||||
| 作者：汪闻韶 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2005-2-4 | |||||
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的应力状态,首先创议应用有加动荷设备的三轴压缩仪来进行[1]。该院当时即按此制造了一种固定在竖向振动台上的三轴试验仪,轴向压力σ1用实重砝码施加,轴向振动应力幅Δσ1=σ1 a/g,a为振动台竖向加速度幅,g为重力加速 度,侧向压力σ3保持不变。试验表明,振动后产生的附加孔隙水压力Δu不仅与σ3有关而且与σ1/σ3有关,即同时受“静水压力”σm=(σ1+2σ3)/3和初始剪应力τmax=(σ1-σ3)/2的控制[2]。由于三轴试件是完全封闭式的,与砂 基和砂坡中饱和砂土各“离散”单元间互相连通的情况不同,本文作者于1962年提出了一种考虑饱和砂土振动孔隙水压力产生、扩散和消散的估算方法[3]。采用上述振动三轴试验,该院曾在60和70年代为若干水利电力工程的抗震设 计和地震灾害中遇到的砂土液化问题进行了研究,包括1961年巴楚地震9度高震区西克尔土坝地基的液化沉陷和1976年唐山地震6度低震区密云水库白河主坝上游粘土斜墙砂砾料保护层的液化滑坡的试验验证[4,5]。70年代后期,国内 逐渐仿照国外研制了多种循环三轴试验仪(电磁、液压、气压驱动等),还有少量循环单剪和扭剪仪。使用最多的仍是循环三轴仪;最大试件直径30 cm,高75 cm,围压2 MPa,轴压14 MPa,可供饱和砂砾料试验使用。在现场也广泛采 用标准贯入试验,已列入有关抗震设计规范,成为鉴别地基液化的主要手段[6,7]。此外,还研究了静力触探和剪切波速判别地基液化的方法[8,9]。下文将着重介绍我们在土的液化机理和特性研究方面的一些主要成果。1 砂土液化 的概念和机理1.1 砂土液化的概念 任何物质由固体状态转变为液体状态的现象和过程,称为液化。固体状态与液体状态的基本区别,在于前者具有剪切刚度(或抗剪强度),在重力场中可以自成形态;后者则无,若无边界限制,即不能 自成形态而将发生流动。砂土的抗剪强度τf一般可表达为τf=σ′f tanφ=(σf-u)tanφ′(1)式中 σ′f和σf分别为破坏面上的有效和总法向压力;u为孔隙压力(水及气);φ为有效内摩擦角。砂体中的应力状态可写为σ ij=σij′+uδij(2)式中σij′=σij(′)+1 3σkk-uδijσij、σij′、σij(′)和1 3σkk分别为总应力、有效应力、偏应力和球应力张量;δij=1(i=j)或=0(i≠j)。为使砂土由固体状态转化为液体状态,必须σij′→0; σ ij→uδij; σ(′)ij→0; 1 3σkk→u(3)对于干砂,u一般为零,只有在失重条件下才液化。对于饱和砂,则在u增大后可以液化。若令q=(σ1-σ3)/2,p′=(σ′1+σ′3)/2=p-u,则公式(1)和(3)可分别化为q=p′sinφ′=(p-u)s inφ′(4)q→0; p′→0; p→u(5)1.2 饱和砂土液化的机理 饱和砂土液化中的应力状态演化虽都服从公式(3)和(5)的规律,但造成液化的机理并不一致,主要可分砂沸(sand boil)、流滑(fl ow slide)和循环活动性(cycli c mobility)三种。(1)砂沸的液化机理。当一个饱和砂沉积体中的孔隙水压力由于地下水头变化而上升到等于或超过它的上覆压力时,该饱和砂沉积体就会发生上浮或“沸腾”现象,全部丧失承载能力。这个过程与砂土的相对密度 D r和体积应变无关,而是渗透压力引起的,常被称为“渗透破坏”,但从物态转变来看,“砂沸”亦属“液化”范畴。其应力转变过程如下:图1(a)是一个饱和砂的自然沉积体在深度z处的初始应力状态,其中,σz0和σx0及σz0′和 σx0′分别为垂直和水平法向总压力及有效压力;γsat和γ′分别为砂沉积体的饱和和浮容重;γw为水的容 重;u 0=γw z为初始孔隙水压力;K 0′为初始有效侧压力系数,其值必须介于主动和被动土压力系数之间,即(1-sinφ′)/(1+sinφ′)≤K′o≤(1+sinφ′)/(1-sinφ′)(6)当地下水头场变化而使深度z处的孔隙水压力升高Δu 并小于γ′z时,其应力状态将变为图1(b)中所示,其中K′值仍应符合公式(6),但可不同于K′o。一旦Δu上升到接近或等于γ′z时,将出现图1(c)中的应力状态。 (2)流滑的机理。流滑一般发生在饱和松砂中,D r大都小于40%。在单程剪切和循环剪切作用下都能发生。主要由于饱和松砂剪缩引起孔隙水压力上升,在尚未达到其颗粒间的有效内摩擦角时,砂土骨架结构突然破坏,孔隙水压力猛 升,抗剪强度大幅度下降而发生流动。图2是本文作者根据卡萨格兰德(Casagrande,1976)[10]介绍卡斯特罗(Castro,1969)[11]的三个典型流滑试验记录绘制的有效应力路径(p′-q)图。其中“A”和“AN”分别代表等压固结(K′c= σ10′/σ30′=1)和不等压固结(K c′=2)不排水三轴压缩试验,“CY”代表固结不排水循环三轴试验的结果。它们符合公式(5)表达的液化规律。图中还增绘了一条排水试验“D”的应力路径和相应的极限平衡界线“LEL”,后者的 斜率即公式(4)中的sinφ′。可 以看出流滑后的终点“f”都落在“LEL”线上,并十分趋近于坐标原点(p′=0,q=0)。流滑开始的起动点“t”在p′-q曲线上也呈峰点,都位于“LEL”的下面,该处的有效内摩擦角φt′都小于φ′(因sinφt′<sinφ′),所以说流滑 起动时砂粒间的有效内摩擦角φ′尚未得到充分发挥而其骨架结构即行失衡破坏。从流滑开始起动(轴向应变ε1<1%)到流滑稳定(终点的ε1≥20%)的历时仅为0.2 s。流滑稳定后它的有效内摩擦角又基本上恢复到φ′,达到新的平 衡。图中还可看出,“AN”中的q t-q o≈5 kPa(q o为初始固结时值)小于“A”中的q t-q o≈95 kPa,因此前者更易触发流滑;亦即有初始剪应力的情况更易触发液化,饱和松砂滩岸的后退型液化流失与此有关。在“CY”中 ,循环应力峰点低于相同初始条件的“A”试验中的q t,经过循环次数N=4后孔隙水压力Δu增大到与“A”的流滑段相遇时才起动流滑。 (3)循环活动性的机理。循环活动性主要可发生在中密到紧密的饱和砂(及砾)中(D r≈50%～90%)。卡萨格兰德(1976)[10]认为主要由于在通常进行的固结不排水循环试验中试件内部的密度和含水量发生重分布,出现局部疏松区且 不断变化所造成的。本文作者从试件总体宏观平均孔隙水压力在循环作用下的变化来看,认为也可用剪缩和剪胀的交替变化来解说。图3是本文作者根据村松正重(1981)[12]饱和密砂(D r=77%)固结不排水循环扭转三轴试验的一个 记录绘制的循环时孔隙水压力变化Δu与剪应变γ关系图。可以看出,当γ<0.5%时,Δu一直呈上升现象。当γ>0.5%后,则出现γ增加时Δu下降和γ减少时Δu上升的交替现象,亦即“加载剪胀”和“减载剪缩”的交替作用所造成的 孔隙水压力变化。在循环次数N>7以后,试件出现明显的循环活动性和间歇性瞬态液化现象(符合公式(3))。同样,在固结不排水循环三轴试验中也可看到p′→0,q→0和p→u的间歇性瞬态液化现象和循环活动性[13]。出现循环活动性 的先决条件是饱和砂体中的应力状态(非循环加循环部分)在循环过程中有出现偏应力张量σij(′)=0间歇性瞬态的存在。以循环三轴试验而言,轴向循环应力幅Δσ1必须大于或等于试件固结时的轴向压力σ10与侧向压力σ30之差 ,即Δσ1≥|σ10-σ30|;在循环单剪(或扭剪及等压固结扭转三轴)试验中循环剪应力幅Δτ必须大于或等于循环剪切面上的初始剪应力τzx0,即Δτ≥|τzx0|;否则,将不会出现循环活动性[13]。在循环三轴试验中首次出现液化时 (三轴试 验中Δu=σ′30;单剪试验中Δu=σv0′,σv0′为竖向初始固结有效压力)被称为“初始液化”,此时的循环次数N和相应的循环应力比[三轴试验中Δσ1/2σ0′,σ0′=1 2(σ′10+σ30′);单剪试验中Δτ/σv0′]的关系被用为 发生液化的准则。但是这个关系受到砂土组构性(fabric)严重影响,原状砂样与扰动砂样以及不同制样方法的试验结果很不一样,如图4中所示;不能用它 的干容重γd加以排序,如图5中所示;但它与剪切波速V s间有良好的相关性,如图6中所示[14]。 2 三种非砂土的液化特性2.1 少粘性土的液化特性 少粘性土是粘粒(d<0.005 mm)含量p c>3%和塑性指数I p>3的一种非砂土,在我国近数十年的多次地震中都发现有这类土的液化记录(包括1961年新疆巴楚地震,1966年河北邢 台地震,1975年辽宁海域地震和1976年河北唐山地震等)。据统计,少粘性土在地震烈度7～10度中发生液化的粘粒含量p c分布如图7中所示,最高达到21%,一般可达15%;液限W L可达35%,塑性指数I p可达14%。再从地震时发生和未 发生液化的少粘性土的饱和含水量W和液性指数I L(=W-W p I p,其中W p为塑限)进行统计,则发生液化的范围为:W≥(0.9～1.0)W L和I L≥0.75～1.0。上述关系已编入《水工建筑物抗震设计规范》SDJ10-78(试行)[7],已发 表于本文作者(1980)的一篇文章中[15],并被美国沙迪斯(Sardis)坝的抗震加固设计中引用,和加拿大芬恩(Finn,1991)[16]评论。此外,在采用标准贯入试验击数N 63.5评价少粘性土地基地震时可能发生液化的条件为[6]N 63.5< N cr=N 0[0.9+0.1(d s-d w)]3/p c,其中N 0按地震烈度,近震7、8、9度分别取6、10、16,远震7、8度分别取8、12;d s和d w分别为标准贯入点和地下水位离地表的深度(m);p c的上限可按图7选取。其中考虑了粘粒含量 的影响。2.2 砂砾料的液化特性 砂砾料指砾粒(d>2 mm)含量p g大于50%的砂砾混合料。一般认为颗粒组成较粗,渗透系数较大,不易液化。但当其粗粒部分不起骨架作用时(p g<60%～70%),它的液化特性主要受细粒 部分控制。1975年辽宁海城地震7度区的石门水库土坝上游砂砾料坝壳和1976年河北唐山地震6度区的密云水库白河主坝上游砂砾料保护层的水下部分都发生了近于全坝长的液化流滑[5]。密云水库白河主坝砂砾料保护 层的颗粒级配如图8中所示。流滑体的相对密度缺乏确切数据,估计约在中密以下。汪闻韶、常亚屏、左秀泓(1986)[17]通过几个样品的系统试验研究,得出下列结论:①粗粒含量部分的影响,主要在减少砂砾料的体积压缩性和增大渗 透系数,后者在允许排水的情况下更为重要。②砂砾料的颗粒级配对其不排水条件下的液化特性的影响很小。但在排水条件下,级配不良、缺乏中间粒径(1～5 mm)、颗粒较细的砂砾料与级配良好、不缺乏中间粒径、颗粒较粗的砂 砾料相比,前者对液化更敏感一些。③相对密度对砂砾料的液化仍起重要作用,为了防止砂砾料填筑体液化,均应用振动碾压实,使其相对密度达到80%以上。2.3 粉煤灰的液化特性 粉煤灰是火电厂燃煤后排出的废碴,常用水力输送 到荒谷形成贮灰库。为了节省建坝投资,常利用粉煤灰本身在低的初级坝以上按上游法加高贮灰高程。因此研究了饱和粉煤灰的液化问题。粉煤灰有其特殊的物理和化学性质,它们与原煤的成分和在粉碎、燃烧、输送、排放等过程 中的变化都有关系。表1和表2中分别是三个电厂6种粉煤灰的物理和化学性质。它们与土的性质是有差别的,不易确切用土的分类方法加以命名。粉煤灰颗粒的电子扫描放大照片显示,其中有浮石状多孔碎硝和小珠状空心圆球。所以 用土工试验方法测出的颗粒比重G s较土粒低;液限W L较高,但塑性指数I p则较低。颗粒容易破碎而细化。此外,粉煤灰还有一定化学活性,可受龄期和外加剂的影响。经过上述灰样的动、静力试验分析,得到如下结果[18]:①由 电厂水力输送到贮灰库的粉煤灰,在自重沉积和固结以后大都处于疏松状态,D r<30～50%,在静力和振动作用下都极易液化流动,抗剪强度很低。②饱和度S r<80%的非饱和粉煤灰的抗剪强度远高于它在饱和时的抗剪强度。③粒径 d<0.05 mm的含量小于30%的饱和粗灰在D r>50%后的抗剪强度明显高于d<0.05 mm的含量大于70%的饱和细灰在相同D r时的抗剪强度。 表1 粉煤灰物理性质示例灰样G s d 50 mm d<0.005 mm%d<0.1 mm%C u W L%I p%γmin kN/m 3γmax kN/m 3 e max e min L1 2.19 0.019 12 91 6.5 34 4 9.73 12.95 1.22 0.66 L2 2.38 0.100 2 47 6.7 37 2 10.79 13.44 1.77 0.74 F1 2.17 0.012 13 99 3.6 52 11 7.75 10.30 1.73 1.08 F2 2.27 0.062 2 81 3.4 63 2 7.75 10.69 1.87 1.08 H1 2.09 0.085 2 66 5.1 60 9 7.26 9.52 1.82 1.15 H2 2.05 0.100 0 50 2.4 71 7 6.87 9.22 1.93 1.18表2 粉煤灰化学性质示例%灰 样SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO MgO CaO SO 3 TiO 2烧 失L1 55.3 24.8 9.8 1.5 2.4 0.5 3.1 F1 61.6 20.2 4.7 0.9 1.3 5.5 0.1 0.8 5.4 F2 57.7 16.1 5.9 2.1 1.7 5.7 0.1 0.7 4.7 H1 56.8 25.2 1.5 2.3 1.2 2.2 0.0 0.8 6.2 3 液化与极 限平衡和破坏的区别和关系3.1 概念与准则 液化是土由固体状态转化为液体状态的现象和过程。饱和砂土(包括无粘性土及少粘性土)发生液化的准则是公式(3)和公式(5)。极限平衡是土体中的剪应力与抗剪强度保持相互平衡的 状态。饱和砂土的极限平衡状态准则是公式(1)和公式(4)。破坏从工程观点来评价应是土体失去实际使用价值或造成严重后果(包括人类生命财产的损失)的事态。它的衡量标准因情而异,例如土体滑坍、有害变形、漏水冲刷等都因 工程和环境安全要求的不同而须采用不同的破坏准则。所以不能把液化、极限平衡和破坏三者作为同一个事件来看待。在制定有关设计规范涉及砂土液化问题时,必须加以注意。3.2 液化与极限平衡和破坏的关系 从液化发生的 机理中看,饱和砂土(包括无粘性土和少粘性土)在砂沸、流滑和循环活动性中应力状态的演变都没有逾越其极限平衡状态,并且最后都归缩到极限平衡状态。就砂沸而言,在孔隙水压力上升过程中,因有效侧压力系数K受到公式(6) 的限制,故始终未逾越极限平衡条件。当达到图1(c)发生砂沸后,可称为破坏;但若其不影响建筑物和周围环境的安全时,也可不意味为破坏。流滑是一种危险性较大的事件,当其应力状态尚未达到最后极限平衡条件时即可触发突然液 化和流动状大变形,患害是明显的,可称为破坏。但是最后仍归缩到极限平衡条件,此时它的抗剪强度已很低(图2)。循环活动性只有在循环过程中饱和砂土中出现偏应力张量等于零的瞬间才有可能发生,且始终徘徊于极限平衡界线左 近而未能逾越[13]。砂土在循环活动性过程中,可以发生多次瞬态失稳,但是只有有限变形的累积。当其累积变形没有超过实用允许变形值时,一般可不称为破坏。这个关系在土坝抗震设计中特别受到关注。 |
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