抗液化強度

依據扭剪振動原理，開發出剪下波速與振動三軸聯合試驗裝置。進而針對取自20 多個工程場地、埋深在20 m 以內的12種大量原狀砂土，分析了同一類土、在同一固結壓力作用下，原狀與重塑土樣抗液化強度與其初始剪下波速之間的相關性。結果表明，當判別液化的應變標準不超過6%時，土的抗液化強度與其初始剪下波速之間存在良好的對應關係。當應變破壞標準超過6%，土的初始剪下波速與抗液化強度之間不具備唯一對應關係。

基本介紹

• 中文名：抗液化強度
• 外文名：Liquefaction strength
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 試驗裝置：剪下波速與振動三軸聯合試驗裝置
• 試驗方法：小幅預剪振動方法

簡介

在岩土地震工程中，如何客觀評價原位飽和砂土的抗液化強度是一個到目前仍未解決好的重要問題。解決這一問題的關鍵在於如何取得能夠反映原位土層結構性的原狀土樣。已有的一些研究表明，土的剪下波速可能是反映其結構性的一個控制參數。然而，不同研究者對這一問題有限的一些研究卻得出完全不同的結論。

Tokimatsu 把薄壁取土器取得飽和砂土試樣的初始剪下模量恢復到用凍結法取得的飽和土樣具有的初始剪下模量，然後通過試驗比較兩者的抗液化強度，發現如果它們的初始剪下模量一致，其抗液化強度也近似。因此他認為，藉助飽和砂土最大剪下模量的（剪下波速）一致性，可以得到飽和砂土的原位抗液化強度。由於他通過在振動三軸壓力室內測定試驗土樣的微小應變來確定土樣的初始剪下模量，測量方法本身就由於存在系統誤差而很難準確測定土樣的初始剪下模量。李萬紅、李昕則通過研製超聲剪下波速和振動三軸聯合試驗裝置，對這一問題進行研究。但是，由於當時沒有能夠開發出在振動三軸壓力室內測試土樣剪下波速的有效裝置，使得無法在動三軸壓力室內正確測試土樣的剪下波速，因此，他們的研究結果認為，土樣的剪下波速不能較好反映砂土的結構性，因此也就不能夠藉助土樣剪下波速的一致性評價原位飽和砂土的抗液化強度。Fernandez 等的研究結果表明，小應變下（<10−6）土顆粒之間的膠結強度對土的剪下波速有顯著影響。DeAlba 用不同的制樣方法模擬土顆粒的不同排列方式，發現對於密實砂土用不同的制樣方法製成的試樣其彈性剪下模量相差不大。黃博藉助動三軸壓力室內的彎曲單元測試裝置研究飽和重塑砂土剪下波速與其抗液化強度之間的關係。由於彎曲元需要插入試樣中一定深度(3 mm)，從而造成對試樣的擾動，同時也造成剪下波傳播長度的不確定性，已有研究結果表明，僅此一項造成的測量誤差可以達到16%。基於以上分析可以看出，儘管對於飽和砂土與其抗液化強度之間的關係有過一些研究，但是仍缺乏原狀與重塑土樣的對比實驗研究，以至於目前仍然無法對這一重要問題做出明確的闡述。正是基於這樣的分析，首先開發出在動三軸壓力室內測試試驗土樣剪下波速的裝置，進而通過大量不同種類的原狀和重塑飽和砂土的對比試驗，研究飽和砂土的剪下波速與其抗液化強度之間是否存在唯一對應關係，闡明影響這個對應關係成立的前提條件。

試驗裝置與試驗方法

1 剪下波速測試裝置

在三軸壓力室內測試土樣的剪下波速，關鍵在於要開發出適合於測試土樣且能夠在三軸壓力室水中工作的剪下波速感測器。為此我們採用扭轉振動圓環製做剪下波速感測器。當在圓環上下兩面施加一個激勵時，圓環將產生扭轉振動；反之，當圓環產生扭轉振動時，在圓環的上下兩面電極間又會產生相應的電荷。於是，如果在土樣兩端面各放置一個扭振圓環，一個用於發射扭剪波，另一個用於接收扭剪波。理論分析表明，對於直徑為3.91 cm 長為8.0 cm 的土樣，只要測量扭轉振動通過土樣的時間和土樣的高度，就可以正確測得土樣的剪下波速。

針對所使用的HX–100 動三軸儀上下壓頭的形狀與特點，開發了三軸壓力室內專用的密封剪下波速感測器。進一步，又開發出從三軸壓力室內引出測量導線的密封接頭。從而形成了一套新型剪下波速與振動三軸聯合試驗裝置。其中的剪下波速感測器，既能測量試驗土樣的剪下波速，又能作為進行振動三軸液化試驗的傳力壓頭；採用DB4 型多波參數分析儀驅動感測器發射與接收扭轉振動測量信號。該測試裝置感測器的特性指標為工作頻率5.0 kHz，工作頻寬1.7 kHz，機械品質因數2.92。這些參數表明，這裡開發出的感測器具有低工作頻率和機械品質因數，能測試各種土樣的剪下波速。

2 試驗方法

控制剪下波速的振動三軸液化試驗的關鍵是必須有一種方法，能夠有效改變試驗土樣的初始剪下波速。經過反覆嘗試，發現採用超固結並結合3~4 Hz 的小幅預剪振動方法，可以有效改變試驗土樣的初始剪下波速。具體方法為：當土樣在等向固結壓力 c0 σ 作用下排水固結後，繼續增大固結應力到 c1 σ ，並使土樣排水固結。然後關閉排水閥門，在 c1 σ 固結壓力作用下，給土樣施加3~4 Hz的小幅預剪振動應力。一般取預剪動應力比 d c0 σ 2 ⋅σ 不大於0.05。當累積孔壓上升至原固結壓力的5%時，停止預剪振動並打開排水閥門使土樣排水固結，然後再將固結壓力恢復到 c0 σ ，測試此時土樣的剪下波速。

控制土樣初始剪下波速的振動三軸液化試驗的步驟為：①製備試驗土樣，利用真空飽和法使土樣飽和；② 給土樣施加固結壓力並使其排水固結；③測試土樣的剪下波速；④ 如果土樣的剪下波速不滿足要求，按上述方法對土樣進行預處理以改變土樣的初始剪下波速；⑤ 測試處理后土樣的剪下波速。如果不滿足試驗要求，重複過程④；⑥ 在不排水條件下，給土樣施加振動應力，直到土樣液化為止。

需要說明的是，計算土樣剪下波速時，土樣高度的精確測量是通過動三軸儀的軸向應變測試系統完成的。

3 試驗土樣

本次試驗涉及20 多個不同的工程場地、埋深為0～20 m 的原狀飽和砂土。其中大部分場地為海洋工程場地。根據對試驗土樣的顆分結果，可以把試驗土樣分為4 類12 種，基本代表了工程中常見的可液化砂土。試驗時，首先進行原狀土樣的剪下波速與振動三軸液化聯合試驗，然後進行相應砂土的重塑土樣試驗，且在進行振動三軸液化試驗前，將重塑土樣的初始剪下波速恢復到原狀土樣的剪下波速。

剪下波速與抗液化強度的相關性分析

依據試驗結果，首先按5%的峰峰振動應變標準確定試驗土樣的液化破壞振次，進而對同一組試驗土樣，按照剪下波速一致原則，做出原狀和重塑土樣的抗液化強度曲線。從這些試驗結果可以看出，無論是原狀還是重塑土樣，具有相同剪下波速的試驗結果都集中在同一抗液化強度曲線附近。也就是說，當重塑砂土的剪下波速恢復到原狀土樣的剪下波速時，它們的抗液化強度接近一致。為定量說明這點，對具有相同剪下波速的原狀和重塑土樣的抗液化應力比進行了相關性分析。在12 種砂土、24 組剪下波速試驗數據的相關性分析中，22 組的相關係數≥0.83，這表明在給定的液化判別標準下，飽和砂土的剪下波速與其抗液化強度之間確實存在良好對應關係。

採用不同應變判別標準時，對不同種類原狀與重塑土樣抗液化強度相關性分析結果。這些結果表明：當應變判別標準取3%～6%之間某一值時，相同剪下波速的原狀和重塑土樣的抗液化應力比之間具有良好的唯一對應關係；當應變判別標準超過6%時，相同初始剪下波速的原狀和重塑土樣的抗液化應力比之間的相關性顯著降低，上述結論也就不成立了。分析原因，作者認為剪下波速是土樣在小應變下的一個參數，剪下波速一致，只表明土樣在一定應變範圍內土的某些性質是一致的，超出這個範圍，二者在結構性上仍存在差別，並導致振動變形與累積孔壓變化的差別。因此這裡的研究表明，飽和砂土剪下波速與其抗液化強度之間的對應關係是有一定前提條件的。

總結

利用剪下波速與振動三軸聯合試驗裝置，針對20 多個工程場地、埋深在20 m 以內的大量原狀土樣，以試驗土樣的初始剪下波速為控制參數，通過分析同一種土樣、在同一固結壓力作用下、具有相同剪下波速的原狀與重塑土樣抗液化強度之間的相關性，闡明飽和砂土的初始剪下波速與其抗液化強度之間是否存在唯一對應關係問題。這裡的研究結果表明，當判別液化的應變標準不超過6%時，土的抗液化強度與其初始剪下波速之間確實存在良好的對應關係。當選取的應變破壞標準超過6%，原狀和重塑土的抗液化強度之間的相關性明顯變差，初始剪下波速與抗液化強度之間也就不具備對應關係。這表明，土的剪下波速與其抗液化強度之間的對應關係是有一定前提條件的。這裡之所以選取5%作為液化判別標準，一方面考慮到這是國內外研究飽和砂土剪下波速與其抗液化強度相關性時，通常採用的標準；另一方面，由於這裡採用的原狀土樣比較密實，試驗結果表明，儘管動應力作用下能夠達到初始液化的孔壓標準，但此時的振動應變並沒有突變，所以此時採用應變破壞標準較為適宜。