动三轴沙土液化实验报告
砂土液化动三轴实验报告
、实验目的
通过试验，掌握试样的制备方法、动三轴试验仪的使用方法、动三轴测定土的抗液化强度的基本操作以及试验数据的处理。
二、实验仪器
振动三轴仪，托盘天平，游标卡尺，击实仪等。
三、实验原理振动液化是饱和土在动荷载作用下丧失其原有强度而转变为一种类似液体状态的现象。
在本试验中，借助动三轴仪对已饱和的砂土施加振动荷载，观察并记录土样中孔隙水压力的变化，一旦试验内部的超静孔隙水压力到达试样的围压，则出现液化现象。
如果将地震作用视为由基岩向上传递的剪切波，则当地面近于水平时，在地基内任一水平面上，地震前只有法向应力σ,没有剪应力T错误！未找到引用源。
即τ=0;地震时的地震作用将引起一个反复循环作用的剪应力±τ而法向应力仍然保持σ不变。
这样我们可以通过动三轴仪试样中45o面上应力的变化来模拟地震时地基中任一水平面上的应力状态。
此时，地震前的应力状态就相当于在试样上施加一个均等的固结应力，即σc= σc= σ;在地震期间，可以用在轴向施加轮番增加和减少的动应力也，径向压力保持不变。
此时单向激震动三轴的应力条件可视为与地震时的应力条件相等效。
四、实验步骤
1.试样制备
（1）用托盘天平称取153g干砂和10ml水，将两者均匀混合。
（2）将土样分成4份依次装入击实筒中，分层击实，每次击实高度为2cm，为了防止土样分层，每层击实后应将试样表面打毛。
最后一次击实后，土柱高度为8cm,直径为3.91Cm,密度为1.697g∕cm3
（3）用抽气法使乳胶薄膜与样模的周壁紧贴，形成要求的体积和形状的空腔，将压实制备好的土样放入样模中，然后在负压下进行脱模。
（4）在套有乳胶模的试样两侧安装上透水石。
2.试样安装
将制备好的套有乳胶薄膜和安好透水石的试样，固定在三轴仪上，将试样的乳胶薄膜分别套在三轴仪的试样帽和试样座上，并用橡皮条将乳胶薄膜与试样帽和试样座勒紧。
3.试样饱和
试样采用抽气法使试样饱和。
具体步骤如下：
（1）关闭排水阀，打开抽气阀，从试样的上部抽气，向三轴试验仪的压力室内充水，使水没过试样少许即可。
（2）抽气持续15-20 分钟后，打开排水阀，使水缓慢的从试样底进入试样，使土样饱和。
注意玻璃管内的水位变化，及时向玻璃管内加水。
（3）当水从试样顶部的抽气管流出后，关闭抽气阀。
此时玻璃管内的水位仍在下降，说明水仍在流入试样中，先不要关闭排水阀，持续一段时间，待玻璃管内的水位与压力室内的水位持平，并且不再下降时，关闭排水阀。
4.试样固结
（1）保持排水阀、抽气阀关闭，将控制柜上显示的孔隙水压力调零。
（2）保持排水阀、抽气阀关闭，向试样施加100kPa 的围压。
观察控制柜上显示的空隙水压力的最终值，如果孔隙水压力大于或等于95kPa,此时认为土样
已经充分饱和。
（3）如果土样充分饱和，则打开排水阀，进行排水固结。
（4）待试样充分排水固结后，关闭排水阀。
5.施加动应力测定土的动强度
（1）通过调节控制柜上的旋钮，使传力轴与试样顶帽接触，但不向试样施加力。
（2）确定动剪应力比，求出需要施加的动应力σ的值。
-80
(3) 在微机上将相关参数归零，然后设置相关参数，输入施加动应力值。
开始施加动应力。
(4) 观察微机上动应力，动应变，动孔压的变化，当发现动应变骤然变大, 动应力不能完全施加时，立即停止试验，保存记录的试验数据。
五、实验数据处理
此次实验共分为四组，采用的动剪应力比 Od ∕2o c 分别为
0.3，0.35, 0.38和
0.42。
第一组实验时确定的动剪应力比为 0.3,实验得到动应力，动应变和动孔压 时程曲线如下图。
对于第一组数据，取孔压突变的点为强度破坏点，破坏时循环 次数 N f =965。
80 —I
图1动应力时程曲线
ap^ndao
O
O O O 60 40 20
10
图2动应变时程曲线
apκ^eIUSSAΓP reLa WPO
N
图3动孔压时程曲线
第二组实验时确定的动剪应力比为0.35,实验得到动应力，动应变和动孔压时程曲线如下图。
对于第二组数据，取孔压突变的点为强度破坏点，破坏时循环次数N f=1520
-8
a o P ⅛a o O
O -8
O O 6 4 O 2 O
O
-2
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图4动应力时程曲线
40
I 50
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∣VΛΓ∣V I 1∣V∣W
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40
图5动应变时程曲线
-80
∖ ~1 I 1 I 1 I 1 I 1 I ~1 I 1 ~I 1 I
0 20 40
60
80
100
120
140
160
N
图6动孔压时程曲线
第三组实验时确定的动剪应力比为 0.38,实验得到动应力，动应变和动孔压 时程曲线如下图。
对于第三组数据，取孔压突变的点为强度破坏点，破坏时循环 次数N f =37。
图7动应力时程曲线
a D I K ^e l u s e l P l r r a W e l O P I. .h
apκ^dapL
O O
Idhn
J-L
2 --- ----
24N
4
40 50
图9动孔压时程曲线
图8动应变时程曲线
0 10 20 30
10
5
-5 -10 -
15 100
80
60
40
20
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40 50
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4
40 50
图9动孔压时程曲线
N
第四组实验时确定的动剪应力比为 0.42,实验得到动应力，动应变和动孔压
时程曲线如下图。
对于第三组数据，取孔压突变的点为强度破坏点，破坏时循环
次数N f=&
120
80
40
12 -40
-80
图10动应力时程曲线
10
5
-5
-10
-15
图11动应变时程曲线
图12动孔压时程曲线
五、试验总结
试验编号动剪应力水平（2二C）液化振次（Nf）
10.3965
20.35152
30.3837
40.42812
120
048
10 1000。
沙土液化动三轴实验报告
砂土液化动三轴试验报告一 实验器材振动三轴仪（包括控制部分，加载部分），粉砂，托盘天平，游标卡尺，击实仪，真空泵等。
二 实验原理地震时，土层中土单元应力状态可看为如下图一所示的简化。
地震荷载被看为由自下而上的剪切波引起的，是一种幅值，频率不断变化的不规则运动。
当在振动三轴仪上模型这种应力状态时，将不规则振动简化为等效常幅有限循环次数的振动，即在试件上模型两种应力状态，有效覆盖压力引起的静应力0γσ和00K γσ地震均匀循环剪应力为hv τ。
图一 水平土层土单元应力状态试件本身应在密度，饱和度和结构等方面尽可能模型现场土层的实际状况。
除取原状土做实验外，在实验室内也须准备重塑试件。
考虑地震过程时间短暂，地震产生的超孔压来不及消失，所以实验室在不排水条件下进行的试验。
为实现上述模型，本实验采用不排水循环载荷三轴试验来实现上述模型。
假如在试件上先施加各项均等固结压力0σ，后在垂直方向施加2dσ±循环载荷的同时，横向也施加2dσm的荷载，如下图二所示，试件45度斜面上的应力状态与图一相似，其初始法向应力为0σ，初始剪应力为零，与地震前单元水平面承受的0γσ相当，双向循荷载2d σ作用并不该变45度倾斜面上的法向应力0σ值，而只产生循环剪应力2dd στ=，相当于图一中右图的受力情况，即图二中第（1）栏所示在三轴试验中为了模型所要求的应力状态。
显然，双向振动三轴仪能方便地实现这种应力状态。
而在饱和不排水情况下，单项振动0γσ0τ0γσ的三轴试验通过空压修正也能获得同样的应力状态。
此时，施加的应力状态如同图二中（4）栏所示，只在垂直方向施加动荷载d σ±，当轴向增加d σ时，设想各向均等压力减少2d σ，所构成的等效应力状态恰好与所要求的相同；于此相似，轴向减少d σ时应当增加各向均等压力2d σ，由于是饱和不排水的，各向均等压力的变化只能引起试件中空隙水压力的相应变化，对有效应力，也即对试件的强度和变形并无影响。
饱和砂土液化及治理措施(土动力学论文)
昆明理工大学土动力学课程论文饱和砂土地震液化及治理措施姓名：***学号：**********专业：建筑与土木工程201306011. 前言2.饱和砂土振动液化机理3. 影响饱和砂土液化的主要因素 3.1 土的性质3.2 土的初始应力状态3.3 振动的特性4. 饱和砂土的地震液化效应4.1 强度失效4.2 喷水和冒砂4.3 滑移5. 饱和砂土地震液化治理措施简介6. 结语饱和砂土地震液化及治理措施摘要:我国是多地震国家,地震区分布广,地震灾害严重,许多重要设施处于地震液化敏感区内。
本文从饱和砂土振动液化的机理、影响因素、液化效应及治理措施等几个方面进行了分析和介绍。
关键词: 饱和砂土; 地震液化; 液化效应; 治理措施Earthquake liquefaction of saturated sandy soil and control measures Abstract: Earthquakes occur frequently in our country, the disaster is serious, widely distributed in the earthquake zone, many earthquake liquefaction of important facilities in a sensitive area.This paper from the mechanism of vibration liquefaction of saturated sandy soil, influencing factors and liquefaction effect and control measures etc. Several aspects are analyzed and introduced.Key Words：Saturated sand; Earthquake liquefaction; Liquefaction effect; Control measures1前言在场地和地基的抗震勘察设计和研究中, 饱和砂土的地震液化是最为突出的问题。
砂土地震液化总结
砂土地震液化总结砂土液化是指饱和砂土在地震，动荷载或其他外动力作用下，砂土受到强烈振动后，致使土体丧失强度，土粒处于悬浮状态，造成地基失效的作用或现象。
砂土液化可能引起的工程地质问题有涌砂、地基失效、滑塌、地面沉降及地面塌陷等。
一、砂土地震液化机制1.砂土液化的机理饱和砂土在地震力作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土土体骨架转向水，由于砂土渗透性不良，孔隙水压力逐渐累积，有效应力下降，当孔隙水压力累计至总应力时，有效应力为零，土颗粒在水中处于悬浮状态。
2.砂土液化的影响因素影响砂土地震液化的因素包括内因饱和砂土和外因地震作用两方面。
其中饱和砂土包括土体类型和性质以及饱和砂层的埋藏条件。
地震作用指地震强度和地震持续时间。
（1）土体类型和性质以以砂土的相对密度Dr以及砂土粒径和级配表征砂土液化条件。
（如表1所示）表1 影响砂土地震液化的因素之土体条件因素指标对液化的影响颗粒特性粒径平均粒径d50细颗粒较容易液化，平均粒径在0.1mm左右的粉细砂抗液化性最差级配不均匀系数C u C u越小，抗液化性越差，黏性土含量愈高，愈不容易液化形状圆粒形砂比棱角形砂容易液化密度相对密实度D r密度愈高，液化可能性愈小渗透性渗透系数K 渗透性低的砂土易液化结构性颗粒排列胶结程度均匀性原状土比结构破坏土不易液化，老砂层比新砂层不易液化压密状态超固结比OCR 超压密砂土比正常压砂土不易液化（2）饱和砂层的埋藏条件包括地下水埋深，砂土层上的非液化黏土层厚度。
表2 影响砂土地震液化的因素之埋藏条件因素指标对液化的影响上覆土层上覆土层有效压力上覆土层愈厚，土的上覆土层有效压力愈大，愈不容易液化静止土压力系数k0排水条件孔隙水向外排出的渗透路径长度液化砂层的厚度排水条件良好有利于孔隙水压力的消散，能减小液化的可能性边界土层的渗透性地震历史遭受过历史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化，但曾发生过液化又重新被压密的砂土却易重新液化（3）地震强度指实测地震时最大地面加速度，计算在地下某一深度由处于地震而产生的实际剪切力，再用以判定该深度处的砂层能否液化。
沙土液化动三轴实验报告
沙土液化动三轴实验报告一、实验目的本次实验旨在通过沙土液化动三轴实验，探究沙土的液化特性，并了解液化过程中土体的变形和强度特点。
二、实验原理液化是指土体在一定的地震作用下，由于孔隙水的压力上升，导致土体的有效应力减小，土体之间的黏聚力和内摩擦角降低，从而使土体失去强度，变成流态。
液化特性主要与土体的饱和度、密实度、颗粒形状、颗粒尺度以及应力路径等因素相关。
三、实验设备与试验方法1.设备本实验主要使用三轴试验仪、振动台等设备。
2.试验方法（1）样品制备：将现场采集的沙土样品通过筛网过筛，去除其中的杂质。
再将筛选好的沙土样品加水充分搅拌，使其充分湿润。
（2）装填样品：将湿润的沙土样品按照一定的容积比例装填到三轴试验仪的试样室，同时密实样品，使其达到设定的密实度。
（3）施加应力：通过液压系统施加垂直应力和水平应力，模拟地震作用。
（4）振动台加载：通过振动台加载，在特定频率和振幅下施加振动载荷，加速土体的液化。
（5）数据记录：在试验过程中，记录土体的应力、变形、强度以及振动参数等数据。
四、实验结果与分析1.试样变形特征在实验中，观察到振动台加载后的沙土试样出现明显的沉降和变形现象。
开始时试样表面平整，随着振动载荷的施加，试样整体开始呈现沉降变形，并最终转化为流态。
土体的体积变化率也随着振动载荷的增加而增加。
2.应力-应变特性在试验过程中通过三轴仪器记录下试样的应力和应变数据，得到了土体应力-应变曲线。
初期，试样受到振动加载后的应力短暂增大，随后逐渐降低。
应变曲线呈现出一个明显的凹型，初期应变增大较慢，随后逐渐加快，最后呈现出急剧增大的趋势。
3.试验参数对液化过程的影响通过对不同振动频率、振幅以及样品密实度等参数的调整，可以得到不同条件下的液化情况。
实验结果表明，振动频率和振幅对液化过程有显著影响，较大的振幅和频率会导致试样较快地发生液化。
样品的密实度对液化也有一定的影响，较低的密实度下试样更易液化。
五、实验结论通过沙土液化动三轴实验，我们得到了沙土在液化过程中的变形和强度特性。
易贡滑坡液化土动三轴试验分析的开题报告
易贡滑坡液化土动三轴试验分析的开题报告一、选题背景及研究意义随着我国经济的迅速发展，工程建设规模逐渐扩大，土工材料的应用也越来越广泛，但同时也出现了一些土地工程问题。
其中之一就是地震引起的滑坡和液化问题，给工程安全带来了严重的威胁。
目前，国内外对于滑坡和液化问题的研究已经取得了一定的成果，但是在实际工程应用中仍然存在一些问题。
易贡滑坡是我国西南地区典型的滑坡类型之一，土层为液化土，因其在地震时容易发生液化而引起滑坡。
因此，对易贡滑坡液化土的性质及其变形规律进行研究，对于深入了解滑坡形成机理，制定相应的防治措施具有重要的意义和价值。
二、研究内容本研究主要针对易贡滑坡液化土的动三轴试验进行分析，通过变形和应力的监测，探究易贡滑坡液化土的力学特性和变形机理，为进一步分析滑坡的形成和发展提供基础数据。
具体研究内容包括：1.易贡滑坡地质及土工性质研究，对地质构造和地震情况进行描述和分析，确定试验所需液化土的基本物理参数。
2.动三轴实验方案的设计，包括试验参数的确定、测试设备的选取以及实验过程的安排和控制等。
3.实验过程的监测与分析，通过应变仪、应力计等设备对试验过程进行实时监控和采样分析，获取试样力学特性和变形规律数据。
4.分析易贡滑坡液化土的致灾机理，通过对试验数据的分析和对比，探究易贡滑坡液化土在地震中发生液化和滑坡的形成机理。
5.总结研究结论，提出相关建议和措施，为滑坡防治工作提供参考。
三、研究方法1.采用室内动三轴试验设备进行试验研究，探究易贡滑坡液化土的变形特性和力学特性。
2.选择合适的应变仪、应力计等设备进行试验过程的数据监测和采样分析。
3.通过比较试验数据，对试验结果进行分析和总结，推断易贡滑坡液化土的变形机理和液化机理。
四、研究进度安排2021年6月-2021年9月：完成文献调研和预备研究。
2021年10月-2022年1月：设计试验方案，确定设备选用和实验流程。
2022年2月-2022年5月：完成试验过程的监测和数据采集，准备分析数据。
动荷载下砂土液化的分析及其处理研究
动荷载下砂土液化的分析及其处理研究本文介绍了砂土液化的原理，论述了砂土液化的形成条件，在砂土液化的判别中，分别叙述了Seed法和规范法两种常见的砂土液化的判别方法，并对两种方法进行分析，最后介绍砂土液化的防护措施。
标签：砂土液化液化原理处理措施1前言对于砂土液化的研究，由于其目的和观点的不同，使其有多种的解释，最普遍的认识是饱和的砂土或粉土在地震的作用下，饱和砂土或粉土经历强烈的振动后，使土体呈现出一种近乎于液体的悬浮状态，导致土体失去强度产生失效的现象。
通常，砂土液化会造成更大的伤害：例如，地基承载力的损失；液化土流下，造成高孔隙压力的浮动结构；喷沙形成将导致侧向压力的增加；当覆盖上一层破裂，会有水和砂现象，常常导致不均匀沉降的建筑物，使建筑物出现倾斜，开裂和破坏。
对过去发生的地震事件，由于灾害造成的土壤液化已成为不可或缺的工程灾害，所以研究者越来越多的关注研究砂土液化。
2液化原理[1]松散的砂土与粉土，在地下水的作用之下达到饱和。
在受到动应力作用下变得更加紧密，由于土的结构遭到剪揉作用而迅速破坏，此时，空隙中的空气来不及排除使孔隙水压力迅速增长到上浮有效应力，在短时间的动荷载作用下，使土颗粒之间相互传递的压力变小，当有效应力彻底消散时，土体丧失了抗剪强度和承载力，并表现出液体所呈现出的形态，这就是砂土的液化现象。
饱和砂土和粉土下加载，迅速消失的抗剪强度和其抗剪强度可以表示为：（1）在地震前，由砂骨架，承担该部分只有其土壤在此时砂地基处于稳定状态，承受水的静水压力图（I）。
（2）对地震应力反复作用，框架会产生位移，状态的变化，和饱和砂量是相同的，地震动态应力承受代替砂骨架。
这样，造成孔隙水压力的急剧增大，等到孔隙水压力等于或大于土体所承受的总应力时，饱和砂土液化，土壤结构完全破坏，土壤颗粒悬浮在水中，并在地裂薄弱部位喷射出来，导致冒沙现象，见图（II）。
（3）液化后，悬浮颗粒逐渐下沉，骨架被破坏，损失的地基承载力及地表沉降引起的倾斜，见图（III）。
砂土地震液化后大变形特性试验研究
应变渐近线的值， 则可将式 （!） 改写成： （(） * " !0,1 $ - 为砂土液化后应力应变曲线的初始切线斜
!)
($
"
-
)
式中
图$ 2-34 +
经坐标变换后的应力应变关系
率； !0,1 为砂土液化后应力应变曲线应变渐近线值。
51&677871&’-9 &67:;9767 -9 <-==6&691 >;;&<-9’16 7?716.
01显然用双曲线方程来表示砂土液化后的应力应变关系模型形式简洁使用方便且模型中参数的物理意义明确因为土体应力应变曲线的切线模量模型的验证为了验证用双曲线模型来表示砂土液化后应力应变关系的可行性笔者用两部分数据对模型进行了验证一部分是本次试验有效固结压力499别为398的一组数据结果见图可见试验曲线跟模型预测曲线对应关系较好
通过对试验资料以及震害调查资料的回归分析建立了
!
前
言
!
［!， )］ 一些经验的大变形预估公式 。 91H:;1 等基于室内
液化后大变形是指饱水砂土地基在地震液化后强 度极度降低， 在建筑物荷载或土体自重作用下， 地表出 现大的垂直向或侧向变形的现象， 它会使液化区的各 种地下结构、 生命线工程产生巨大的破坏。"$@- 年的 唐山 @ ? % 级大地震引起的一些桥梁的缩短； "$$# 年菲 律宾吕宋岛 @ ? % 级地震， A16:B1 市 C12D14 河岸产生的 大变形最大为 - E； 地 "$$* 年日本阪神 @ ? ! 级大地震， 震液化引起了大范围的地基侧向变形， 最大侧向变形 达 * E。地基变形导致了大量的管道设施破坏、 建筑 ［"］ 物的移动破坏等 。尽管在过去的几十年中对砂土液 化进行了广泛研究， 但研究的重点主要放在液化的影 响因素、 产生机理和条件以及液化可能性方面， 对液化 后的变形， 特别是大变形研究相对较少。对液化后大 变形的研究主要从室内和现场两个方面着手， 室内试 验研究可对大变形发生的机理、 条件、 影响因素等进行 分析， 现场研究可以从宏观上把握大变形发生的一些 规律， 并可对室内试验研究的结果进行验证。 砂土地基地震液化后大变形会引起地基的严重失 效， 产生灾难性的损失， 如能对液化后大变形进行较准 确的预测， 则可采取相应的措施使这种损失降低到较 小程度。对砂土地基地震液化后的大变形进行预测， 不少学者提出了预测方法。01E1;1、 F1GD4>DD 和 95:; 均
土的力学性质指标及其室内测定--振动三轴试验
第七章 土的力学性质指标及其室内测定
第五节 振动三轴试验
整理课件
（a）各向等压消散试样装置 （b）K0 消散试样在压力室内装置
1—孔隙压力阀；2—周围压力阀；3—排水管阀；4—排气阀；5—压力室底座； 6—加压上帽；7—透水板；8—压力室整；理9课—件试样；10—活塞；11—环刀；12—橡皮膜
三 孔隙水压力消散试验
• （五） 操作要点
• 5.1 各向等压消散试验
第五节 土的振动三轴试验
• 四 仪器设备
• 主要设备：电磁式振动三轴仪，有常规控制和计算机控制
式两种。由主机、静力控制系统、动力控制系统和量测 系统组成。 • 主机：包括压力室和激振器等，如图6.5-4所示。 • 静力控制系统：用于施加围压、轴压和反压等，与一般 静三轴仪基本相同。 • 动力控制系统：包括交流稳压电源、超低频信号发生器、 超低频峰值电压表、电源、功率放大器、超低频双线示 波器等。 • 量测系统：用于量测轴向力、轴向位移、及孔隙水压力， 由传感器、动态应变仪、光线记录示波器或x－y函数记 录仪等组成。 • 辅助设备：与一般静三轴整试理验课件相同。
• 试验测得的参数一是用于分析周期荷载作用下地基和结 构物的稳定问题，特别是砂土液化问题；另一是用于计 算周期荷载作用下土体在一定范围内引起的位移、速
度、加速度和应力随振次的变化等。 • 本试验适用于饱和砂土、粉土和黏土。一般采用固结不
排水试验。
• 三 采用标准：SL237－032－1999
砂土液化及防范措施
砂土的液化及防范措施【内容提要】明确砂土液化影响因素，判定液化等级，消除液化的措施及要求。
【主题词】砂土液化1、前言饱和砂土（含粉土，泛指无粘性土和少粘性土）在动力荷载（循环震动）作用下表现出类似液体性状而完全失去承载力的现象。
砂土颗粒间无内聚力的松散砂体，主要靠粒间摩擦力维持本身的稳定性和承受外力。
当受到振动时，粒间剪力使砂粒间产生滑移，改变排列状态。
如果砂土原处于非紧密排列状态，就会有变为紧密排列状态的趋势，如果砂的孔隙是饱水的，要变密实效需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细则整个砂体渗透性不良，瞬时振动变形需要从孔隙中排除的水来不及排出于砂体之外，结果必然使砂体中空隙水压力上升，砂粒之间的有效正应力就随之而降低，当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化。
地震、波浪、车辆行驶、机器震动等都可能引起饱和砂土的液化。
其中以地震引起的大面积甚至深层的砂土液化危害最大。
2、砂土液化的形成机制砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。
由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性反复作用下，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必然产生相互错动并调整其相互位置，以便降低其总势能最终达到最稳定状态。
如果砂土位于地下水位以上的包气带中，由于空气可压缩又易于排出，通过气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程，此时只有砂土体积缩小而出现的“覆陷”现象，不会液化。
如果砂土位于地下水位以下的饱水带，情况就完全不同，此时要变密就必须排水。
地层的振动频率大约为1一2周期／秒，在这种急速变化的周期性荷载作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水，如砂的渗透性不良，排水不通畅，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产生了。
应排除的水不能排出，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。
饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究
第４６卷㊀第１期２０２４年１月地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报C H I N A E A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GJ O U R N A LV o l ．４６㊀N o ．１J a n u a r y,２０２４㊀㊀收稿日期:２０２３Ｇ０７Ｇ１８㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(５１７７８１５９)㊀㊀第一作者简介:郭舒洋(１９８９－),女,博士研究生,主要从事土动力学试验研究工作.E Ｇm a i l :i n n o v a t o r _３９＠１６３．c o m .㊀㊀通信作者:单㊀毅,男,博士,副教授,主要从事土动力学试验研究,地震工程.E Ｇm a i l :ys h a n ＠g z h u ．e d u ．c n .郭舒洋,崔杰,吴杨,等．饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究[J ]．地震工程学报,２０２４,４６(１):８４Ｇ９４．D O I :１０．２００００/j．１０００Ｇ０８４４．２０２３０７１８００１G U OS h u y a n g ,C U I J i e ,WU Y a n g ,e t a l ．D y n a m i c t r i a x i a l t e s t s o f t h e l i qu e f a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s a t u r a t e d c o r a l s a n d [J ]．C h i Ｇn aE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g J o u r n a l ,２０２４,４６(１):８４Ｇ９４．D O I :１０．２００００/j．１０００Ｇ０８４４．２０２３０７１８００１饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究郭舒洋１,崔㊀杰１,吴㊀杨１,单㊀毅１,中田幸男２,梶山慎太郎２(１．广州大学土木工程学院,广东广州５１０００６;２．山口大学地盘工学,日本山口７５５Ｇ８６１１)摘要:为调查饱和珊瑚砂液化相关特性与发展规律,针对饱和C h i b i s h i 珊瑚砂,开展一系列不排水循环三轴试验,研究相对密度D r 和循环应力比C S R 对饱和C h i b i s h i 珊瑚砂的超孔隙水压力Δu ㊁轴向应变εa 及动强度特性的影响,并分析不同地区珊瑚砂抗液化强度的差异性.结果表明,饱和C h i b i s h i 珊瑚砂的Δu 发展模式根据不同的C S R 水平可以分为前期均匀增长型㊁前期突增型和后期突增型;此外,采用一种新的孔压模型对前期均匀增长型㊁前期突增型的孔压比r u 进行表征,C h i b i s h i 珊瑚砂在相同的D r 条件下,双幅应变εD A 达到５％的循环次数N 随着C S R 水平的增加而逐渐减小;各珊瑚砂在同一里氏震级对应的等效循环振动次数下,抗液化强度C R R 的增长模式存在显著差异.研究结果可丰富对珊瑚砂液化特征的认知,同时对近岸和沿海工程的抗震设计提供参考依据.关键词:饱和珊瑚砂;孔压发展;轴应变发展;动强度中图分类号:P ３１９．５６㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００Ｇ０８４４(２０２４)０１－００８４－１１D O I :１０．２００００/j．１０００Ｇ０８４４．２０２３０７１８００１D y n a m i c t r i a x i a l t e s t s o f t h e l i qu e f a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s a t u r a t e d c o r a l s a n dG U OS h u y a n g １,C U I J i e １,WU Y a n g １,S H A N Y i １,Y u k i oN a k a t a ２,S h i n t a r oK a j i ya m a ２(１．S c h o o l o f C i v i lE n g i n e e r i n g ,G u a n g z h o uU n i v e r s i t y ,G u a n g z h o u５１０００６,G u a n g d o n g ,C h i n a ;２．S c h o o l o f C i v i lE n g i n e e r i n g ,Y a m a g u c h iU n i v e r s i t y ,U b e ７５５Ｇ８６１１,J a pa n )Ab s t r ac t :F o r t h e c a r e f u l e x a m i n a t i o no f t h em e c h a n i c a l b e h a v i o r o f s a t u r a t ed c o r a l s a n d ,a se r i e so f u n d r a i n e d c y c l i c t r i a x i a l t e s t sw a s p e r f o r m e d o n s a t u r a t e d c o r a l s a n d (C h i b i s h i )．T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t r e l a t i v e d e n s i t i e s (D r )a n d c y c l i c s t r e s s r a t i o s (C S R s )o n t h e e x c e s s p o r ew a t e r p r e s s u r e (Δu ),a x i a l s t r a i n εa ,a n dd y n a m i cs t r e n g t ho f c o r a l s a n d w e r ee x p l o r e d ．T h r e e m a i nt y p e so f Δu ,i n c l u d i n g u n i f o r mr i s i n g i nt h ee a r l y s t a g e ,s u d d e nr i s i n g i nt h ee a r l y s t a ge ,a n ds u d d e n r i s i n g i n t h e l a t e s t a g e ,c a nb e d e v e l o pe d i n t h e p r e s e n c e of v a r i o u sC S R s ．I n a d d i t i o n ,a n e w p o r e pr e s s u r em o d e lw a s u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e p o r e p r e s s u r e r a t i o r u w i t hu n i f o r m g r o w t ha n d s u d Ｇd e n i n c r e a s e i nt h ee a r l y s t a g e．U n d e r t h es a m e D r,t h en u m b e ro fc y c l e s g r a d u a l l y d e c r e a s e d w i t ht h eC S R w h e nt h ea x i a l s t r a i nw i t hd o u b l ea m p l i t u d eεD A＝５％w a s c o n s i d e r e d．U n d e r eＧq u i v a l e n t d y n a m i c l o a d,d i f f e r e n c e s i n t h e d e v e l o p m e n t o f c y c l i c l i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c e f o r v a r i o u s c o r a l s a n d sw e r e d e t e c t e d．T h i s s t u d y e n r i c h e s t h eu n d e r s t a n d i n g o f t h e l i q u e f a c t i o nc h a r a c t e r i sＧt i c s o f c o r a l s a n d a n d p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h e s e i s m i c d e s i g n o f n e a r s h o r e a n d c o a s t a l p r o j e c t s．K e y w o r d s:s a t u r a t e d c o r a l s a n d;p o r e p r e s s u r ed e v e l o p m e n t;a x i a l s t r a i nd e v e l o p m e n t;d y n a m i c s t r e n g t h０㊀引言珊瑚砂是含有海洋生物(珊瑚㊁贝壳等)成分的一类特殊岩土介质,通常其碳酸钙含量高达９０％以上,远高于钙质砂定义的碳酸钙含量,因此珊瑚砂也是一种钙质砂.珊瑚砂矿物成分以生物文石㊁镁方解石和少量石英石为主[１Ｇ２].珊瑚砂主要分布在３０ʎS和３０ʎN之间的热带与亚热带气候的大陆架与海岸线一带.在工程中,珊瑚砂常被用作港口设施和人工岛地基的吹填材料.珊瑚砂颗粒具有不规则形状㊁颗粒棱角度高㊁颗粒内部孔隙发达等特点,使得珊瑚砂的力学特性与工程性质完全不同于陆相无黏性土[３].国内外学者针对珊瑚砂的静力特性开展了广泛的研究[４Ｇ７].与珊瑚砂的静力学特性认识相比,对珊瑚砂液化特性的认识相对较晚,这是因为以往的观点认为珊瑚砂不会液化或难以液化.最近的震害调查表明,饱和珊瑚砂场地在地震作用下会发生液化并引起严重震害[８Ｇ１０].因此,珊瑚砂的液化特性逐渐受到了国内外学者的关注.H y o d o等[１１]采用一系列不排水循环三轴试验对爱尔兰地区的D o g sB a y珊瑚砂的动强度进行了研究,建立了D o g sB a y珊瑚砂相变强度与动强度之间的关系,同时与T o y o u r a砂的动强度大小进行对比. S h a r m等[１２]分别对澳大利亚G o o d w y n地区和L e d g eP o i n t地区的珊瑚砂开展了一系列的不排水循环三轴试验,研究结果表明两个区域的珊瑚砂即使动应力Ｇ动应变行为是相似的,但动强度仍然存在显著差异.同时,P a n d o等[１３]认为,由于不同地域的珊瑚砂的沉积过程不同,其抗液化的阻力存在较大差异.国内学者也针对不同地区珊瑚砂的动力特性开展了研究.李建国[１４]研究了西沙群岛珊瑚砂在复杂应力路径作用下孔压的增长模式,研究结果表明珊瑚砂的孔压增长模式与主应力方向角的连续旋转有关.马维嘉等[１５]针对南沙岛礁珊瑚砂开展了一系列的不排水循环三轴试验,研究发现广泛使用的S e e d模型并不能很好地描述珊瑚砂孔压发展特征,并由此提出修正后的S e e d模型.G u o 等[１６]采用动三轴试验,研究了不同颗粒级配参数对于珊瑚颗粒液化特性的影响,结果表明珊瑚砾抗液化强度随着平均粒径d５０的增大而增加,随着不均匀系数C u的增大呈现出先增加后减小的趋势.虽然以上针对珊瑚砂的动力特性的研究已经取得一定的成果,但考虑到珊瑚砂受沉积过程㊁物理性质和取样环境等诸多因素的影响,其动力特性具有地域性差异.本试验依托广州大学海外合作项目,利用日本山口大学实验室提供的空气压力循环三轴试验仪,选取日本冲绳岛礁珊瑚砂(C h i b i s h i砂)作为试验材料,制备不同相对密度(R e l a t i v eD e n s i t y,D r)的试样,在不同的循环应力比(C y c l i c S t r e s sR a t i o,C S R)条件下进行一系列不排水循环三轴试验,分析饱和C h i b i s h i珊瑚砂的孔压及变形发展.根据各试样液化时所需循环次数,得到C h i b i s h i珊瑚砂的动强度曲线.同时,根据不同里氏震级对应的等效循环次数确定不同地域珊瑚砂的抗液化强度,并对不同地域珊瑚砂的抗液化强度进行对比.本研究丰富了珊瑚砂的动力行为和液化特性的认识,同时对近岸和沿海工程的抗震设计提供参考依据.１㊀试验概况１．１㊀试验材料本试验所用珊瑚砂采自那霸冲绳庆良间岛庆伊濑附近浅海区域,地理位置为２６°１０ᶄ７ᵡN,１２７°１７ᶄ５ᵡE,该区域为珊瑚砂主要分布区域.图１给出了珊瑚砂在光学显微镜１００μm下的图像.通过图像可以观察到珊瑚颗粒主要由贝壳和珊瑚残骸组成,颗粒呈现出片状㊁块状特征,且其表面具有多孔隙和粗糙的特点.利用X射线荧光光谱(X R F)和衍射(X R D)试验对珊瑚砂样品进行珊瑚砂矿物成分分析.试样结果表明C h i b i s h i珊瑚砂的碳酸钙含量为９３．４１％,且其主要的矿物成分为６２．４％~８１．１％的生物文５８第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭舒洋,等:饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊁１６．３％~３７．６％镁方解石㊁４．２％石英石和８．３％的其他成分.其矿物成分与文献[１Ｇ２]相同.图１㊀C h i b i s h i珊瑚砂光学显微镜图(１００μm)F i g．１㊀O p t i c a lm i c r o s c o p yp h o t oo fC h i b i s h i c o r a ls a n d(１００μm)根据规范A S T M D６９１３[１７],采用筛析法确定C h i b i s h i珊瑚砂的颗粒级配曲线,如图２所示,并在图中给出不同地域珊瑚砂的颗粒级配曲线图[１１,１３,１５]和易液化土边界[１８].观察图２可以发现,C h i b i s h i 珊瑚砂颗粒尺寸区间为０．０７５~２mm.根据规范A S T M２４８７[１９]土壤分类系统,C h i b i s h i珊瑚砂属于不良颗粒级配.此外,C h i b i s h i珊瑚砂位于易液化土边界范围内,初步判断其属于易液化砂.本试验根据规范A S T M D４２５３[２０]和A S T M D４２５４[２１]测得C h i b i s h i珊瑚砂的最大孔隙比(e m a x)和最小孔隙比(e m i n),其比重(G s)根据规范A S T M D８５４[２２]测得.具体物理参数指标列于表１,同时在表中也给出了不同地域珊瑚砂[１１,１３,１５]的基本物理参数.图２㊀不同珊瑚砂颗粒级配曲线[１１,１３,１５]F i g．２㊀P a r t i c l e d i s t r i b u t i o n c u r v e s o f d i f f e r e n tc o r a l s a nd s[１１,１３,１５]表１㊀不同珊瑚砂的基本物理性质指标[１１,１３,１５]T a b l e１㊀B a s i c p h y s i c a l p r o p e r t y i n d e x e s o f d i f f e r e n t k i n d s o f c o r a l s a n d s[１１,１３,１５]珊瑚砂名称产地碳酸钙/％平均粒径d５０/mm不均匀系数C u曲率系数C c相对密度G s最小孔隙比e m i n最大孔隙比e m a xC h i b i s h i日本９３．４１０．４７２．１７０．８３２．７７０．８２１．５３D o g sB a y爱尔兰９５０．２４１．０５Ｇ２．７５０．９８１．８３C a b oR o j o埃及９２．８０．３８２．１０１．０７２．８６１．３４１．７１南海中国＞９００．３１４．６７０．８６２．８００．９９１．７２１．２㊀试验过程与方案试验采用日本制空气压力循环三轴试验仪.试样直径为５０mm,高度为１００mm.试验步骤如下: (１)初期饱和.考虑到C h i b i s h i珊瑚砂颗粒存在内部孔隙,试样需要严格的排气过程,因此试样采用抽真空饱和法[１１].首先将C h i b i s h i珊瑚砂放入烘干箱２４h后取出,并根据表１最大㊁最小孔隙比配置试验目标D r的试样并放入脱气水中;紧接着将试样静置于真空环境下７２h,期间每８h取出试样搅拌以增强排气效果.(２)制样.待试样达到初期饱和效果后,从抽真空箱中取出试样备用.本试验采用水下落砂法进行制样,首先用脱气水清洗底座并放上透水石与滤纸,然后在底座套入乳胶膜并用橡皮筋捆扎,通过金属对开膜张开乳胶膜,在张开的乳胶膜中倒入脱气水至模具一半高度,用小勺将已初期饱和试样分五层加入模具内,并轻敲至预定高度以获得目标D r,之后放上滤纸和透水石,施加２０k P a的负压使试样体直立并拆除对开膜,组装上压力室,制样完成.(３)施加反压与饱和检测.采用分级施加反压与围压的方法,在分级施加围压与反压时,围压与反压相差２０k P a,每一级之间相差５０k P a,其中每一级停留３０m i n待围压与反压达到稳定,逐步施加反压达到２００k P a超过１h,进行B值检测.B＞０．９５以上可认为试样达到饱和状态. (４)固结.饱和完成后,打开排水阀,在初始有效围压σᶄc＝１００k P a下进行各向同性固结,固结时间为２h,当反压体积曲线稳定不变时,认为试验固结完成.(５)施加循环荷载.初始有效围压σᶄc保持不变,关闭排水阀门,采用应力控制,施加频率为０．１H z[１１,２３]的正弦波轴向循环荷载.循环应力比C S R ＝σd/２σᶄc,其中σd为动荷载幅值,σᶄc为初始有效围压,N为循环次数.在试验期间σd能够保持稳定,６８㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年液化前后没有衰减现象,试验结果可靠.本试验过程依据规范A S T M D５３１１[２４].试验考虑D r与C S R两个因素对珊瑚砂液化特性的影响,具体试验方案列于表２.表２㊀试验方案T a b l e２㊀T e s t p r o g r a m试样编号D r/％C S Rσᶄc/k P aA１４００．１４８１００A２４００．１９３１００A３４００．２４３１００B１６００．１９６１００B２６００．２８８１００B３６００．３７３１００C１８００．２４９１００C２８００．３７８１００C３８００．４４９１００１．３㊀液化破坏判别准则不排水循环三轴测试液化判别存在两种标准: (１)孔压液化判别标准.试样在不排水循环荷载作用下,超静孔隙水压力(E x c e s sP o r e W a t e rP r e sＧs u r e,Δu)发展至σᶄc[２５],认为试样初始液化发生.(２)应变液化判别标准.试样在循环荷载作用下,轴向应变(A x i a l S t a r i n,εa)达到某一特定值,认为试样初始液化发生,通常采用双幅应变(D o u b l eA mＧp l i t u d eS t r a i n,εD A)达到５％[２６].本研究主要采用εD A＝５％作为液化判别条件.此外,试验在动荷载作用下发生液化后,继续施加３~１０个循环应力后停止试验.２㊀试验结果２．１㊀动孔压图３为C h i b i s h i珊瑚砂Δu时程曲线图.观察图３可以发现,试样的Δu在不排水循环荷载作用下均没有达到初始有效围压σᶄc＝１００k P a,相似的试验结果能在L i等[２７]的饱和珊瑚砂不排水循环三轴测试中观察到.他们解释该现象的发生是因为颗粒破碎后颗粒孔隙内部的非饱和水被释放,导致Δu 未能达到σᶄc.如图３所示,Δu的发展曲线可以分为三种增长模式:(１)后期突增模式;(２)前期匀速增长模式;(３)前期突增模式.图３㊀珊瑚砂孔压时程曲线F i g．３㊀T i m eＧh i s t o r y c u r v e s o f p o r ew a t e r p r e s s u r e f o r s a m p l e s㊀㊀图３(a)㊁(b)和(c)为后期突增模式中,它们在加载初期,Δu的发展曲线呈现 直线型 增长,波动形态保持一致;当Δu发展到７０k P a起,其增长速率会明显增加,在每一个循环次数内,曲线开始丧失７８第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭舒洋,等:饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀最初的波形动态,波峰波谷的振幅以很快的速度偏离中心位置;当Δu 发展到９０k P a 后,Δu 在９０k P a附近保持稳定波动.比较图３(b )和(d ),当试样的D r 从４０％增至６０％,Δu ＝９０k P a 所需要的循环次数(N u m b e r o f c y c l e s ,N )从１８次增加到４０次.证明在相同水平的C S R 条件下,Δu 的发展速率随着D r 的增加而明显减缓.图３(e )㊁(g )和(h )为前期匀速增长模式,它们在加载初期,Δu 的发展曲线比第一类曲线更快速增长;Δu 增长至９０k P a 后,保持在９０k P a 上下波动.对比图３(g )和(h ),D r ＝８０％的Δu 发展曲线中,C S R 从０．２９４增长至０．３７８,试样发展到９０k P a 所需要的N 从２４次减少到８次,证明在相同D r 的条件下Δu 的增长速率随着C S R 的增加而增加.观察图３(e )和(g ),在相似的C S R 水平下,试样的D r 从６０％增长至８０％,Δu 发展至９０k P a 所需要的N 从８次增加到２４次,证明Δu 的增长速率随着D r 的增加而减少,该发展规律与后期突增模式的规律一致.比较图３(b )㊁(d )㊁(e )㊁(g )和(h ),可以发现当C S R 较小时,C h i b i s h i 珊瑚砂Δu 的发展曲线为后期突增模式;但C S R 较大时,C h i b i s h i 珊瑚砂Δu的发展曲线为前期匀速增长型模式.表明不同的C S R 水平将改变Δu 曲线的发展模式.图３(c )㊁(f )和(i )为前期突增模式,在该增长模式中,Δu 曲线在１~２个N 后达到６０~７０k P a,随后增长至９０k P a 上下并保持波动,且每一个周期内孔压波动较大.对比图３(c )㊁(f )和(i)试样的D r 从４０％增加至８０％,相应的C S R 也增加,但Δu 发展至９０k P a 所需要的N 保持在２~３次,推断土体结构已发生破坏.２．２㊀动应变图４为试样轴向应变εa 的时程曲线图.观察图４可以发现,试样的εD A 均达到５％的液化条件(如图４中的红线所示).C h i b i s h i 珊瑚砂εa 的发展曲线可以分为两类:(１)单幅应变增长模式;(２)总应变增长模式.图４㊀珊瑚砂轴应变时程曲线F i g ．４㊀T i m e Ｇh i s t o r y c u r v e s o f a x i a l s t r a i n f o r s a m pl e s ㊀㊀图４中(a )㊁(b )㊁(c )和(d )为单幅应变增长模式.在此模式中随着循环荷载的增加,起初εa 在横轴上下稳定波动,当达到一定的循环振次后,εa 波动幅值会急剧增加,并伴随单幅应变波动逐渐偏离８８㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年横轴,总应变继续以残余应变形态发展;在几圈循环振次后,试样发生液化.观察图４(b)和(d),εa的发展速率受到D r的影响,且与Δu的后期突增模式的发展规律类似.在相同的C S R水平下,试样的D r 从４０％增至６０％时,εa发展到εD A＝５％时所需要循环次数N从１８次增长至４０次.εa的发展速率也受到C S R的影响.对比图４(a)和(c),当D r＝４０％,C S R从０．１９３增长至０．３４９,εa发展到εD A＝５％时所需要N从８０次减少至４次.图４中(e)㊁(f)㊁(g)㊁(h)和(i)为总应变增长模式.此种模式与单幅应变增长模式相同.试样在加载初期,εa在横轴上下稳定波动,总应变基本不变;在接下来的几个循环里,横轴向下偏移,伴随总应变迅速累计增长,并持续增大,最终达到应变液化条件.比较图４(g)和(i),C S R＝０．２９４保持稳定波动的N要大于C S R＝０．４９９保持稳定波动的N;εa的发展速率受到C S R的影响,该发展规律与单幅应变增长模式相同.对比图４(e)和(g),D r＝６０％增长至８０％,出现液化所需要的N从１４次增长至２８次.比较图３和图４,试样在循环荷载的作用下Δu 达到９０k P a与εD A＝５％所需要的周期数相近.加载初期,珊瑚砂的有效应力来自于颗粒间的互锁效应[１１,１５],此时土体内部孔压较小,且增长较为缓慢,土体具有一定的强度,不会发生较大变形;随着循环荷载的作用,孔压持续发展,有效应力随之减小,珊瑚砂颗粒间的互锁效应被破坏,导致土体发生较大变形,最终发生液化.Δu与εa的发展曲线受到D r 和C S R的影响,表现为D r较小,施加的C S R水平越高,越容易发生液化.当施加的C S R过大时,土体结构有可能因无法承受外荷载发生破坏.３㊀数据分析３．１㊀孔压发展特征为了进一步讨论D r和C S R对C h i b i h s i珊瑚砂动孔压的影响.将孔压比r u定义为每一循环周期Δu的峰值与σᶄc的比值(r u＝Δu/σᶄc).N L代表试样达到液化(εD A＝５％)时的循环次数.图５给出了r u 与归一化N/N L的关系.如图５所示,当Δu为后期突增型时,r u曲线的发展由三个阶段组成:第一阶段,N/N L＝０．２,r u发展至０．３;第二阶段,随着循环荷载的作用,r u以 直线型 缓慢发展至０．７;第三阶段,当N/N L＝０．７~１．０时,r u迅速发展至０．９.与之相较,当试样Δu是前期均匀增长型和前期突增型,r u曲线的发展由两个阶段组成,第一阶段, N/N L＝０．４,r u迅速发展到０．８;第二阶段,随着循环荷载的作用,试样的r u以非常缓慢的速度发展至０．９.图５㊀C h i b i s h i珊瑚砂超静孔压的发展F i g．５㊀D e v e l o p m e n t o f e x c e s s p o r ew a t e r p r e s s u r eo fC h i b i s h i c o r a l s a n d广泛使用的S e e d孔压模型可以更好地拟合r u 的发展,如式(１)[２８]所示:r u＝１２＋１πa c r s i n２ N NLæèçöø÷－１éëêêùûúú㊀(１)式中:θ是和砂土有关的拟合参数.随后B o o k e r 等[２９],将式(１)简化为式(２):r u＝２πa c r s i n N NLæèçöø÷１２θ㊀(２)式中:θ的含义与S e e d孔压模型中的θ意义相同.使用式(２)对C h i b i s h i珊瑚砂r u进行拟合[图６(a)中黑色虚线所示],其不能较好地描述珊瑚砂的孔压发展特征.马维嘉等[１５]根据不排水循环三轴试验条件下珊瑚砂的孔压发展特征,在S e e d的孔压模型基础上提出了修正S e e d模型,如式(３)所示: r u＝aˑ２πa c r s i n N NLæèçöø÷１２θ＋bˑa c r t a n NN Læèçöø÷(３)式中:a㊁b㊁θ均为拟合参数.如图６(a)中红色实线所示,其中R２均高于０．９５,表明修正S e e d模型适合预测后期突增型的r u曲线.使用式(３)预测C h i b i s h i珊瑚砂具有前期均匀增长型和前期突增型特征的r u曲线[如图６(b)中黑色虚线所示],可以看到式(３)不能较好地预测此类r u曲线,因此提出新的预测模型,如式(４)所示:r u＝aˑ１－e－b∗N N L()()㊀(４)式中:a㊁b均为拟合参数.其中系数R２均为０．９８,拟合曲线如图６(b)红色实线所示.９８第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭舒洋,等:饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图６㊀不同类型孔压发展曲线预测数据与预测结果比较F i g ．６㊀C o m p a r i s o nb e t w e e n p r e d i c t e dd a t a a n d p r e d i c t e d r e s u l t s o f d i f f e r e n t t y pe s of p o r e p r e s s u r e d e v e l o pm e n t c u r v e s ３．２㊀轴向应变发展特征图７给出了C h i b i s h i 砂D r ＝４０％㊁D r ＝６０％和D r ＝８０％在不同C S R 下双幅应变εD A 与循环次数N 的关系曲线.由图７可知,εD A 的发展速率随C S R 的增加而增加.观察图７(a )D r ＝４０％的试样,当施加C S R ＝０．１４８时,试样εD A 发展曲线在第０~７０次循环作用保持水平增长,增长速率较为缓慢,在最后７次循环以极快的速率发展到５％,有明显的阶段发展特征.类似的发展规律可以在试样D r ＝４０％,C S R ＝０．１９３和试样D r ＝６０％,C S R ＝０．１９６里面观察到.然而,由图７(c )所示,D r ＝８０％的试样,当施加的C S R ＝０．２４９时,试样的εD A 曲线在０~２８次循环作用内以 直线型 发展到５％,没有明显阶段性特征出现.当C h i b i s h i 砂试样在施加C S R 大于０．２０时,εD A 的增长曲线也有类似的发展规律.εD A 发展规律与南海珊瑚砂相同[１５].图７㊀不同相对密度条件下珊瑚砂双幅应变增长曲线F i g ．７㊀G r o w t hc u r v e s o f d o u b l e a m p l i t u d e s t r a i no f s a m pl e su n d e r d i f f e r e n t r e l a t i v e d e n s i t i e s ４㊀动强度特性４．１㊀C h i b i s h i 珊瑚砂动强度土的动强度曲线是表征土体液化的重要指标.取C S R 与N L 的关系作为动强度曲线,其中N L 定义为试样达到εD A ＝５％的所需要的循环次数.基于图７,得到各D r 的动强度曲线,并用离散点绘于图８中.对相同D r 条件下的试样采用式(５)[３０]进行拟合,拟合结果如图８所示.C S R ＝a N b L ㊀(５)式中:a ㊁b 均为拟合参数.从图８中可以观察到,相同D r 条件下,N L 随着C S R 的增加而减少,三种D r 试样的动强度曲线呈现出平行特征.动强度曲线的位置随着D r 的增加而向上偏移.相同C S R 条件下,D r 越大达到液化所需要的N L 越多.同时,相同N L 条件下,D r 越大达到液化所需要的C S R 水平越高.表明C h i b i s h i 砂的动强度是随着D r 的增大而逐渐变大的.０９㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年图８㊀动强度曲线F i g．８㊀D y n a m i c s t r e n g t hc u r v e４．２㊀C h i b i s h i珊瑚砂与不同珊瑚砂抗液化强度图９比较了C h i b i s h i珊瑚砂与不同地域珊瑚砂在σᶄc＝１００k P a及D r＝４０％~８０％条件下的动强度曲线.由图９所示,在相同的σᶄc下,各珊瑚砂的动强度随着D r的增加而增加.整体上C h i b i s h i珊瑚砂的动强度比D o g sB a y珊瑚砂的动强度高,但比C a b oR o j o珊瑚砂的动强度低.当D r＝６０％时, C h i b i s h i珊瑚砂的动强度接近相同D r的南海珊瑚砂强度.当D r＝４０％时,C h i b i s h i珊瑚砂的动强度略低于D r＝４５％的C a b oR o j o珊瑚砂.C a b oR o j o 珊瑚砂具有最高的动强度.通常从土体的动强度曲线中定义土体的抗液化强度(C y c l i cR e s i s t a n c eR a t i o,C R R).C R R被定义为,一定的循环次数N下达到液化时所需要的C S R,即某N L值所对应的C S R值.此时,循环次数N L的取值采用拟考虑的震级大小确定的室内试验采用的等效循环振动次数(N f).例如:对于７．５级地震,S e e d等[３１]建议采用N f＝１５发生液化时所对应的C S R来表征土体的抗液化强度,记作C R R１５,如图９紫色实线所示,而M a r t i n等[３２]则表明采用循环加载N f＝２０发生液化所对应的C S R作为土体的C R R,记作C R R２０,如图９绿色实线所示.图９㊀不同类型珊瑚砂动强度对比[１１,１３,１５]F i g．９㊀C o m p a r i s o nb e t w e e nd y n a m i c s t r e n g t h s o fd i f fe r e n t t y p e s of c o r a l s a n d s[１１,１３,１５]表３根据图９给出除７．５级地震所对应的N f＝１５和N f＝２０条件下C R R与试样D r的关系,同时给出６级㊁７级和８级地震分别对应的N f＝５,N f＝１２,N f＝３０[３３]时,C R R与试样D r的关系.观察表３可以发现,C R R随着D r的持续发展而发展.以C h i b i s h i珊瑚砂在里氏７．５级条件下(N f＝１５)的C R R与D r的关系为例,当D r＝４０％时,C h i b i s h i 珊瑚砂抵抗液化所需要的C R R为０．１９６.当D r＝６０％时,C h i b i s h i珊瑚砂抵抗液化所需要的C R R为０．２７４,增长幅度为３９．８％.当D r＝８０％时,C h iＧb i s h i珊瑚砂的C R R为０．３３９,增长幅度为７２．６９％.相似的变化规律可以在N f＝５㊁N f＝１２㊁N f＝２０㊁N f＝３０条件下发现.表３㊀不同地域珊瑚砂的C R R与D r之间的关系T a b l e３㊀R e l a t i o n s h i p b e t w e e nC R Ra n d D r o f c o r a l s a n d s i nd i f f e r e n t r e g i o n s珊瑚砂名称D r/％N f＝５C R R增长幅度/％N f＝１２C R R增长幅度/％N f＝１５C R R增长幅度/％N f＝２０C R R增长幅度/％N f＝３０C R R增长幅度/％４００．２３５Ｇ０．２０３Ｇ０．１９６Ｇ０．１８７Ｇ０．１７４ＧC h i b i s h i６００．３７８６０．８５０．２９２４３．８４０．２７４３９．８００．２５２３４．７６０．２２３２８．１６８００．４１４７６．１７０．３５３７３．８９０．３３９７２．６９０．３２１７１．６６０．３０３５７．８５C a b oR a j o４５ＧＧＧＧ０．２０３Ｇ０．１９６Ｇ０．１８８Ｇ６５ＧＧ０．３９８Ｇ０．３８２８８．１８０．３６４８５．７１０．３３９８０．３２D o g sB a y６０ＧＧ０．１８２Ｇ０．１７８Ｇ０．１７３Ｇ０．１６６Ｇ８０ＧＧ０．３３３８２．９７０．３２６８３．１５０．３１５８２．１０．３０２８１．９南海４５ＧＧ０．２４８Ｇ０．２３９Ｇ０．２２７Ｇ０．２１１Ｇ６０ＧＧＧＧ０．２６３１０．０４０．２５２１１．０１０．２３８１２．８０１９第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭舒洋,等:饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图１０根据表３给出了各N f 条件下,不同珊瑚砂D r 与C R R 之间的关系.从图中可以看出,珊瑚砂C R R 的增长速率随着D r 的增加而增加.尤其是对于C h i b i h s i 砂而言,当N f ＝５时,D r 从４０％增加到６０％,C R R 快速增长,增长幅度为６０．８５％;当D r 从６０％增长到８０％,C R R 增长速度减缓,其增长幅度仅为９．８％.表明当里氏震级６级时,相对密度D r 超过某一阈值后,珊瑚砂土达到密实状态,抗液化能力增强.此外,如图１０所示,在相同的里氏震级条件下,不同地域的珊瑚砂的抗液化强度存在显著差异.例如:当里氏震级为７．５级时(N f ＝１５㊁N f ＝２０),C a b oR o j o 砂的C R R 随D r 增长速率曲线与D o g sB a y 砂接近平行,表明C a b oR o j o 砂与D o g sB a y 砂具有相同的增长速率,但这两种珊瑚砂的C R R 随D r 增长速率明显快于C h i b i s h i 珊瑚砂与南海珊瑚砂.图１０㊀C R R 与D r 的关系F i g ．１０㊀T h e r e l a t i o n s h i p be t w e e nC R Ra n d D r 图１１根据表３比较了C h i b i s h i 砂㊁C a b oR o jo 砂和南海砂在D r ＝４０％~６０％件下,各N f 对应的C R R 增长幅度.由图１１所示,珊瑚砂C R R 的增长幅度随着N f 的增加而逐渐变小.例如:当N f ＝１２时,C h i b i s h i 砂C R R 的增长幅度为３９．８％,而N f ＝３０时,C h i b i s h i 珊瑚砂C R R 的增长幅度为２８．１６％.这意味着在强地震作用下珊瑚砂极易发生液化.此外,相同的N f 条件下不同珊瑚砂的C R R 增长幅度并不相同,C a b oR o j o 砂的C R R 具有最高的增长幅度,其值为８０．３２％~８１．１８％.C h i b i s h i 珊瑚砂具有第二高的C R R 增长幅度,其值为５７．５８％~７３．８９％.南海珊瑚砂的C R R 增长幅度不明显.造成这一现象的原因可能是由于珊瑚砂沉积历史的不同,造成颗粒形状㊁颗粒尺寸和内部孔隙发育的不同,最终导致在相同的里氏震级条件下,抵抗液化时的耗能方式不同.T a t s u o k a 等[３４]提出不同的制样方法将造成土试样动强度的差异.A s a d i 等[３５]表明密实状态的易破碎砂土,选取不同的液化判别标准会对抗液化强度造成影响.图１１㊀不同地域珊瑚砂C R R 增长幅度F i g ．１１㊀C R R g r o w t h r a n g e o f c o r a l s a n d s i nd i f f e r e n t r e gi o n s ５㊀结论针对冲绳岛饱和C h i b i s h i 珊瑚砂开展一系列不排水动三轴试验,研究了D r 和C S R 对饱和珊瑚砂的Δu 和εa 随N 的发展规律,分析了C h i b i s h i 珊瑚砂的孔压的发展特征㊁轴向应变发展特征和液化特性,并对不同地域珊瑚砂抗液化特性进行分析.主要结论如下:(１)C h i b i s h i 砂的Δu 发展模式分为后期突增型㊁前期均匀增长型和前期突增型.Δu 模式与施加在试样上的C S R 大小有关.(２)对C h i b i s h i 砂的孔压比r u 曲线特征进行分析发现,后期突增型模式的r u 曲线与前期匀速增长型和前期突增型的r u 曲线不同.根据珊瑚砂前期匀速增长型㊁前期突增型孔压发展特征,提出了新的孔压预测模型,该模型能更好地描述以上两种r u 曲线特征.而后期突增型的r u 曲线采用修正S e e d模型可以较好地进行预测.(３)C h i b i s h i 砂的动强度受到D r 和C S R 的影响,其中D r 对珊瑚砂的液化发展起到决定性作用.动强度C S R 随着D r 的增加而增加.在同一里氏震级等效循环振动次数(N f )下,抗液化强度C R R 的２９㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年增长速率随着D r的增长而增长.(４)由于各珊瑚砂的沉积历史不同,导致在同一里氏震级条件下不同珊瑚砂的C R R有显著差异,主要表现为C a b oR o j o砂和D o g sB a y砂的C R R随D r增长速率相同,并且明显快于C h i b i s h i砂和南海砂.此外,在不同里氏震级条件下,C a b oR o j o砂的C R R增长幅度最大,C h i b i s h i砂次之,南海砂最小.参考文献(R e f e r e n c e 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t y o fP u e r t o R i c o,２００６．[８]㊀M E I J I A L H,Y E U A N G R．L i q u e f a c t i o no f c o r a l l i n es o i l sd u r i n g t h e１９９３G u a me a r t h q u a k e[C]//A S C EE a r t h q u a k eＧi n d u c e dm o v eＧm e n t s a n ds e i s m i cr e m e d i a t i o no fe x i s t i n g f o u n d a t i o n sa n da b u tＧm e n t s．S a nD i e g o,C a l i f o r n i a,t h eU S,１９９５:３３Ｇ４８．[９]㊀M E D L E Y E．G e o l o g i c a l e n g i n e e r i n g r e c o n n a i s s a n c eo fd a m a g ec a u s e db y t h eO c t o b e r１５,２００６H a w a i i e a r t h q u a k e s[J]．G e o l oＧg y,２００７,１:８９Ｇ１３５．[１０]㊀G R E E N R A,O L S O NS M,C O XBR,e t a l．G e o t e c h n i c a l a sＧp e c t s o f f a i l u r e s a t p o r tＧa uＧp r i n c e s e a p o r t d u r i n g t h e１２J a n uＧa r y２０１０H a i t i e a r t h q u a k e[J]．E a r t h q u a k eS p e c t r a,２０１１,２７(S u p p l０１):４３Ｇ６５．[１１]㊀H Y O D O M,H Y D E A F L,A R AMA K I N．L i q u e f a t i o n o fc r u s h a b l e s o i l s[J]．Géo t e c h n i q u e,１９９８,４８:５２７Ｇ５４３．[１２]㊀S H A RMASS,I S MA I L M A．M o n o t o n i c a n dc y c l i cb e h a v i o r o f t w oc a l c a r e o u ss o i l so fd i f fe r e n to r i g i n s[J]．J o u r n a lo fG e o t e c h n i c a la n d G e o e n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,２００６,１３２(１２):１５８１Ｇ１５９１．[１３]㊀P A N D O M A,S A N D O V A L E A,C A T A N OJ．L i q u e f a c t i o n s u s c e p t i b i l i t y a n d d y n a m i c p r o p e r t i e s o f c a l c a r e o u s s a n d s f r o mC a b oR o j o,P u e t r oR i c o[C]//P r o c e e d i n g o f t h e１５t h W o r l dC o n f e r e n c e o nE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g．L i s b o n,P o r t u g a l,S oＧc i ed a d eP o r t u g ue s ad e E n g e n h a r i a S i s m i c a(S P E S),２０１５:３０５０１Ｇ３０５１０．[１４]㊀李建国．波浪荷载作用下饱和钙质砂动力特性的试验研究[D]．武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,２００５．L I J i a n g u o．E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n d y n a m i c b e h a v i o r o f s a tＧu r a t e d c a l c a r e o u s s a n du n d e rw a v e l o a d i n g[D]．W u h a n:I n s t iＧt u t eo fR o c ka n dS o i l M e c h a n i c s,C h i n e s e A c a d e m y o fS c iＧe n c e s,２００５．[１５]㊀马维嘉,陈国兴,李磊,等．循环荷载下饱和南沙珊瑚砂的液化特性试验研究[J]．岩土工程学报,２０１９,４１(５):９８１Ｇ９８８．MA W e i j i a,C H E N G u o x i n g,L IL e i,e t a l．E x p e r i m e n t a l s t u d yo n l i q u e f a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s a t u r a t e d c o r a l s a n d i nN a nＧs h aI s l a n d s u n d e r c y c l i c l o a d i n g[J]．C h i n e s e J o u r n a l o fG e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１９,４１(５):９８１Ｇ９８８．[１６]㊀G U OSY,C U IJE,S HA N Y,e ta l．E x p e r i m e n t a l s t u d y o n l i q u e f a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c o r a l g r a v e l l y s o i l sw i t hd i f f e rＧe n t p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n s[J]．J o u r n a lof M a r i n eS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,２０２３,１１(７):１３５６．[１７]㊀A S T M C o mm i t t e e．S t a n d a r d t e s tm e t h o d s f o r p a r t i c l eＧs i z e d i sＧt r i b u t i o n(g r a d a t i o n)o fs o i l su s i n g s i e v ea n a l y s i s:D６９１３/D６９１３MＧ１７[S]．W e s tC o n s h o h o c k e n,P A:A S T MI n t e r n a t i o nＧa l,２０１７．[１８]㊀M i n i s t r y o fT r a n s p o r t a t i o no f J a p a n．D e s i g ns t a n d a r d f o r p o r ta n dh a rb o u r f ac i l i t i e sa n dc o mm e n t a r i e s[S]．E n g l i s hed i t i o n．T h eO v e r s e a sJ a p a n:C o a s t a lA r e aD e v e l o p m e n t I n s t i t u t eo fJ a p a n,１９９９．[１９]㊀A S T M C o mm i t t e e．S t a n d a r d p r a c t i c e f o r c l a s s i f i c a t i o no f s o i l sf o r e ng i n e e r i n gp u r p o s e s(u n i f i e ds o i l c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m):D２４８７[S]．W e s t C o n s h o h o c k e n,P A:A S T M I n t e r n a t i o n a l,２０１７．[２０]㊀A S T M C o mm i t t e eDＧ１８o n S o i l a n dR o c k．S t a n d a r d t e s tm e t hＧo d s f o rm a x i m u mi n d e xd e n s i t y a n du n i tw e i g h t o f s o i l s u s i n gav i b r a t o r y t a b l e d:D４２５３[S]．W e s t C o n s h o h o c k e n,P A:A S T MI n t e r n a t i o n a l,２００６．[２１]㊀A S T M C o mm i t t e eDＧ１８o n S o i l a n dR o c k．S t a n d a r d t e s tm e t hＧo d s f o rm i n i m u mi n d e xd e n s i t y a n du n i tw e i g h to f s o i l sa n d３９第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭舒洋,等:饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。