宽级配泥石流砾石土的动强度试验研究 &~$^a1D6
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张文举,何昌荣 ix7N q7!N
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(四川大学 水电学院,四川 成都610065) VWLou
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摘 要：目前,国内对宽级配砾石土的抗液化动强度指标少有进行试验和研究。阐述了使用动三轴仪对云南东川蒋家沟泥石流区的宽级配砾石土进行了抗液化强度动力试验,得到了该种土在各种振次、饱和度和不同破坏标准下的动强度指标,进行了分析并提出了相应的建议,供工程设计或有关方面参考和积累资料。 %0:
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关键词：宽级配砾石土;泥石流;液化强度;动强度试验? T=b5th}
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1 前言 *e_ /D$SC
众所周知,我国是一个拥有70%山地的多山国家,泥石流广布,特别是西部地区泥石流危害的问题更加突出。泥石流源区广布砾石土,所谓砾石土是指大于2 mm的颗粒含量超过50%的土体。这一土体有两大显著特征:(1)级配宽,有直径大于数米的块石,也有小于0.005 mm的粘粒;(2)结构特别,大块石形成架状结构、架空结构,中细碎石砾石、砂及粉粘性土填充其中形成宽级配砾石土,松密相差较大,多数处于中密和疏松状态。 ]lZ!en
泥石流源区地形高差一般为数百米至上千米,地表坡降度20°～60°,有几米至几十米厚的疏松块碎石,降雨量较大且集中,以及冰雪融水等,使地表及数米深的浅层土饱水,在重力作用下形成地表径流和渗流,带动泥石下泄和流动,从而形成泥石流。经过水流冲刷,水土流失及不同程度泥石流作用的区域,暂时处于稳定状态。如遇地震或其他人类活动等因素,使原来处于相对平衡的山坡土体有可能因这些振动荷载而产生更大规模的泥石流。因此,需要试验研究地震、爆破等动荷载作用下的饱水块碎石土的动力特性,用以判断泥石流的抗震能力。目前,国内对宽级配砾石土在地震作用下的抗液化强度少有进行试验,此次试验以云南东川蒋家沟的宽级配砾石土为试料进行动力特性试验,得出了该种土在不同的饱和度、不同的振次和不同的破坏标准下的动强度指标,并进行了分析,可供工程设计、科研试验参考和积累资料。 %\r4c *O1q
2 试验仪器、试样及试验内容 lpSM p
2.1 试验仪器 oB_ {xu$6|
主机是DZ78-1型电磁式动三轴仪,激振器在试件上方,力传感器在活塞与激振器动圈之间。试件尺寸D×H=50.5 mm×110.0 mm［1］。拉压力传感器型号为BLR-1,最大荷载2 kN。孔压传感器型号为AK-1,航天工业总公司701所研制,量程0～1 MPa。位移传感器型号为(HP-DC-LVDT)DA-10,由中国水利水电科学研究设计院生产。 ) JuD !
测控系统为北京新技术研究所的DDS-30动三轴试验系统。微机信号发生板发出给定信号,经功率放大器放大信号以后输入主机开始振动,振动信号由传感器→动态应变放大仪→由数据采集板将数据反馈并存储于微机中,然后进行整理分析。 E@ t~juF!
试验振动频率F=1 Hz。? _4%+TN6z
2.2 试样 dx Mz!
在有泥石流博物馆之称的云南东川蒋家沟选取具有代表性的砾石土原状土样与试验用土级配见表1。试验中,对d＞10 mm的土粒(试件尺寸所限)用粒径d=2～5、5～10 mm两个粒径组代替,保持大于2 mm的砾石含量不变,并保持小于0.1 mm的含量不变,从而保持粘土颗粒的含量百分比。
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采用比重瓶法测得土样比重G=2.68。一般标准砂的比重为2.65，此土样中含有一定的粘土比例，比重稍大，较为合理。 =H!u4
试样直径D=50.5mm，高H=110mm，分4层击实,控制试样干密度为2.09 g/cm3,对应的孔隙比e=0.283。配置了4个含水量分别为ω=10.55%、9.70%、8.87%、8.02%,对应饱和度分别为Sr=100%、92%、84%、76%。其中Sr=100%的试样真空抽气720 mm汞柱负压3 h,注水浸泡48 h以后备用。试样均双面排水,固结历时10～12 h。 \P{VJ^) 0
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2.3 试验内容 X*%KR 4`
由于是进行地表土动强度试验,所以围压力σ3c取值为50、100、150 kPa。共做12组,具体试验内容见表2。 *(o~pxFTR
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3 动强度指标及其分析 s=U_tfpH
3.1 动强度曲线 s{IycTbz
土样的动强度对不同的饱和度、不同的振次、不同的破坏标准是不同的。试验结果绘制成动应力比τd/σ3c～振次logN关系曲线。τd=σd/2是试样45°面上动剪应力;σ3c是固结压力;σd是轴向动应力幅。破坏标准采用轴向动应变εd=2.5%、5.0%,εd取双幅变形,见图1、2。 hz\7Z+ $L_
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(1)对于相同的εd=5.0%,相同的?σ3c=150 kPa,相同的振次N=10时,随着饱和度Sr的增加,动强度显著减小。例如Sr=76%时的动强度比Sr=100%时的动强度增大了36%;
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(2)对于相同的εd=5.0%,相同σ3c=150 kPa,相同的饱和度?Sr=84%时,随着振动次数的增加,动强度也显著减少。例如N=10,τd/σ3c=0.365,而N=20,τd/σ3c=0.312,动强度增加了17%; z4{|? 0=C
(3)对于相同的σ3c=150 kPa,相同的饱和度Sr=76%,相同的振次N=10时,相对应的轴向动应变σ3c=0.365。可以看出,在相同的条件下破坏应变越小,其动强度就越小。 Dyt}"r\
3.2 动摩尔圆 \n:' >:0X!
根据表3中特征周次N及εd对应的不同饱和度的动应力比Rσ=σd/2σ3c,对于一定的σ3c可求出σd,再由Kc(本试验Kc=1.0)算出相应的σ1,即可得到动力破坏条件下的主应力σ1d=σ1c+σd和σ3d=σ3c,绘出一个摩尔圆。对不同的σ3c绘不同摩尔圆,并绘出其包线,即可求出在该定义下的所谓滑动摩擦角φd和动粘聚力cd。显然,随着N、Kc等变化φd、d亦不同。又据表4中相应的孔压比Ru=ud/σ3c,对于一定的σ3c可求得ud。再根据和,即可以作出有效动摩尔应力圆,见图3。 5 ^f>L2
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3.3 动强度指标 EVRg/ {X
由图3、4可分别得出土样在各个饱和度某一特征周次N和对应的εd的抗剪强度参数:动粘聚力cd和动摩擦角φd,及有效动粘聚力和有效动摩擦角。虽然受诸多因素影响,与静力剪切试验c、φ的物理意义有较大差别,但在一定意义上反应了土体的动力特性。不同振次、不同破坏标准、不同饱和度的动强度指标见表5。 Q3z-v&^E9
(1)相同的Sr和εd,对于相同的N,均大于φd,而与cd相差不大;N=50周时,对于相同的N,较φd有较大增长;N=100周时,较φd增幅很大; QabF(}61
(2)相同的Sr和εd,随着特征周次N的增大,动强度指标cd、φd亦有减小趋势;有效动强度指标有减小趋势,有增大趋势; =GnDiI
(3)相同的N和εd,随着饱和度Sr的增大,动强度指标cd、φd和有效动强度指标均有增大趋势,特别是φd增大趋势明显,如φd(Sr=76%)比φd(Sr=100%)增长约40%。说明饱和度对土体动强度的影响较为明显,Sr=100%、εd=2.5%的各特征周次(N=8、12、20、30周)的cd=4.35～6.58 kPa,φd=8.40°～9.52°;Sr=76%、εd=2.5%的各特征周次(N=8、12、20、30周)的cd=4.54～6.77 kPa,φd=14.08°～15.03°;? Zf?>:P
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(4)第(3)项规律中有一特殊情形,即N=30周时,随着饱和度Sr的减小,有效动强度指标呈减小趋势,呈微弱的增长。即高饱和度时有效强度指标过高,最高甚至达到49.8°(Sr=92%、εd=5%、N=100)。这种不合理的现象在砂土液化试验中也时有发生,如饱和砂土在达到或接近液体条件时竟使有效内摩擦角达到90°。对此现象,究其原因有二:一是试样外橡皮膜在土处于低强度时的约束力;二是土在达到或接近液化时应变幅急速增大,产生较大的动粘滞阻力［2］。 a8Ci 7<V
4 结语 ">Cjn F2>R
对云南东川蒋家沟具有代表性的砾石土宽级配土样,剔除了大于10 mm的颗粒,保持大于2 mm的砾石组大于50%,并保持小于0.1 mm的颗粒含量不变,进行了液化强度动力试验后,得出以下结论和建议: q| gG{9
(1)相同振次N时,Rσ随饱和度增大而减小,Ru随饱和度增大而增大。说明饱和度对动强度影响显著; [gH
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(2)Sr=100%时,动应力比Rσ稍高于一般砂性土(约为0.24),而低于粘性土心墙料(如大桥水库Rσ=0.475,云南小湾Rσ=0.51)?;另外,试样达到5.0%应变后,孔压比Ru=ud/σ3c时超出0.9,说明这种宽级配砾石土在完全饱和状态下动强度不是很高,孔压亦可接近围压值,即有液化的可能性; WI}P(!h\J
(3)土样在各个饱和度的某一特征周次N和对应的εd的抗剪强度参数cd、φd、、可供类似工程参考和借鉴。用于实际计算时,应做进一步分析后结合工程实际情况使用; nJ'O(Wh,)
(4)随着含水量ω增加,试样的抗液化强度明显降低。 0QEVL6gw
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参考文献 a{Tv#P*!
}@a_x,O/x}
［1］SL237.1999,土工试验规程［S］ i n#g
［2］谢定义,等.土动力学［M］.西安:西安交通大学出版社,1985
