1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202301037开放科学（资源服务）标识码（OSID）孟加拉地区典型砂土抗液化特性动三轴试验研究郭竟语1，汪新凯1，马雅林1，陈文龙2（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031；2.西南交通大学，成都610031）摘要：依托孟加拉国帕德玛大桥铁路连接线项目，对孟加拉地区典型砂土开展一系列动三轴试验，侧重研究砂土相对密度、围压和循环动应力比 CSR 对孟加拉砂液化特性的影响。结果表明：孟加拉砂的孔压发展曲线符合 A 型曲线，且参数 随围压增大而减小；双幅应变曲线符合 Monismith 幂函数模型，且围压越大，参数 A 越小
2、；孟加拉砂的动强度与相对密实度和围压呈正相关，强度小于厦门标准砂；相同条件下，孟加拉砂比厦门标准砂更易液化。关键词：孟加拉地区；砂土液化特性；动三轴试验；动力特征；孔压比；动强度中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0062 06 0 引言砂土液化可能会带来严重的震后灾害，通常会伴随着地表不均匀沉降，使房屋、桥梁、道路等建筑物破坏，影响交通出行，甚至造成人员伤亡。砂土液化一般发生在饱和砂土层中，部分砾砂场地也有可能在强震作用下发生液化。一般来说，砂土密实程度、围压、地震强度和饱和度等是砂土液化的主要影响因素。针对砂土液化机理和影响因素研究的主要方法有现
3、场试验、室内试验和数值模拟分析等。现场试验方面：Idriss I M 等1基于 SPT 和 CPT 研究斜坡震后稳定性；袁晓铭等2基于剪切波速试验建立哈尔滨地区标贯击数与剪切波速的函数关系；张小玲等3基于大陆和台湾震后场地试验数据，建立含细粒砂土液化判别公式。室内试验方面：Salem M 等4对埃及北部海岸钙质砂开展一系列动三 轴试验，提出新参数描述钙质砂的循环抗力比；马维嘉等5通过动三轴试验，研究了珊瑚砂的动力特性，提出适合珊瑚砂的修正 seed 孔压模型；黄宏翔等6开展环剪试验，研究相对密实度和竖向应力对南海钙质砂抗剪强度的影响，发现钙质砂正向剪切和反向剪切时应力-位移曲线分别表现为软化型
4、和硬化型。数值模拟分析方面：闫志晓、李雨润等7-8开展砂土液化研究，发现 ABAQUS软件可模拟试验超静孔隙水压力的发生和发展；李大争等9对南水北调工程中引水渠基础进行研究，发现有限差分软件 FLAC3D 可模拟场地的液化判别，且判别结果与标贯判别结果一致。孟加拉国位于恒河三角洲地区，淤积了易液化的深厚粉细砂土层，且地震频发，地基基础抗震设计 成 为 该 地 区 工 程 建 设 亟 需 解 决 的 问 题 之一10-11。现有砂土液化机理研究更多的是针对普通石英砂、钙质砂等，孟加拉地区砂土因其特殊的沉积环境，多为疏松、弱塑性粉砂，细粒含量多，云母种类丰富，与普通石英砂不同，目前针对孟加拉地区砂
5、土液化的研究尚少。依托孟加拉国铁路连接线桥梁帕德玛大桥项目，针对孟加拉地区典型砂土开展一系列动三轴试验，并设置厦门标准砂为对照组，研究不同相对密实度、围压和循环应力比下，孟加拉砂的孔压、轴向应变及动强度变化规律，为后期孟加拉地区砂土液化公式的推导打下坚实的基础和提供丰富的数据。1 工程概况孟加拉国铁路连接线帕德玛大桥长 22 km，桩长达 6070 m，位于 7 度地震区，建设场地广泛分布着超深厚的恒河三角洲冲积土层，以粉细砂土及细砂等易液化的软弱土层为主，砂土液化对桥梁桩基的设计影响较大。根据现场勘察和区域地质资料，工程场地土层主要分为 4 层：吹填粉细砂层，收稿日期：2023 01 12基
6、金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科学研究项目（KYY2019135（19-23）作者简介：郭竟语（1975），男，云南昆明人。高级工程师，主要从事桥梁基础设计工作。E-mail：。路基工程 62 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）厚度 5.3 m；粉细砂层，厚度约 16.0 m，相对密实度 50.2%；细砂层，厚度约 18.0 m，相对密实度约 54.0%；中砂层，厚度 28.8 m，相对密实度 60.0%。2 动三轴试验设计 2.1 试验用砂和试样制备采用 SDT-100 型振动三轴试验系统，见图 1，包括电脑控制系统、加载控制系统和数据采
7、集系统三部分。试验用砂分别为孟加拉帕德玛大桥典型砂土和厦门标准砂，其中孟加拉帕德玛大桥典型砂土为钻孔获取，取样深度 15 m，该处地下水位3 m。两种砂土的基本参数，见表 1。砂土颗粒级配曲线，见图 2。孟加拉砂平均粒径小于厦门标准砂，且颗粒级配不良。孟加拉砂粒径小于 0.075 mm的占比 15.3%，厦门标准砂粒径小于 0.075 mm 占比 0.19%，表明孟加拉砂中细粒含量占比远大于厦门标准砂。图1SDT-100 型振动三轴试验系统 表1试验用砂基本物理性质指标砂土类型孟加拉砂厦门标准砂D50平均粒径/mm0.200.59Cu不均匀系数4.8010.86d,max最大干密度/（gcm3
8、）1.791.85d,min最小干密度/（gcm3）1.401.52 0.0010.010.1110020406080100小于某粒径的质量百分比/%粒径/mm孟加拉砂厦门标准砂图2孟加拉砂和厦门标准砂颗粒级配曲线 试样为半径 61.8 mm、高 125 mm 的圆柱体，采用湿装分层振动方法制样。将烘干后的砂土称量出需要的质量，在水中煮沸后冷却，均分成 5 份倒入承膜筒，层间需要进行刮毛处理以保证试样连续性。装样完成后，将试样装入压力室底座，利用真空泵进行抽真空饱和 20 分钟，饱和完成后通入无汽水。当仪器顶帽处的孔隙水压力为零时，认为砂土已达到饱和。2.2 试验方案为研究不同相对密实度、围压
9、和循环应力比下孟加拉砂的动力特性，考虑取样场地砂土的相对密实度主要集中在 50%60%，因此，试验中将砂土的相对密实度制备为 50%、60%。为了后期推导出适用于孟加拉地区砂土的液化判别公式，使推导公式适用范围较广，综合考虑试验目的及条件，试验选用常用的 3 种围压，分别为 100、200、400 kPa。试样使用等压固结不排水固结，固结完成后，系统控制正弦波对其进行加载，加载的正弦波选用常用频率 1.0 Hz。由于循环应力比是砂土液化的一个重要影响因素，考虑到实际工程中砂土液化的循环动应力比为 0.200.30，因此，整个试验加载频率施加 3 种循环动应力比，分别为 0.20、0.25、0.
10、30。通过加载发现：当砂土应变达到 5%时，砂样外鼓明显，发生了明显的塑性破坏，无法继续加载。因此，本文试验均以试样应变为 5%停止加载，并记录相应的破坏振次。对照组试验采用厦门标准砂，制备相对密实度 50%的厦门标准砂试样，在围压 200 kPa 下固结，分别施加0.20、0.25、0.30 的循环应力比。本试验共进行了12 组孟加拉砂试样试验，3 组厦门标准砂试样试验。试验加载方案，见表 2。表2试验加载方案砂样编号Dr/%3c/kPaCSR孟加拉砂S1602000.30S2602000.25S3602000.20S4504000.30S5504000.25S6504000.20S7502
11、000.30S8502000.25S9502000.20S10501000.30S11501000.25S12501000.20厦门标准砂B1502000.30B2502000.25B3502000.20 郭竟语，等：孟加拉地区典型砂土抗液化特性动三轴试验研究 63 3 试验结果及分析动三轴试验，见图 3，加载完成后整个砂样出现了明显的外鼓现象。以典型试样 S7 的不排水试验结果为例，偏应力时程曲线、双幅轴向应变和孔压时程曲线，见图 4。随着循环振次的增大，偏应力稳定输出。当循环振次从 0 增大到 15 时，孔压与双幅应力呈线性增加；当循环振次从 15 增大到30 时，孔压增长的速度逐渐放缓，
12、而双幅应变仍呈线性增长，且其增加的速度较之前更大，整体呈下凹的形态。a 砂样制备 b 砂土破坏图3动三轴试验 05 10 15 20 25 30 3515010050050100150偏应力/kPa循环振次 a 偏应力时程曲线50100150200孔压/kPa510 15 20 25 30 350循环振次 b 孔压时程曲线12345双幅应变/%CSR=0.30Dr=50%3c=200 kPa510 15 20 25 30 350循环振次 c 应变时程曲线图4典型试样 S7 试验结果 3.1 两种砂土对比孟加拉砂与厦门标准砂的孔压比时程曲线，见图 5。仅展示 Dr=50%的孟加拉砂（试样 S7
13、和S9）和厦门标准砂（试样 B1 和 B3）在不同 CSR作用下的孔压时程曲线。在循环荷载作用下，两种砂的孔压比均不断增长，且最大值均能接近 1，可视为已产生液化破坏。当 CSR=0.30 时，厦门标准砂在循环加载 68 振次时，孔压比达到 0.9；而孟加拉砂在循环加载 31 振次时，孔压比就达到 0.9。当 CSR=0.20 时，厦门标准砂在加载 840 振次时，孔压比 0.83；而孟加拉砂在加载 440 振次时，孔压比达到 0.9。说明相较于厦门标准砂，孟加拉砂的孔压比增速更快，更容易液化。因此，对位于孟加拉国深厚饱和砂土层的工程项目，应重视砂土液化可能带来的严重影响。2040608000
14、.20.40.60.81.0S7B1孔压比循环振次200400600800 100000.20.40.60.81.0孔压比循环振次 S9 B3 b Dr=50%3c=200 kPa、CSR=0.20 a Dr=50%3c=200 kPa、CSR=0.30图5孟加拉砂与厦门标准砂的孔压比时程曲线不同循环荷载作用下，孟加拉砂（试样 S7 和S9）和厦门标准砂（试样 B1 和 B3）的双幅应变时程曲线，见图 6。当 CSR 为 0.30 时，厦门标准砂在循环加载初期，处于塑性变形，变形较小，当循环振次大于 50 时，应变突然增大，而孟加拉砂的应变几乎处于线性增加，且在 31 振次时，双幅应变达到 5
15、%，即产生液化破坏。CSR 为 0.20 时，两种砂土的应变均属于初期增长较快，后期增长速度减缓。两种 CSR 下，孟加拉砂的应变增长模式不一致，原因可能是循环动载较小时，孔隙水压累积增长速度较缓，前期砂土的孔隙水压小，有效应力大，而后期砂土孔隙水压大，有效应力小，致使其前后期砂土的应变增长模式不同。循环振次循环振次 b Dr=50%3c=200 kPa、CSR=0.20 a Dr=50%3c=200 kPa、CSR=0.30100 200 300 400 500 600 700012345双幅应变/%S9 B3液化应变极值线10 20 30 40 50 60 70 80012345双幅应变/
16、%S7B1液化应变极值线图6孟加拉砂与厦门标准砂的双幅应变时程曲线 3.2 孔压超静孔隙水压力发生、发展和消散与砂土变形和抗剪强度紧密相连，了解孔压增长的模式对了解砂土强度变化十分重要。张建民等12按照饱和孔隙水压力的发展趋势，将孔压发展曲线大致分为：随振次增加明显上凸的 A 型曲线、由微凸向微凹变化的 B 型曲线和存在明显下凹的 C 型曲线。三种类型的孔压计算模型UUf=1eNNf（1）路基工程 64 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）UUf=2sin1(NNf)12（2）UUf=12(1cosNNf)b（3）UUfUUUfNNfNNf式中：为完全不排水条件下动荷载作用下砂土的孔隙水压力；为界限孔隙水压，它是地震过程中的最大值；为实时孔压比，反映任意时刻孔隙水压与其最大值的比值；为振次；为界限振次；为振次比，反映任意时刻振动次数与其界限振动次数的比值；、b为拟合参数。3c3c孔压发展与循环应力比、围压密切相关。孟加拉砂在不同循环应力下的孔压比发展曲线，见图 7。其中试样S5（=400 kPa，CSR=0.25，Dr=50%）、S6（=4