地基土液化机理的研究
第33卷 第3期2002年5月
太原理工大学学报
JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
Vol.33No.3 May2002
文章编号:1007-9432(2002)03-0246-03
地基土液化机理的研究
牛琪瑛,张素姣
(太原理工大学建筑与环境工程学院)
摘 要:通过室内动三轴试验和扫描电镜试验对不同级配、不同黏土矿物成分、不同黏粒质量分数、不同干重度的重塑土进行了系统的试验研究与微观分析,得出不论所含何种黏土矿物、也不论干重度及粗颗粒级配如何,黏粒质量分数为9%左右抗液化强度最低的原因。
关键词:液化;液化机理;黏粒质量分数;干重度;微观分析中图分类号:TU411 文献标识码:A
液化,是指饱和可液化地基土在地震的短暂时间内,孔隙水压力骤然上升,并来不及消散,有效应力降低至零,土体成像呈现出近乎液体的状态,强度完全丧失。其宏观现象表现为地表开裂、喷砂、冒水,
从而引起滑坡和地基失效,引起上部建筑下陷、浮起、倾斜和开裂等现象。自从1964年日本新泻(Ni-igata)地震、美国阿拉斯加(Alaska)地震和1966年我国邢台地震时,大面积的砂性土层液化所引起的灾难性破坏,引起了岩土工程界的广泛关注,促使人们对可液化地基土的液化机理进行深入的探讨。1976年唐山地震后,天津地区的大面积砂性土和粉土液化,成片的工业与民用建筑设施遭受破坏,引起国内外工程界的重视,许多单位纷纷对天津地区的液化土进行研究,获得了大量资料。研究成果表明:黏粒质量分数是影响土体液化的重要因素,容易液化的土类为黏粒质量分数Wp
[2-6]
漫滩,粉粒取自太原市漪汾桥北300m汾河西漫滩,均系汾河上游山区大量碎屑物和黄土,经水流冲刷、携带、分选、堆积于河漫滩形成。砂土经清洗、筛分,按规范分类定名为中砂、细砂和粉砂。
黏粒分2种,一种为天然黏土块,取自汾河东漫滩古建筑研究所附近,为汾河水上公园施工现场洗砂池中自然沉积风干的黏土块,经烘干、碾碎、过筛处理,塑性指数Ip=20.99.另一种为含不同黏土矿物,即高岭石、蒙脱石、伊利石的黏粒,均从本地或外地购买,主要黏土矿物含量均在80%左右。按不同级配(中、细、粉砂)、不同黏粒质量分数(3%,6%,9%,12%,16%),不同黏土矿物成分(高岭石、蒙脱石、伊利石)、不同干重度(13.7,14.4,15.6,16.4kN/m)的变化用水沉法制成重塑土样。在试验池中静置2个月,6个月,1a,2a,…,进行室内动三轴试验。
3
2 试验过程及结果
1)试验仪器。试验所用动三轴仪器为国内设计制造DSD-200型。该仪器采用应力控制式振动,试验结果由光电记录仪记录,包括动应力、动应变、孔隙水压力等。
试验所用电子扫描仪为北京光学仪器厂生产的KYKY-AMARY1000B型。利用该仪器选择其放大倍数为1000,分辨率为0.01Lm,工作电压为25kV,对镀过金膜的土样进行了扫描拍摄,得到了进行微观分析的图片资料。
1 试验土来源及制备
试验重塑土样均由砂、粉粒、黏粒配制而成。砂粒取自太原市府西桥南约200m的汾河东
X基金项目:山西省自然科学基金资助项目(20001048)
:,女,年7,:,太原,
第3期 牛琪瑛等:地基土液化机理的研究
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2)试样制备。动三轴制样:重塑土样高度10cm,直径5.0cm,轴向最大变形-5.0～5.0mm,并采用全幅应变Ed=5%为破坏标准。电镜制样:将从砂箱取得的土样经过干燥、切割、打磨、撕皮等一系列工序,得到试验所需表面平整,新鲜且无浮动颗粒的试样。制备好的试样其尺寸约为30mm×20mm×10mm.
3)试验结果。通过室内大量的试验,取得2个月时间的动剪应力比Rd/2R0随级配变化的关系曲线(图1),动剪应力比随不同黏土矿物变化的关系曲线(图2),动剪应力比与黏粒质量分数(wp)的关系曲线(图3),以及随干重度、时间变化的动剪应力比与黏粒质量分数的关系曲线(图4、图5)
。
[6-8]
图4 不同干重度的动剪应力比与黏粒质量分数间的关系曲线
(2个月)
图5 不同时间下动剪应力比与黏粒质量分数间的关系曲线
(Nf=20次,C=13.7)
ZC—中砂含黏粒;XC—中细含黏粒;FC—粉砂含黏粒图1 动剪应力比与振动次数的关系曲线(wp=3%
)
6%,9%,12%,16%的土样进行观察,照片见图6.
从图1中看出含黏粒砂土其抗液化性能很大程度上依赖于砂粒,砂粒级配不同、抗液化能力也不同,随砂粒由大到小,其抗液化能力逐渐降低。图2为动剪应力比随不同黏土矿物变化的关系曲线,图中反映出黏土矿物成分对砂土的动力稳定性影响较大。随其黏粒成分分别为蒙脱石、伊利石、高岭石抗液化性能依次减弱。图3,图4,图5反映出wp=9%时,动剪应力比最低,并也看出黏粒质量分数确实对液化土抗液化性能影响很大。但不是随黏粒质量分
XM—细砂含蒙脱石;XY—细砂含伊利石;XG—细砂含高岭石图2 细砂动剪应力比与振动次数的关系曲线(wp=6%
)
数从小到大增长抗液化强度单调上升,而是相应于一定的地震烈度下,不论沉积时间如何、干重度如何、黏土矿物如何,黏粒质量分数为9%附近是一个抗液化强度的低谷带。
通过对图6中照片的微观分析
[6,7,9]
,可以看出
随着黏粒质量分数的增加,土颗粒间连接形式、排列方式及孔隙大小发生变化,由3%的以点接触为主的有中孔隙存在的粒状堆积结构变为6%的边-面接触的支架结构,到9%的大量黏粒附着在以点或
FM—粉粒含蒙脱石;FY—粉粒含伊利石;FG—粉粒含高岭石图3 动剪应力比与黏粒质量分数间的关系曲线(Nf=20次)
边-面接触的粉粒接触点(面)处,而随着黏粒含量的增加连接得到加强,图6-dwp=12%时以边-面、面-面接触的平片叠聚片架结构,图6-e反映了16%时土粒间孔隙变小的排列密簇的结构。因而,p
同时,对沉积1a的土样进行了电镜扫描试验,
3,
小于9%时,黏粒分布在粗颗粒周围,以接触式胶结着粗粒,在力的作用下,粗粒沿黏粒发生滑移,此时黏粒起了润滑作用,所以使动剪应力比随黏粒质量分数的增加而减少。当wp大于9%时,粉粒周围有足够厚的黏粒层,此时的黏粒不但胶结粗粒,也有自身固结的作用,随着黏粒质量分数的增加,黏粒对粗粒的胶结和自身结构调整作用也将增强,此时的黏
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粒主要起稳定、镶嵌作用,所以随黏粒质量分数的增加而动剪应力比也逐渐增大。
3 结 论
通过以上资料分析,得出如下结论:
a.砂粒级配不同,抗液化能力也不同,随砂粒由大到小,其抗液化能力逐渐降低。
b.砂土,随其黏粒成分分别为蒙脱石、伊利石、高岭石,抗液化性能依次减弱。
6-b
c.重塑土中不论含何种黏土矿物,也不论干重度及粗粒级配如何,动剪应力比均在黏粒含量9%左右最低。
d.对于不同黏粒含量的粉土,随着土样静置时间的增加,抗液化强度增强。且黏粒含量越高动剪应力比提高的越快。
e.掺黏粒粉土的微结构,包括颗粒间的连接形式和颗粒的排列方式均随黏粒质量分数的增加按一定规律变化;粉土微结构中的孔隙变化则呈中孔隙
6-c
数量减少,小孔隙数量增加的趋势,致使土结构的致密度也有所提高。
f.土颗粒按其排列方式可认为是散粒结构,当wp=9%时,由于黏粒质量分数增大,使得黏粒堆积、镶嵌于粉土颗粒的接触点或接触面上,导致粉土受到的润滑效应优势于胶结作用,是造成其动剪应力比最低的原因之一。
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6-d
6-e
(下转第256页)
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TheInducedFunctionofMiningPressuretotheDamageoftheFloor
ZhangYuan
(InstituteofMiningTechnologyofTUT)
Abstract:Onthebasesofthedistributionofstressinfrontandbackoftheminingsquare,thedamagefunctionandbrokedepthofcoalbedfloorcausedbyminingpressurewereanalysisedindetail,andfourkindsofconditionsofwater-inrush,thelawandcharacteristicsoftime-spacewhenthewater-inrushinducedbyminingpressure.
Keywords:confinedwater,theminingpressure,thefloordamage,inducedwater-inrush
(编辑:张爱绒)
(上接第248页)
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StudyontheMechanismofLiquefactionofFoundationSoil
NiuQiying,ZhangSujiao
(CollegeofCivil&EnvironmentalEngineeringofTUT)
Abstract:Inthispaper,itweresystematicallystudiedbyseriesofteststhattheliquefactionmechanismoftheremoldingsiltwithdifferentgradationsandclaymineralcomponents,variantclayparticlecontentsanddryunitweight.Oneofthelaboratorytestswasrunonremoldedsiltbyusingcyclicdynamictriaxialdevice,theotherwascarriedonScanElectronicMicroscope(SEM).Theresultsdrawnwhythelowestdynamicshearstrengthisat9%ofclayparticlecon-tents,whichisfoundhereandundervariousregulationsofcyclicstress.
Keywords:Liquefaction;MechanismofLiquefaction;Clayparticlecontent;
Dryunitweight;Microscopicanalysis
(编辑:任万森)