振动三轴液化试验中遇到的问题及分析

【摘 要】 介绍了采用DDS-70电气伺服振动三轴试验装置测定海底浅层饱和砂性土液化动力特性参数试验过程中出现的若干问题，如土样制备过程中问题、土样成分及包含物对试验影响、试验中轴向振动应力施加常见问题、土样重塑试验对试验结果影响，以及对试验数据结果的可靠性进行分析。

【关键词】 动三轴液化 轴向振动应力 液化阻力比 破坏次数

1 引言

海洋平台及海底管道路由地基土的动力特性参数是地震、波浪和风等动荷载作用下平台和管道设计及计算分析的基本数据。在达到某一持续动荷作用下，海底浅层饱和砂性土往往会大幅度、骤然地丧失其原有的强度而转变为一种类似液体的状态即液化，从而造成严重的破坏后果。因此，对海底饱和砂性土的液化分析就成了研究地基稳定性的重要问题之一。动三轴液化试验是获得土层液化动力特性参数重要方法之一，近年来我在中海油服物探事业部工程勘察中心土工试验室进行了较多组的动三轴液化试验，获取了相关海域的浅层砂性土土层的液化动力特性参数，但在试验过程中也发现了一些问题，且这些问题具有一定的代表性。

2 测定抗液化强度的应力控制振动三轴试验装置与方法

采用DDS-70电气伺服振动三轴试验装置进行测定土样抗液化强度，应力控制振动三轴试验装置如图1。

试验参考ASTM规范（D3999-91）[1]与《土工试验规程》（SL237-032-1999）[2]。具体试验过程如下：

（1）将制备好的原状土样套上橡皮膜后安装在三轴压力室内。试验土样的尺寸为：直径3.91cm、高8.0cm。

（2）按照该土样所代表土层受到的上覆有效压力，给土样施加等向固结压力，并使土样排水固结。

（3）土样固结后，在不排水条件下，沿土样轴向施加振动应力，测量土样的轴向振动应变与累积孔压，直到土样达到液化破坏标准，振动应力的频率为1.0Hz。

（4）依据试验结果，按照土样轴向峰到峰振动应变达到5%确定振动液化破坏次数，进而确定抗液化剪应力比曲线。

3 振动三轴液化试验过程中遇到的问题

通常情况下，我们对海底泥面以下15m深度范围内的砂性土进行动三轴液化试验，在一层砂性土中我们会选取4个具有代表性的原状土样组成一组来进行分析。而海底浅层砂性土一般都较松散，取样难度较大，所能取得的原状土非常有限，所以用来做液化试验的原状土土非常珍贵，这就要求我们试验过程中不能因为操作问题而导致原状土样浪费，从而增加试验的难度。

3.1 土样制备

土样制备是振动三轴液化试验中非常重要的一部，因为土样制备的好坏，以及是否扰动将直接影响试验结果。通常情况下，我们将同一组试验的4个原状土样同时制备，分别做天然含水量和天然容重试验，肉眼鉴别，接着将制备好的第一个原状土样套上橡皮膜后安装在三轴压力室内，另外三个土样放在保湿罐中，待第一个土样试验结束后，依次进行。然而在实际土样制备过程中，土样有时候会比较复杂，有的存在包含物（如含粘土包、粘土微细层、粘土细层、贝壳、贝壳碎屑包、粗砾石等），这些包含物会增加土样制备的难度，而且它们对试验结果都会产生影响。

3.2 土样饱和、固结

参照规范和规程进行土样的饱和以及固结，但在饱和过程中，我发现如果制备的土样中存在贯穿截面的粘土微细层，由于粘土表现为不排水性，将会阻缓土样的饱和以及接下来的固结排水，从而导致试验土样的饱和和固结不彻底，直接影响了试验准确性。

3.3 土样振动三轴液化试验

参照规范和规程进行，需要在电脑客户端输入固结排水体积以及沿轴向施加的振动应力，固结排水的体积根据试验记录得出，而沿轴向施加的振动应力则根据经验来给出，每组第一个试样的轴向振动应力比较关键，一般加围压左右的力，然后根据土样的颗粒大小、密实度、包含物等情况来调整轴向振动应力。施加的轴向振动应力的偏大或偏小都将导致本次试验的失败，轴向振动应力偏大将导致试验开始后土样即刻液化破坏；而轴向振动应力偏小，将导致试验开始后土样轴向峰到峰振动应变一直很小，无法使土样液化破坏，虽然看上去该土样没有什么变形破坏，但刚才的较小振动已经使土样变得比之前密实，如果继续试验，则需要施加比正常情况下大的多的力才能使土样液化，这样得出的抗液化强度会比实际偏大。

理想情况下，我们进行一组试验的4个原状土样的振动液化破坏次数要分别落在四个区间里（0-10次、10-20次、20-40次、40次以后）；而实际情况下，4个原状土样的振动破坏次数可能在某个区间重复了，而在有的区间里没有出现，那么就需要我们对原状土进行重塑，重塑土样的物理性质尽量保持跟原状土样一致，通过试验来得出所需区间的试验结果。通过多次重塑试验我发现，重塑的土样比原状土样的抗液化能力稍微弱一些。

4 振动三轴液化试验实例分析

下面选取中国南海西部区域某钻孔来举例说明，对该钻孔海底泥面以下10m范围的砂性土层进行了应力控制振动三轴液化试验，确定了土层的抗液化强度随振动液化破坏次数的变化关系。表1和图2是振动三轴液化试验结果。表2是颗粒分析试验结果。

由于振动液化三轴试验显示出土样在液化破坏过程中有明显的循环活动特征，故按照5%的峰到峰振动应变确定破坏次数。通常，利用液化阻力比随振动液化破坏次数的变化关系表示土层的抗液化特性，通过振动三轴试验确定一定振动液化破坏次数下的液化阻力比，试验结果见表1。图2是按照5%应变破坏标准确定振动液化破坏次数及相应的液化阻力比，结果见图2中的标记。进一步，对试验结果拟合以确定随振动液化破坏次数的变化关系曲线，结果见图2中实线（未修正）。

从图2中我们可以看出，试验得出的5组数据点具有一定离散型，但是拟合的曲线也基本符合变化关系趋势。下面我们来分析一下某些点偏离拟合曲线较远的原因：S-7和S-9原状样试验结果比较可靠，他们分别在拟合的曲线上（即图2上左1和右1点）；S-6（即图2上右2点）土样抗液化强度偏大，这是由于试验时第一次施加的轴向振动应力偏小，导致试验开始后土样轴向峰到峰振动应变无变化，但较小振动已经使土样变得比之前稍密实，所以再次试验得出的抗液化强度会比实际偏大；S-8（即图2上左2点）土样抗液化强度偏小，这是由于土样制备时，该土样含贝壳碎屑包和微细层，且土样制备时无法避免，这就导致了该土样的试验抗液化强度比本组其余土样抗液化强度偏小；S-9r（即图2上左3点）土样抗液化强度偏小，由于本次试验是重塑试验，重塑的土样比原状土样的抗液化能力稍微弱一些。

5 结语

动三轴液化试验是获得土层液化动力特性参数重要方法之一，经过大量的动三轴液化试验，我发现的问题总结如下：

（1）土样制备是非常重要和关键的一步，我们要珍惜每一个原装土样，土样制备时要详细描述每一个试验，同时对比一下同一组样中各自差别，做到心中有数。土样制备时，要尽量避免存在贯穿截面的粘土细层或微细层，因为这些会导致饱和固结的不彻底，直接导致该试样的试验结果不准确。

（2）土样中包含物的存在，将导致其试验抗液化强度比其没有包含物的偏小，而且包含物越多，影响越大。

（3）试验时施加的轴向振动应力的偏大或偏小都将导致本次试验的失败，轴向振动应力偏大将导致试验开始后土样即刻液化破坏；而轴向振动应力偏小，将导致试验土样轴向位移很小无法液化破坏，如果继续用该样试验，则需要施加比正常情况下大得多的轴向振动应力才能使土样液化，这样得出的抗液化强度会比实际偏大。

（4）每组试验至少要保证2个及以上的原状样土样试验结果比较可靠，如果无法满足则需要额外增加原状样进行试验。在土样重塑过程中，要尽量使其物理性质与原状样保持一致，通过多次重塑试验结果表明：重塑土样比原状土样的抗液化能力稍小一些。

在能取到原状土的情况下，利用动三轴液化试验对海底浅层饱和砂性土液化势分析还是比较准确，随着利用原位CPT数据来分析判断土层液化势在工程上的应用，综合考虑动三轴液化试验和原位CPT数据来分析判断海底浅层饱和砂性土液化势是非常有工程意义的。

参考文献：

[1]Annual Book of ASTM Standard， Section 4，Volume 04.08（2000）.

[2]中华人民共和国水利部.《土工试验规程》（SL237-1999）.北京：中国水利水电出版社，1999.