Centrifuge shaking table tests on evolution mechanism of sand mesostructure during earthquake liquefaction
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摘要: 已有研究表明地震液化历史是影响砂土抗液化能力的重要因素，相关研究学者认为这种影响的内在机理是砂土颗粒在前次地震液化后形成了稳定或者不稳定的细观结构，但是目前针对地震液化全过程中砂土细观结构演化行为的直接试验数据还很少。通过离心机振动台试验模拟了一个饱和砂土地基的地震液化现象，在试验过程中测试模型不同埋深处的加速度、孔压以及地表沉降，并基于细观图像获取设备记录了地震液化全过程中砂土细观数字图像。试验结果表明微振动会增加颗粒接触、减小颗粒间孔隙，随着振动强度增加，颗粒重新建立接触，颗粒间孔隙重新分布。受孔隙流体向上渗流作用，颗粒形成偏竖向和偏横向联通的大孔隙，偏竖向大孔隙周围的颗粒在渗流作用下长轴偏向竖直。Abstract: The existing studies demonstrate that the history of earthquake liquefaction is an important factor affecting the liquefaction resistance of sand. The researchers think the intrinsic mechanism of these effects is the generation of stable or unstable sand mesostructure after the previous liquefaction event. However, few studies have directly given the experimental results of the evolution behaviors of the sand mesostructure during the whole process of liquefaction. In this study, the centrifuge shaking table tests are conducted to model the earthquake liquefaction of a saturated sand deposit. The pore pressures and accelerations at different depths and the settlements of the sand deposit are measured. Besides, the mesoscopic digital images of the sand mesostructure are recorded simultaneously by a mesoscopic image acquisition system. The experimental results show that the small shaking increases the contacts and decreases the voids among sand particles. The particle contacts are reconstructed and the voids are redistributed with the larger shaking. Approximately vertically and horizontally linked large voids are caused by the upper seepage effects of the pore fluid. The sand particles nearby the approximately vertically large voids rotate vertically under the seepage effects.
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0. 引言
地震液化严重威胁着基础设施的稳定性与安全性，评估砂土地基的抗液化能力是场地地震液化灾害风险分析的基础。2010年新西兰地震[1]，2011年东日本地震后[2]，地震液化历史被认为是影响砂土抗液化能力的重要因素。
Finn等[3]最早通过动单剪试验发现小剪应变历史会提高砂土抗液化能力，而大剪应变历史会降低砂土抗液化能力。Suzuki等[4]发现液化后的三轴砂土颗粒长轴偏向竖直，Ye等[5]通过模型试验验证了这一现象并发现颗粒长轴偏向竖直的砂土地基容易再液化。Wang等[6]通过DEM模拟了从砂土不同初次液化状态再固结试样的再液化行为，发现砂土细观组构的各项异性和平均周围颗粒距离MNPD是影响再液化抗力的主要因素。Wang等[6]同时指出地震液化后的超孔压消散可能会对颗粒细观结构产生影响，因此需要模拟更接近真实场地的地震液化现象，以揭示整个液化过程中颗粒细观结构演化机理。
本文通过离心机振动台试验模拟了地震荷载作用下饱和砂土地基液化现象，同时借助数字图像技术获取地震液化全过程中砂土细观图像，揭示了地震液化全过程中砂土细观结构演化机理，为评估地震历史对砂土地基抗液化能力的研究提供思考。
1. 试验方案
1.1 离心模型试验设备
本次试验依靠同济大学TLJ-150复合型岩土离心机完成，其有效臂长为3 m，负载能力为150 gt。电动液压振动台在离心加速度为50 g时，输出最大加速度为20 g，最大持时4 s。颗粒细观图像获取设备由CCD相机、显微放大镜头、光源组成。用螺栓将该设备固定在刚性模型箱一侧。模型箱的另一侧空间用于制备饱和砂土地基模型，用厚4 cm的PMMA板将颗粒细观图像获取设备与饱和砂土模型隔离。通过局域网设置远程控制系统，在离心机控制室实现对离心机试验室内颗粒细观图像获取设备的操作。
1.2 制备模型
本试验采用人工石英砂制备饱和砂土地基模型，其粒径区间为0.075~1.0 mm，基本力学参数为最大孔隙比emax=1.09，最小孔隙比emin=0.59，土粒相对质量密度Gs=2.65，不均匀系数Cu=2.22，曲率系数Cc= 0.98。
本试验中离心加速度为25g，为了使动力时间与固结时间的相似比尺一致，试验中使用25 cSt的甲基纤维素溶液作为离心模型的孔隙流体[7]。在模型箱内平行振动方向的两侧粘贴聚苯乙烯泡沫板以减弱刚性箱的边界效应。
采用水中落砂法制备砂土地基模型，地基的密实度通过落砂距离控制，发现当黏性溶液高度为10 cm时，落砂高度为10 cm可制备相对密实度为30%砂土模型。具体试验步骤为首先向模型箱中缓慢注入黏性溶液，直至黏性溶液高度为10 cm，接着向宽2 mm的鸭嘴式雨砂头装入一定质量的干砂，保持雨砂头的出砂口与黏性溶液的距离为10 cm并落砂。当模型箱中的砂土地基高度达到预期值，停止落砂，抽出模型箱中多余的黏性溶液，按图 1所示位置埋设传感器。最后，再次缓慢地向模型箱中注入10 cm高度的黏性溶液，重复落砂、埋设传感器直至完成模型的制备。制备完成的饱和砂土模型如图 1所示，将颗粒细观图像获取设备安装在距离模型上表面65 mm，对应原型1.625 m的位置。除了特殊说明，本文中试验结果为原型尺寸。
1.3 试验加载与测试
图 2为模型基底输入地震波，加速度幅值为0.15 g，频率为1 Hz，持时约12 s。在地震加载前，启动颗粒细观数字图像获取设备开始连续拍摄砂土颗粒图像，直到地基中超孔压完全消散。
2. 地基的超孔压响应
振动过程中，饱和砂土地基的超孔压和超孔压比时程曲线如图 3所示。从图 3（a）中可以看出深部地基产生的超孔压高于浅部地基产生的超孔压，这是因为深部地基初始有效应力较大，而浅部地基初始有效应力较小。从图 3（b）中可以看出，浅部地基受地震荷载发生液化，而深部地基在地震荷载作用下没有液化。此外，浅部地基初次液化时刻为20.4 s，即浅部地基在地震波结束后达到液化，这说明地震荷载结束后，浅部地基中的超孔压继续增加并导致砂土液化。
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图 3 超孔压和超孔压比的时程曲线Figure 3. Time histories of excess pore pressure and excess pore pressure ratio3. 砂土颗粒细观结构演化机理
图 4展示了地震波加载阶段砂土细观结构演化过程。如图 4（a）所示，当地基受振动2.78 s后，部分砂土颗粒间的孔隙被压缩，导致一些颗粒与其周围颗粒建立新的接触或与其周围颗粒的距离减少，一些颗粒轻微地旋转一定角度。尽管此时ru增加到0.48，砂土的减缩并不明显。
随着超孔压的增加，土体有效应力减小，砂土颗粒间平均接触力减弱。弱接触作用的颗粒在循环剪应力作用下更容易发生相互滑动、转动。如图 4（b）所示，区域A，B，C中的颗粒丧失了与其周围颗粒原有的接触。随着超孔压的近一步增加，颗粒间的接触力近一步减弱。砂土颗粒在循环剪应力作用下剧烈地滑动和转动，导致颗粒间的孔隙与接触同时发生剧烈的改变。如相比图 4（b）中颗粒的状态，图 4（c）中区域B和区域C中颗粒间的孔隙增大，区域A中颗粒重新建立接触。因此在地震加载阶段，砂土颗粒受地震循环剪切和超孔压增加引起的有效引力减弱的耦合作用，表现出孔隙重新分布、颗粒接触的丧失与重新建立。
图 5展示了砂土液化阶段颗粒细观结构演化特征。在孔隙流体的渗流作用下，砂土颗粒相互移动并形成新的细观结构，这个形成的过程主要分为两个阶段。①第一个阶段，小颗粒向上移动。如图 5（a）所示，小颗粒脱离原有的接触，随孔隙流体迅速地向上运动，此时大颗粒向下运动。由于小颗粒原本充填在大颗粒孔隙中，通过传递颗粒间相互作用力维持颗粒结构稳定，因此大量小颗粒的迁移使大颗粒丧失接触，破坏了原有的颗粒结构。②第二个阶段，偏竖向大孔隙的形成与颗粒长轴向竖直转动。如图 5（b）所示，孔隙流体的向上渗流作用冲开相互接触的大颗粒，使得大颗粒间的孔隙增加，随着更多大颗粒在渗流作用下丧失接触，这些孔隙相互联通，形成偏竖向联通的大孔隙。如图 5（c）所示，大孔隙周围的颗粒受孔隙流体向上的拖拽作用，颗粒长轴偏向竖直。
图 6展示了砂土不完全液化阶段颗粒细观结构演化过程。随着深部地基超孔压消散，孔隙流体渗流作用减弱，浅部地基土中超孔压也逐渐减小，土体不再处于液化状态，即ru < 1.0。虽然孔隙流体对颗粒向上的拖拽效应减弱，但部分颗粒在孔隙流体渗流作用下相对其他颗粒向上运动，如图 6（a）~（b）中颗粒1、颗粒2、颗粒3的运动。
随着超孔压的近一步消散，孔隙流体的渗流作用不足以使得这些颗粒持续相对向上运动。如图 6（c）所示，这些颗粒与其上部建立接触的颗粒脱开，向下运动，与其下部颗粒建立新的接触或则调整接触角度，从而达到稳定状态。而受这些颗粒运动状态的改变，其与上部颗粒间形成偏横向联通的大孔隙。此后随着超孔压的减小，颗粒整体达到相对稳定状态，颗粒结构几乎不再发生改变。因此，在砂土不完全液化阶段，除了少部分颗粒相对向上再向下运动导致产生偏横向大孔隙，大部分颗粒只有轻微的移动增加与周围颗粒的接触。值得注意的是，土体液化阶段导致的偏竖向大孔隙，以及颗粒长轴偏向竖直，非液化阶段形成的偏横向大孔隙在砂土地基再固结完成后依然存在，说明了砂土液化改变了颗粒细观结构。
图 7是该地震事件中不同时刻颗粒长轴概率密度的分布情况，其中实线是基于细观数字图像统计分析的结果，虚线是根据Rothenburg等[8]提出的理论公式对试验结果进行拟合，该拟合曲线的公式主要包含a和θa两个控制参数，其中a越大表明颗粒组构各向异性程度越大，θa表明颗粒长轴排列的优势方向。
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图 7 颗粒长轴排列的各向异性与优势方向的演化过程Figure 7. Evolution of fabric anisotropy and dominated direction of long axes of particles从图 7中可以看出，在地震液化全过程中a先减小后增加，θa从水平方向逐渐偏向竖直。如图 7（a）所示，在初始时刻受制样方法的影响，大部分颗粒长轴偏向水平，这也导致了各向异性程度较高，如图 7（b）所示，随着振动的施加，颗粒在剪切作用下排列混乱，颗粒长轴在各个方向分布的差异减小，故各向异性程度减小。如图 7（c）~7（f）所示，当土体液化后，颗粒在渗流作用下沿着孔隙流体运动的方向发生偏转，故更多的颗粒长轴偏竖直方向排列，故随着再固结过程中超孔压的消散，颗粒组构各向异性逐渐增强，且颗粒长轴排列的优势方向从水平偏向竖直。
4. 结论
本文通过在离心机振动台试验和拍摄砂土颗粒细观数字图像，分析了整个地震液化过程中颗粒细观结构的演化特征，揭示了地震液化对颗粒细观结构的影响机理。
（1）当地震幅值较小时，颗粒接触增加，颗粒间孔隙减小。随着地震幅值的增加，颗粒丧失原有接触或重新与周围颗粒建立接触。
（2）地震液化后，孔隙流体的渗流作用造成小颗粒的迁移和大孔隙的形成。小颗粒受到砂土中孔隙流体的向上渗流作用而快速地向上运动，孔隙流体向上的渗流作用冲开原本接触的颗粒形成偏竖向联通的大孔隙，砂土颗粒在弱渗流作用下运动速度的差异导致偏横向联通大孔隙。
（3）地震荷载作用下，深部地基砂土抗液化抗力影响浅部地基中砂土颗粒结构的演化。深部地基中孔隙流体的向上渗流增加了浅部地基处于液化状态的持时，使得颗粒细观结构发生更加剧烈的改变。
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图 3 超孔压和超孔压比的时程曲线
Figure 3. Time histories of excess pore pressure and excess pore pressure ratio
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