0.   引言

滑坡灾害每年造成大量经济损失甚至人员伤亡，静态液化常常是诱发滑坡灾害的重要因素之一。所谓静态液化是指在静力加载过程中土样的偏应力-应变关系曲线为明显的应变软化型，偏应力达到峰值后迅速减小至很低值，此时土体的抗剪强度很低甚至为0，如果外荷载持续作用，土体就会表现出不稳定。目前，国内外学者已对静态液化问题展开了深入研究，如Lade (1992)通过常规三轴试验研究了松散细砂的稳定和不稳定区域；Yamamuro et al.(1997)认为级配是影响砂土静态液化和临界状态线的一个重要因素；Cai(2001)发现相对密度对静态液化影响显著；Olson et al.(2003)描述了静态液化发生时土体的强度特性；朱建群等(2008)对南京砂的强度特征与静态液化现象进行了研究；金艳丽等(2008)研究了饱和黄土的静态液化特性；贾建博(2010)分析了降雨条件下松散粉砂边坡的静态液化机理；李声立(2010)研究了颗粒级配对砂土静态液化的影响；Rahman et al.(2012)对含细粒松砂静态液化进行研究，提出了不稳定比的概念并研究了细粒对不稳定比的影响；黄茂松等(2014)基于二阶功理论，建立了饱和土体静态液化失稳理论判别准则；Abouzar Sadrekarimi(2016)考虑主应力方向和各向异性研究了无黏性土的静态液化，给出了一种估算偏应力峰值和残余强度的方法；方志等(2017)分析了减饱和法提高砂土静态液化强度的机理；Mehmet Murat Monkula et al.(2017)研究了细粒含量、级配和形状等对粉砂静态液化的影响；Leila Hazout et al.(2017)探讨了平均粒径和最大最小粒径对饱和松砂静态液化性能的影响。由静态液化诱发的滑坡具有很强的突然性和较大的灾害性，已有研究主要集中在砂土静态液化方面，对粉土静态液化的研究远没有达到砂土研究的广度和深度。本文将通过固结不排水三轴试验，重点研究固结比、围压和干密度等因素对饱和粉土静态液化特性的影响。

1.   试验材料

试验用土取自山东省东营市某施工场地，相关物理力学性质指标见表 1。其中，粒径大于0.075 mm的土粒含量 < 50%，塑性指数I_P=6.3 < 10，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)试验用土定义为粉土。另外，测得土样最优含水率为14.9%，最大干密度为1.735 g·cm^-3。

表  1  试验用土的性能指标

Table  1.  Properties indexes of soil used in test

粒径分布			液限	塑限
≥0.075mm	0.075~0.005mm	≤0.005mm
49.5%	44.3%	6.2%	22.8%	16.5%

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2.   试验结果与分析

2.1   偏应力-应变关系

保持干密度1.43 g·cm^-3和含水率15%不变，进行不同围压和固结比条件下的CU试验，所得偏应力-应变关系曲线(图 1)。图 1a~图 1c显示不同固结比下的偏应力-应变曲线均呈现出应变软化现象，尤其是固结比k_c=1.0时，峰值过后偏应力降低并接近0，试验结束后试样呈现出明显的液体状态即静态液化(图 2)，但是饱和粉土偏应力的降低不如砂土剧烈；不同条件下，偏应力在轴向应变为2%~4%左右达到峰值，之后偏应力均随轴向应变的增加而减小，一般当轴向应变达到15%(k_c=1.0)~20%(k_c > 1.0)左右时趋于稳定，此时的残余应力(残余强度)也称为稳态强度较低；其他条件不变的情况下，随围压或固结比增加，偏应力峰值和残余强度增大，其静态液化势降低。

图  1  不同条件下的偏应力-应变曲线

a.固结比1.0；b.固结比1.3；c.固结比1.6

Figure  1.  Deviatoric stress strain curve under different conditions

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图  2  土样液化

Figure  2.  Liquefaction of soil sample

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2.2   超静孔隙水压力发展曲线

图 3反映了干密度1.43 g cm^-3和含水率15%不变、不同围压和固结比条件下的超静孔隙水压力发展曲线。对比图 1可以看出，偏应力达到峰值之后，超静孔隙水压力上升较快；在固结比为1.0时(图 3a)，不同围压下的超静孔隙水压力均在轴向应变为15%左右时达到围压；随着固结比的增加，超静孔隙水压力达到围压对应的轴向应变增加。随着固结比的增加，超静孔隙水压力值达到围压值时对应的轴向应变增加，如当固结比为1.6，围压为50 kPa、70 kPa、100 kPa的情况，超静孔隙水压力值在轴向应变为20%时才达到围压值; 而围压为150 kPa的土样的最大超静孔隙水压力为137 kPa，此时的有效围压仅剩13 kPa，并且土样也发生了液化现象。

图  3  不同条件下的超静孔隙水压力发展曲线

a.固结比1.0；b.固结比1.3；c.固结比1.6

Figure  3.  Development curves of the excess pore water pressure under different conditions

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2.3   有效应力路径

图 4给出了不同条件下试样的有效应力路径，其中，AB线为不同围压下偏应力峰值点的连线。通过有效应力路径可以看出，不同固结比和不同围压下的试样超过峰值点后偏应力降低，直至达到稳态强度。将AB线定义为饱和粉土稳定区和不稳定区的分界线即流滑面，土样进入不稳定区即超过偏应力峰值后超静孔隙水压力急剧上升、有效应力减小，土体易呈现流动状态而发生静态液化。

图  4  不同条件下的有效应力路径

a.固结比1.0；b.固结比1.3；c.固结比1.6

Figure  4.  Effective stress path under different conditions

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2.4   干密度对静态液化的影响

保持围压100 kPa和含水率15%不变，进行不同干密度和固结比条件下的CU试验。图 5和图 6分别反映了不同干密度条件下的偏应力-应变关系曲线和有效应力路径。对比图 5中的不同曲线，干密度为1.58 g·cm^-3时的偏应力-应变曲线表现出应变硬化而非软化现象。由有效应力路径(图 6)也可以看出，当干密度为1.58 g·cm^-3时，土体中的超静孔隙水压力为负值或接近0、有效应力增加或基本不变，在此种情况下土样不会发生静态液化。

图  5  不同干密度下的偏应力-应变关系曲线

a.固结比1.0；b.固结比1.3；c.固结比1.6

Figure  5.  Deviatoric stress strain curve under different dry density

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图  6  不同干密度下的有效应力路径

a.固结比1.0；b.固结比1.3；c.固结比1.6

Figure  6.  Effective stress path under different dry density

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3.   静态液化机理分析

粉土介于砂土和黏土之间，与砂土具有相似的液化机制和后果，但是粉土的组成和性质与砂土又存在明显的不同，其静态液化机理远较砂土复杂。饱和疏松的粉土在排水剪切过程中结构将变得紧密即表现为剪缩趋势，由于在CU试验剪切过程中不排水，因此土样将通过内部应力的自动调整来维持体积不变，即将通过产生正的孔隙水压力(图 3)使土样的有效应力减小(或有效围压减小)来抵消体积缩小的趋势。饱和粉土的有效应力路径(图 4)与砂土的比较接近，随轴向应变增加，其潜在的摩擦力被调动(表现为σ′₁/σ′₃逐渐增大，当达到C点时潜在的摩擦力被全部调动)而导致强度增加，但是由于孔隙水压力的增加和有效平均主应力的不断减小，偏应力在达到C点之前首先达到峰值(即AB线与有效应力路径的交点)，之后偏应力减小甚至为0。与砂土相比，粉土的细粒含量较多，具有一定的黏聚力，因此，偏应力的减小相较砂土要缓慢。

4.   结论

通过CU试验，重点研究了围压、固结比和干密度对饱和粉土静态液化特性的影响。基于本次试验结果，主要得到如下结论：

(1) 干密度、围压和固结比是影响饱和粉土静态液化的重要因素，疏松的饱和粉土在低围压和较低固结比的情况下偏应力-应变曲线呈现明显的应变软化特性，易发生静态液化。

(2) 随干密度、围压和固结比的增大，偏应力峰值和残余强度增大；干密度达到1.58 g·cm^-3时，饱和粉土的偏应力-应变曲线表现为应变硬化特性，土样不发生静态液化，故存在静态液化的干密度临界值。

(3) 本文主要考虑了干密度、围压和固结比3个因素对饱和粉土静态液化的影响。事实上，细粒含量、加荷速率等因素都会对饱和粉土的静态液化性能产生影响，对这些因素的影响规律还有待于深入研究。另外，干密度临界值和流滑面主要是基于本次实验所得，其工程实用性还需要更多的试验验证。