浮石含量对浮石质土壤不排水循环行为的影响机制及其工程意义研究

针对浮石质土壤液化风险评估难题，研究人员通过三轴试验系统研究了浮石含量(PC)对混合土壤循环抗性(CRR)的影响。发现循环抗性随PC增加呈三阶段降低（40%阈值/80%显著降低/过渡区），揭示了孔隙水压力生成与应变发展模式不受PC影响的特性，为火山灰沉积区工程抗震设计提供了关键参数。

　　

火山活动频繁地区广泛分布的浮石质土壤因其独特的工程特性长期困扰着岩土工程师。这些具有多孔结构的轻质颗粒材料，既可能因高棱角度增强抗液化能力，又可能因低破碎强度导致收缩性行为，这种矛盾特性使得传统液化评估方法面临严峻挑战。特别是在新西兰北岛、日本和意大利南部等人类活动密集的火山带，1968年Ebino地震和1987年Edgecumbe地震等历史事件已多次证实这类土壤的液化风险。当前研究存在两大瓶颈：一是自然沉积物中浮石含量(PC)的连续变化对力学行为的影响规律不明；二是现有试验多采用异源材料混合，难以排除粒径分布等干扰因素。

新西兰研究人员在《Soils and Foundations》发表的研究通过创新性的材料分离-重组技术，首次采用同源母土制备了PC梯度样本(0%-95%)。通过系统化的固结不排水三轴试验，结合剪切波速(V_s)测量和扫描电镜(SEM)表征，揭示了PC对循环抗性(CRR)的非线性影响规律。研究发现循环应力比(CSR)在N=15循环时，PC≥80%样本的CRR较硬粒材料降低约20%，且这种降低呈现明显的三阶段特征：当PC≤40%时抗性基本不变，60%PC时进入过渡区，80%PC以上形成稳定低抗性带。

关键技术方法包括：1)采用改良沉浮法从新西兰Edgecumbe冲积层原状样中分离出PC=1%(P0)和95%(P95)组分；2)通过湿度压实法制备直径50mm的标准化试样，采用1%欠压实度和层间划痕技术保证均匀性；3)联合CO₂渗透-双真空饱和法实现B值>0.97的高饱和度；4)在100kPa初始有效应力(_po′)下进行0.1Hz循环加载，以5%双幅轴向应变(ε_DA)作为破坏标准。

【压缩性与刚度】通过固结阶段体积应变(ε_vol)分析发现，PC增加导致体积模量(K)显著降低，尤其在40-60%PC区间变化剧烈。剪切波速测试显示，PC从0%增至95%时，小应变剪切模量(G_max)下降达75%，这种刚度衰减主要源于材料密度(ρ)的降低。

【单调加载响应】应力路径分析表明，所有试样均呈现应变硬化特征，但高PC(≥80%)组表现出更强的收缩性：相位转换后孔隙水压力(u_e)仅小幅下降，导致极限强度降低。值得注意的是，PC增加使临界状态摩擦角从35°(P0)增至43°(P95)，但较高的u_e使有效应力降低，最终仍表现为强度衰减。

【循环加载响应】典型应力-应变曲线显示，PC增加会加速循环破坏进程，但未改变基本失效机制。当归一化循环次数(N/N_liq)相同时，不同PC试样的孔隙水压力比(r_u=u_e/σ_c′)发展曲线高度重合，说明PC主要影响抗液化能力而非失效模式。

【再固结体积应变】达到破坏标准的试样在再固结阶段呈现1.5%-4%的体积应变，且随PC增加线性增长。通过扣除固结压缩分量发现，这种差异主要源于材料本征压缩性，而非结构退化效应。

【颗粒破碎】与预期相反，SEM和粒度分析未发现显著颗粒破碎现象，研究者认为这可能与试验应力水平(100kPa)下浮石颗粒的结构完整性有关。

讨论部分强调了三个关键发现：首先，浮石颗粒在混合体系中的作用存在临界阈值——低于40%PC时硬粒骨架主导力学行为，高于80%PC时浮石特性决定整体响应。其次，尽管Toyoura砂常被用作参考材料，但本研究中硬粒组分(P0)的力学响应与之差异显著，凸显了区域地质特异性研究的重要性。最后，标准贯入试验(SPT)和静力触探试验(CPT)在浮石质土壤中可能严重低估实际密度，这种"双重补偿"效应(即抗液化能力降低与测试值低估)对工程实践构成特殊挑战。

该研究为火山灰沉积区的液化危害评估建立了首个定量框架，其提出的PC三分区模型可指导现场勘察策略制定。特别是发现再固结体积应变与PC的正相关性，提示现行液化后果评估方法可能低估浮石层的地震沉降风险。未来研究需拓展不同应力水平和密度的系统验证，并探索原位条件(如胶结作用)对力学行为的影响。