土壤组构和颗粒强度对火山土循环抗阻比和剪切模量的影响

《Soils and Foundations》：Effects of soil fabric and particle strength on cyclic resistance ratio and shear moduli of the volcanic soils

　　

2018年北海道胆振东部地震以及此前多次地震事件，在由火山土构成的地基上引发了液化导致的破坏。这些土壤的特征是含有易破碎的脆弱颗粒，因此评估其液化抗阻尤为重要。火山土的液化抗阻被认为不仅与土壤密度密切相关，还受土体组构效应和颗粒破碎性的影响。在本研究中，研究人员对从日本北海道采集的火山土样品进行了剪切波速（V_s）测量、循环不排水三轴试验、粒径分布（PSD）测试和单颗粒压缩试验。三轴试验的试样采用两种不同的制备方法：干捣法和湿捣法，并调整密度以匹配原位条件。部分试样在循环不排水加载前还经历了超固结历史。结果表明，尽管每个样品系列内的试样密度大致相同，但小应变剪切模量（G₀）和循环抗阻比（CRR）均显著受到由试样制备方法和超固结历史引起的土体组构效应的影响。此外，研究人员还研究了因土体组构效应变化导致的G₀和CRR变化率之间的关系。结果证实，单颗粒强度极低的火山土样品偏离了典型硬颗粒砂土及其他单颗粒强度较高的火山土样品所表现出的趋势。这些发现表明，颗粒破碎性和变形特性可能在火山土的循环不排水行为中发挥关键作用。

论文解读：火山土组构效应与颗粒强度对循环抗阻比及剪切模量的影响

**研究背景与问题**

火山土因其颗粒易碎、压缩性高，在地震荷载下易发生液化，已在日本多次地震（如1993年北海道西南海域地震、2003年十胜冲地震、2016年熊本地震及2018年北海道胆振东部地震）中造成严重破坏。现有基于标准贯入试验（SPT-N）的经验方法（如日本道路协会JRA 2017）及静力触探（CPT）和扁铲侧胀试验（DMT）方法难以准确评估火山土的循环抗阻比（CRR）。火山土的液化抗阻不仅受密度影响，还显著受土体组构效应（由颗粒排列方式决定）和颗粒破碎性控制。然而，两者对火山土循环特性的综合影响尚不明确，尤其是极低强度颗粒对G₀与CRR关系的影响缺乏系统研究。为此，本研究聚焦于火山土的土体组构效应和颗粒强度，探讨其对小应变剪切模量（G₀）和循环抗阻比（CRR）的影响。

**研究内容与结论**

研究人员从日本北海道三处地点（札幌市清田区美しが丘、森町、美幌町）采集火山土样品（分别记为A、B、C），其中样品A来自2018年地震中发生液化的回填场地，属于支笏轻石流堆积物；样品B为驹岳火山喷发的火山灰堆积物；样品C为屈斜路轻石流堆积物。通过控制试样制备方法（干捣法DT、湿捣法WT）及施加超固结历史（OCR分别为3或5），在相同密度条件下制备试样，开展循环不排水三轴试验、剪切波速（V_s）测量、粒径分布（PSD）测试及单颗粒压缩试验。研究得出以下结论：土体组构效应显著影响G₀和CRR，且颗粒强度极低的样品A在G₀与CRR变化率关系上偏离典型砂土趋势。该发现表明，颗粒破碎性及变形特性在火山土循环不排水行为中起关键作用。论文发表在《Soils and Foundations》。

**主要关键技术方法**

本研究采用以下关键技术方法：（1）剪切波速（V_s）测量：使用弯曲元（bender element）装置，输入频率1.0 kHz，测定试样在等向固结或超固结后的小应变剪切模量（G₀ = ρ_satV_s²）；（2）循环不排水三轴试验：在有效围压σ'_c0 = 30 kPa、反压200 kPa条件下进行，轴向应变速率0.2%/min，直至双振幅轴向应变ε_v(DA)超过5%判定液化；（3）单颗粒压缩试验：选取粒径0.425–0.850 mm的颗粒，加载速率0.2 mm/min，测试峰值应力和割线刚度，每个样品系列测试20次；（4）粒径分布（PSD）测试：在循环三轴试验前后进行，评估颗粒破碎程度（Hardin相对破碎率B_r）。样品来源：北海道三处火山土场地，详细原位密度见表1。

**研究结果**

**（1）小应变剪切模量G₀的V_s测量结果**

通过弯曲元测量V_s并计算G₀。样品A系列中，干捣法（DT）试样的G₀比湿捣法（WT）高24%，超固结（OC）试样比WT高48%。样品B和C中，OC试样的G₀也高于DT试样。由于各系列内试样密度相同，此差异归因于土体组构效应（由制备方法和超固结历史引起）。样品B的G₀比样品A高45%，样品C比样品A低11%。

**（2）循环不排水三轴试验结果**

典型有效应力路径和应力-应变关系显示：在相同密度和循环应力比（CSR=0.13）下，WT试样的有效应力迅速下降，应变快速增大，而DT试样下降较慢；OC试样有效应力下降最慢，在较高CSR（0.20）下仍能承受更多循环次数（N_c=36）才达到双振幅轴向应变5%。所有试样在有效应力未完全消散前即出现显著应变增加，表明火山土的高压缩性。液化抗阻曲线显示，CRR（ε_v(DA)=5%, N_c=20）按WT、DT、OC顺序递增，与G₀值正相关，表明土体组构效应是主因。

**（3）粒径分布（PSD）测试与单颗粒压缩试验结果**

PSD测试显示，各样品在循环三轴试验前后级配曲线变化不大，Hardin相对破碎率B_r除样品A在OC条件下达0.046外，均小于0.010，表明低应力水平下破碎不明显。单颗粒压缩试验中，样品A的峰值应力均值（6.45 N/mm2）和割线刚度均值（246 N/mm3）显著低于其他火山土样品（B：37.3 N/mm2, 1218 N/mm3；C：21.9 N/mm2, 1193 N/mm3）及硅砂（59.4 N/mm2, 1990 N/mm3），且样品A表现出渐进式破裂模式，而硅砂为脆性破裂。

**讨论与结论**

**讨论部分：** 研究人员分析了G₀与CRR的变化率关系。基于Kiyota等（2019）对无塑性或胶结效应砂土的研究，CRR/CRR*与G₀/G₀*的关系可用指数n_f（土体组构效应指数）描述，典型砂土n_f=2.5。本研究中，样品B和C的G₀/G₀*-CRR/CRR*关系与典型砂土趋势一致，但样品A的n_f约为1.3，低于典型值。这表明样品A中CRR随G₀增加的增幅较小，其原因在于极低的单颗粒强度和刚度导致颗粒在循环加载中发生局部损伤或变形，抑制了CRR的提升。颗粒形状影响相对较小，而颗粒破碎性起主导作用。尽管PSD测试未显示明显破碎，单颗粒压缩试验仍揭示了颗粒易碎性对循环不排水特性的影响。

**结论部分（翻译）：** 本研究调查了从日本北海道采集的火山土的循环不排水特性，重点关注土体组构效应和颗粒破碎性。进行了一系列循环不排水三轴试验，同时进行剪切波速测量、粒径分布测试和单颗粒压缩试验。为了检查土体组构效应对循环抗阻的影响，采用三种不同方法制备三轴试验试样：干捣法、湿捣法以及施加超固结历史。所有试样均调整至匹配各样品系列的代表性原位密度。

三轴试验结果表明，尽管每个样品系列内的密度几乎相同，小应变剪切模量G₀和循环抗阻比CRR均显著受到试样制备方法和超固结历史存在的影响。湿捣法试样始终表现出最低的G₀和CRR值，而超固结试样表现出最高值，干捣法试样处于中间值。由于每个样品系列内试样密度几乎相同，可以得出结论，试样之间G₀和CRR的差异主要由土体组构效应的差异引起。这些发现证实了土体组构效应在火山土循环不排水行为中起着关键作用。

对于火山土样品B和C，由土体组构效应差异引起的G₀和CRR变化率关系（G₀/G₀*-CRR/CRR*）与典型砂土的趋势一致。然而，样品A偏离了这一趋势，在给定G₀增加的情况下，CRR增幅相对较小。这表明对于样品A，V_s、G₀或土体组构效应的差异对CRR的影响不如其他样品显著。

单颗粒压缩试验揭示，样品A的峰值应力和割线刚度显著低于样品B、样品C和硅砂。虽然粒径分布测试显示三轴试验期间几乎没有颗粒破碎的证据，但单颗粒压缩试验清楚地量化了样品A的破碎性和低颗粒刚度。这些结果表明，循环加载期间的颗粒破碎性和颗粒变形特性可能抑制CRR的增加，即使试样具有较高的G₀值。未来研究应使用不同颗粒破碎性的材料更系统地调查土体组构效应与循环抗阻比之间的关系，以进一步阐明土壤颗粒特性对火山土液化行为的影响。